ভোল্টাইক কোষ নিয়ে আলোচনার উদাহরণমূলক প্রশ্ন
পেন্ডাহুলুয়ান
ভোল্টাইক কোষ, যা গ্যালভানিক কোষ নামেও পরিচিত, হলো এমন একটি যন্ত্র যা রেডক্স (জারণ-বিজারণ) বিক্রিয়ার মাধ্যমে রাসায়নিক শক্তিকে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তরিত করে। একটি ভোল্টাইক কোষে দুটি ইলেকট্রোড থাকে, যা সাধারণত ভিন্ন ধাতু দিয়ে তৈরি হয়। এই ইলেকট্রোডগুলো একটি ইলেকট্রোলাইটে নিমজ্জিত থাকে এবং একটি সল্ট ব্রিজ দ্বারা সংযুক্ত থাকে। এই প্রবন্ধে, আমরা ভোল্টাইক কোষের কার্যপ্রণালী এবং কোষ বিভব গণনার পদ্ধতি সম্পর্কে আমাদের বোঝাপড়া আরও গভীর করার জন্য এর সাথে সম্পর্কিত কয়েকটি উদাহরণ নিয়ে আলোচনা করব।
ভোল্টাইক কোষের মৌলিক তত্ত্ব
উদাহরণ সমস্যাগুলিতে যাওয়ার আগে, একটি ভোল্টাইক কোষ যে মৌলিক ধারণা এবং উপাদানগুলি দিয়ে গঠিত, তা বোঝা গুরুত্বপূর্ণ:
১. অ্যানোড ও ক্যাথোড: একটি ভোল্টাইক কোষে, অ্যানোড হলো সেই ইলেকট্রোড যেখানে জারণ ঘটে এবং ক্যাথোড হলো সেই ইলেকট্রোড যেখানে বিজারণ ঘটে। অ্যানোডের আধান ঋণাত্মক এবং ক্যাথোডের আধান ধনাত্মক।
২. ইলেকট্রনের পথ: ইলেকট্রন একটি বাহ্যিক বর্তনীর মধ্য দিয়ে অ্যানোড থেকে ক্যাথোডের দিকে প্রবাহিত হয় এবং তড়িৎ প্রবাহ উৎপন্ন করে।
৩. কোষ বিভব (E°cell): কোষ বিভব হলো দুটি তড়িৎদ্বারের মধ্যবর্তী বিভব পার্থক্য। প্রমাণ কোষ বিভব (E°cell) নিম্নলিখিত সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা যায়:
\[
E° কোষ = E° ক্যাথোড - E° anode
\]
যেখানে \(E°cathode\) এবং \(E°anode\) হলো যথাক্রমে ক্যাথোড এবং অ্যানোডের প্রমাণ বিজারণ বিভব।
৪. লবণ সেতু: এই সেতুটি আয়নের চলাচলের সুযোগ দিয়ে উভয় তড়িৎবিশ্লেষ্য দ্রবণের আয়ন চার্জের ভারসাম্য রক্ষা করে।
নমুনা প্রশ্ন ও আলোচনা
এই ধারণাগুলো স্পষ্ট করার জন্য, আসুন কিছু উদাহরণ সমস্যা নিয়ে আলোচনা করা যাক।
উদাহরণ প্রশ্ন ৩
প্রশ্ন :
Zn | Zn²⁺ (aq) ইলেকট্রোড এবং Cu | Cu²⁺ (aq) ইলেকট্রোড দ্বারা গঠিত একটি ভোল্টা কোষের প্রমাণ কোষ বিভব গণনা করুন। এটি জানা আছে যে Zn²⁺ | Zn এর জন্য প্রমাণ বিজারণ বিভব \(E°\) হলো -0.76 V এবং Cu²⁺ | Cu এর জন্য \(E°\) হলো +0.34 V।
আলোচনা :
প্রথম ধাপ হলো কোনটি অ্যানোড এবং কোনটি ক্যাথোড তা নির্ধারণ করা।
Cu (+0.34 V) এর তুলনায় Zn এর বিজারণ বিভব (-0.76 V) বেশি ঋণাত্মক, তাই Zn অ্যানোড (জারণ স্থান) এবং Cu ক্যাথোড (বিজারণ স্থান) হিসাবে কাজ করবে।
এরপর, আমরা সূত্রটি ব্যবহার করি:
\[
E° কোষ = E° ক্যাথোড - E° anode
\]
জ্ঞাত মানগুলি প্রতিস্থাপন করুন:
\[
E°cell = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°cell = ০.৩৪ V + ০.৭৬ V
\]
\[
E°cell = 1.10 V
\]
সুতরাং, প্রমাণ কোষ বিভব হলো ১.১০ ভোল্ট।
উদাহরণ প্রশ্ন ৩
প্রশ্ন :
একটি ভোল্টাইক কোষ Fe | Fe²⁺ তড়িৎদ্বার এবং Ag | Ag⁺ তড়িৎদ্বার দ্বারা গঠিত। Fe²⁺ | Fe এর জন্য প্রমাণ বিজারণ বিভব -0.44 V এবং Ag⁺ | Ag এর জন্য +0.80 V। প্রমাণ কোষ বিভব গণনা করুন এবং কোষ বিক্রিয়াটি লিখুন।
আলোচনা :
