প্রমাণ রেফারেন্স ইলেকট্রোড বিভবের উপর আলোচনা প্রশ্নের উদাহরণ
পেন্ডাহুলুয়ান
তড়িৎ রসায়ন হলো রসায়নের একটি শাখা যা রাসায়নিক বিক্রিয়া এবং বৈদ্যুতিক ঘটনার মধ্যে সম্পর্ক নিয়ে অধ্যয়ন করে। তড়িৎ রসায়নের অন্যতম মৌলিক ধারণা হলো তড়িৎদ্বার বিভব। তড়িৎদ্বার বিভব হলো কোনো তড়িৎদ্বারের ইলেকট্রন আকর্ষণ বা ত্যাগ করার প্রবণতার একটি পরিমাপ।
তড়িৎ রসায়নে, স্ট্যান্ডার্ড হাইড্রোজেন ইলেকট্রোড (SHE) একটি বহুল ব্যবহৃত স্ট্যান্ডার্ড। SHE-কে এমনভাবে সংজ্ঞায়িত করা হয় যে এর বিভব সকল তাপমাত্রায় শূন্য ভোল্ট থাকে। এটি অন্যান্য ইলেকট্রোডের বিভব পরিমাপ ও তুলনা করার জন্য একটি সার্বজনীন রেফারেন্স হিসেবে কাজ করে। এই নিবন্ধটির লক্ষ্য হলো স্ট্যান্ডার্ড রেফারেন্স ইলেকট্রোডের বিভব নিয়ে আলোচনা করে উদাহরণ সমস্যার মাধ্যমে একটি বিশদ ব্যাখ্যা প্রদান করা, যাতে এ বিষয়ে গভীরতর বোঝাপড়া তৈরি হয়।
ইলেকট্রোড বিভব এবং SHE
SHE একটি নির্দেশক বিন্দু হিসেবে কাজ করে এবং ইলেকট্রোড বিভব ইচ্ছামতো ০ V-এ সেট করা হয়। হাইড্রোজেন ইলেকট্রোড বিক্রিয়ার সমীকরণটি নিম্নরূপ:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \rightarrow H_2 (g) \]
বাস্তবে, SHE পরিস্থিতি অনুকরণ করা কঠিন এবং স্যাচুরেটেড ক্যালমেল ইলেকট্রোড (SCE) বা সিলভার/সিলভার ক্লোরাইড (Ag/AgCl)-এর মতো অন্যান্য স্ট্যান্ডার্ড রেফারেন্স ইলেকট্রোড ব্যবহার করাই বেশি প্রচলিত।
নমুনা প্রশ্ন ও আলোচনা
প্রশ্ন ১: একটি তড়িৎ-রাসায়নিক কোষের তড়িৎদ্বার বিভব নির্ণয়
প্রশ্ন:
উদাহরণস্বরূপ, আমাদেরকে Zn(s) এবং Cu^2+(aq) এর মধ্যে বিক্রিয়ার কোষ বিভব নির্ণয় করতে বলা হয়েছে। জানা আছে যে, Zn^2+/Zn এর জন্য প্রমাণ তড়িৎদ্বার বিভব -0.76 V এবং Cu^2+/Cu এর জন্য +0.34 V। প্রমাণ তড়িৎদ্বার বিভবকে (SHE) নির্দেশক হিসেবে ব্যবহার করে কোষ বিভব কত হবে?