আগের মতোই, আমাদের অ্যানোড এবং ক্যাথোড নির্ধারণ করতে হবে। যেহেতু Fe²⁺/Fe-এর বিজারণ বিভব Ag⁺/Ag-এর চেয়ে বেশি ঋণাত্মক, তাই Fe অ্যানোড এবং Ag ক্যাথোড হিসেবে কাজ করবে।
সূত্রটি ব্যবহার করুন:
\[
E° কোষ = E° ক্যাথোড - E° anode
\]
\[
E°cell = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°cell = ০.৩৪ V + ০.৭৬ V
\]
\[
E°cell = 1.24 V
\]
প্রমাণ কোষ বিভব হলো ১.২৪ ভোল্ট।
সামগ্রিক কোষ বিক্রিয়ার জন্য, আমরা জারণ ও বিজারণ বিক্রিয়াগুলোকে একত্রিত করি:
– অ্যানোডের বিক্রিয়া: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– ক্যাথোডে বিক্রিয়া: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
উভয় বিক্রিয়ায় ইলেকট্রন সংখ্যার ভারসাম্য রক্ষা করা:
\[
Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
সামগ্রিক কোষ প্রতিক্রিয়া:
\[
Fe + 2Ag+ → Fe²⁺ + 2Ag
\]
উদাহরণ প্রশ্ন ৩
প্রশ্ন :
Al | Al³⁺ এবং Ni | Ni²⁺ ইলেকট্রোড দ্বারা গঠিত একটি ভোল্টাইক কোষের জন্য 25°C তাপমাত্রায় কোষ বিভব নির্ণয় করুন, যদি Al³⁺-এর ঘনমাত্রা 0.001 M এবং Ni²⁺-এর ঘনমাত্রা 1 M হয়। এটি জানা আছে যে Al³⁺ | Al-এর জন্য \(E°\) হলো -1.66 V এবং Ni²⁺ | Ni-এর জন্য \(E°\) হলো -0.23 V।
আলোচনা :
প্রথমে, অ্যানোড এবং ক্যাথোড নির্ধারণ করুন:
Al³⁺/Al-এর বিজারণ বিভব (-1.66 V) Ni²⁺/Ni-এর (-0.23 V) চেয়ে বেশি ঋণাত্মক, তাই Al হলো অ্যানোড এবং Ni হলো ক্যাথোড।
প্রমাণ কোষ বিভব নিম্নরূপে গণনা করা হয়:
\[
E° কোষ = E° ক্যাথোড - E° anode
\]
\[
E°cell = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°cell = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°cell = 1.43 V
\]
এরপরে, আমরা নার্নস্ট সমীকরণ ব্যবহার করে অ-প্রমিত পরিস্থিতিতে কোষ বিভব গণনা করি:
\[
E_{cell} = E°cell – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
যেখানে \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R হলো গ্যাস ধ্রুবক (8.314 J/mol·K), T হলো কেলভিন এককে তাপমাত্রা (25°C তাপমাত্রায় 298 K), F হলো ফ্যারাডে ধ্রুবক (96485 C/mol), এবং n হলো ইলেকট্রন সংখ্যা (Al³⁺ এবং Ni²⁺ জড়িত বিক্রিয়ার ক্ষেত্রে 6)।
সমীকরণে জ্ঞাত মানগুলো বসান:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – ( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – ( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cell} = 1.4595 V
\]
সুতরাং, এই অবস্থায় কোষ বিভব প্রায় ১.৪৬ ভোল্ট।
উপসংহার
ভোল্টাইক কোষ হলো তড়িৎ-রসায়নের একটি মৌলিক ধারণা, যা রাসায়নিক শক্তিকে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তরিত করে। এই প্রবন্ধে ভোল্টাইক কোষ তত্ত্বের মূল বিষয়গুলো তুলে ধরা হয়েছে এবং কোষ বিভব গণনার প্রক্রিয়াটি স্পষ্ট করার জন্য উদাহরণ দেওয়া হয়েছে। এই ধারণা লাভের ফলে, পাঠকগণ ভোল্টাইক কোষ এবং বিভিন্ন ক্ষেত্রে এর প্রয়োগ সম্পর্কে আরও ভালোভাবে বুঝতে পারবেন বলে আশা করা যায়।