উত্তর:
আমাদের ইলেকট্রোড বিভব ব্যবহার করে কোষ বিভব \( E_{cell} \) গণনা করতে হবে। কোষের মোট বিক্রিয়াটি হলো:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
ইলেকট্রোড বিভবকে নিম্নরূপে লেখা হয়:
\[ ই_{সেল} = ই_{ক্যাথোড} – ই_{অ্যানোড} \]
যেখানে ক্যাথোড হলো বিজারণ বিক্রিয়া এবং অ্যানোড হলো জারণ বিক্রিয়া। প্রমাণ বিভবের উপর ভিত্তি করে:
– ক্যাথোড স্ট্যান্ডার্ড সম্ভাব্য \( E^0_{ক্যাথোড} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– অ্যানোডের প্রমাণ বিভব \( E^0_{anode} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
মান প্রতিস্থাপন:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{cell} = 1.10 \, \text{V} \]
সুতরাং, কোষ বিভব হলো ১.১০ ভোল্ট।
প্রশ্ন ২: অ-প্রমিত পরিস্থিতিতে নার্নস্ট সমীকরণের ব্যবহার
প্রশ্ন:
Zn(s) এবং Cu^2+(aq) এর মধ্যে সংঘটিত তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ার জন্য 298 K তাপমাত্রায় কোষ বিভব (E) নির্ণয় করুন, যদি Cu^2+ আয়নের ঘনমাত্রা 0.01 M এবং Zn^2+ আয়নের ঘনমাত্রা 1.00 M হয়।
উত্তর:
নার্নস্ট সমীকরণটি আমাদেরকে এমন পরিস্থিতিতে কোষ বিভব গণনা করার একটি উপায় প্রদান করে যা প্রমিত নয় (অপ্রমিত)। নার্নস্ট সমীকরণটি হলো:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
কোথায়,
– \( E^0 \) হলো প্রমাণ কোষ বিভব
– \( R \) হলো গ্যাস ধ্রুবক (8.314 J/mol·K)
– \( T \) হল কেলভিন এককে তাপমাত্রা (298 K)
– \( n \) হলো সমতুল্য বিক্রিয়ায় স্থানান্তরিত ইলেকট্রনের মোল সংখ্যা (Zn/Cu-এর জন্য ২ মোল ইলেকট্রন)।
– \( F \) হলো ফ্যারাডের ধ্রুবক (৯৬৪৮৫ কুলম্ব/মোল)
– \( Q \) হলো বিক্রিয়া ভাগফল:
\[ Q = \frac{[উৎপাদ]}{[বিক্রিয়ক]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
নার্নস্ট সমীকরণে মানগুলো বসান:
পূর্ববর্তী সমস্যা থেকে প্রাপ্ত প্রমাণ বিভব \( E^0 \) হলো 1.10 V।
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
প্রথমে, তাপমাত্রা পদ এবং বিক্রিয়া ভাগফল গণনা করুন:
\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \approx 0.0128 \, \text{V} \]
J-কে ভোল্টে রূপান্তর করতে ভুলবেন না:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
সুতরাং:
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \times 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \text{V} \]
সুতরাং, অ-প্রমিত পরিস্থিতিতে কোষ বিভব হলো 1.041 V।
উপসংহার
তড়িৎ রসায়ন একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্র, যার শিল্পক্ষেত্র এবং বৈজ্ঞানিক গবেষণায় অসংখ্য প্রয়োগ রয়েছে। ইলেকট্রোড বিভব এবং নার্নস্ট সমীকরণের ব্যবহারের মতো মৌলিক ধারণাগুলো বোঝার মাধ্যমে আমরা বিভিন্ন পরিস্থিতিতে কোষ বিভব গণনা করতে পারি। এই উদাহরণে, আমরা দেখেছি কীভাবে একটি আদর্শ রেফারেন্স ইলেকট্রোড ব্যবহার করে কোষ বিভব নির্ণয় করতে হয় এবং কীভাবে ঘনত্বের মতো বিষয়গুলো কোষ বিভবকে প্রভাবিত করে।
এই আলোচনাটি বায়োসেন্সর থেকে শুরু করে ব্যাটারি পর্যন্ত বিস্তৃত বিভিন্ন প্রয়োগের জন্য তড়িৎ-রাসায়নিক নীতিমালার পুঙ্খানুপুঙ্খ জ্ঞানের গুরুত্ব তুলে ধরে। এটি তড়িৎ-রাসায়নিক প্রযুক্তি গবেষণা ও এর প্রয়োগে আগ্রহী যে কারো জন্য একটি মজবুত ভিত্তিও প্রদান করে।
