Cwestiynau Enghreifftiol yn Trafod Celloedd Foltaidd
Rhagymadrodd
Mae cell foltäig, a elwir hefyd yn gell galfanig, yn ddyfais sy'n trosi ynni cemegol yn ynni trydanol trwy adwaith redoks (ocsidiad-gostyngiad). Mae cell foltäig yn cynnwys dau electrod, sydd fel arfer wedi'u gwneud o fetelau gwahanol, wedi'u trochi mewn electrolyt ac wedi'u cysylltu gan bont halen. Yn yr erthygl hon, byddwn yn trafod sawl enghraifft sy'n gysylltiedig â chelloedd foltäig i ddyfnhau ein dealltwriaeth o'u hegwyddorion gweithio a sut i gyfrifo potensial celloedd.
Damcaniaeth Sylfaenol Celloedd Foltaidd
Cyn symud ymlaen at y problemau enghreifftiol, mae'n bwysig deall y cysyniadau a'r cydrannau sylfaenol sy'n ffurfio cell Foltaidd:
1. Anod a Chatod: Mewn cell Foltaidd, yr anod yw'r electrod lle mae ocsideiddio'n digwydd, a'r catod yw'r electrod lle mae gostyngiad yn digwydd. Mae gan yr anod wefr negatif, tra bod gan y catod wefr bositif.
2. Llwybr Electron: Mae electronau'n llifo o'r anod i'r catod trwy gylched allanol, gan gynhyrchu cerrynt trydanol.
3. Potensial Cell (E°cell): Potensial cell yw'r gwahaniaeth potensial rhwng dau electrod. Gellir cyfrifo potensial cell safonol (E°cell) gan ddefnyddio'r fformiwla:
\[
E°cell = E°catod – E°nod
\]
lle mae \(E°cathode\) ac \(E°anode\) yn botensialau lleihau safonol y catod a'r anod.
4. Pont Halen: Mae'r bont hon yn cydbwyso gwefrau'r ïonau yn y ddau doddiant electrolyt trwy ganiatáu i ïonau symud.
Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth
Er mwyn egluro'r cysyniadau hyn, gadewch inni drafod rhai problemau enghreifftiol.
Cwestiwn Enghraifft 1
Cwestiwn:
Cyfrifwch botensial safonol cell Volta sy'n cynnwys electrodau Zn | Zn²⁺ (aq) ac electrodau Cu | Cu²⁺ (aq). Gwyddys bod y potensial lleihau safonol \(E°\) ar gyfer Zn²⁺ | Zn yn -0.76 V a \(E°\) ar gyfer Cu²⁺ | Cu yn +0.34 V.
Trafodaeth:
Y cam cyntaf yw penderfynu pa un yw'r anod a'r catod.
Mae gan Zn botensial lleihau mwy negyddol (-0.76 V) na Cu (+0.34 V), felly bydd Zn yn gweithredu fel yr anod (safle ocsideiddio) a Cu fel y catod (safle lleihau).
Nesaf, rydym yn defnyddio'r fformiwla:
\[
E°cell = E°catod – E°nod
\]
Amnewidiwch y gwerthoedd hysbys:
\[
Cell E° = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°cell = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
Cell E° = 1.10 V
\]
Felly, potensial safonol y gell yw 1.10 V.
Cwestiwn Enghraifft 2
Cwestiwn:
Mae cell Foltaidd wedi'i gwneud o electrodau Fe | Fe²⁺ ac electrodau Ag | Ag⁺. Y potensial lleihau safonol ar gyfer Fe²⁺ | Fe yw -0.44 V ac ar gyfer Ag⁺ | Ag mae'n +0.80 V. Cyfrifwch botensial safonol y gell ac ysgrifennwch adwaith y gell.
Trafodaeth:
Fel o'r blaen, mae angen i ni benderfynu ar yr anod a'r catod. Gan fod potensial lleihau Fe²⁺/Fe yn fwy negyddol na photensial lleihau Ag⁺/Ag, bydd Fe yn gweithredu fel yr anod ac Ag fel y catod.
Defnyddiwch y fformiwla:
\[
E°cell = E°catod – E°nod
\]
\[
Cell E° = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°cell = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
Cell E° = 1.24 V
\]
Potensial safonol y gell yw 1.24 V.
Ar gyfer yr adwaith celloedd cyffredinol, rydym yn cyfuno'r adweithiau ocsideiddio a lleihau:
– Adwaith wrth yr anod: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Adwaith wrth y catod: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Cydbwyso nifer yr electronau yn y ddau adwaith:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Adwaith cyffredinol celloedd:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
Cwestiwn Enghraifft 3
Cwestiwn:
Cyfrifwch botensial y gell ar 25°C ar gyfer cell Foltaidd sy'n cynnwys electrodau Al | Al³⁺ ac electrodau Ni | Ni²⁺, os yw crynodiad Al³⁺ yn 0.001 M a chrynodiad Ni²⁺ yn 1 M. Gwyddys bod \(E°\) ar gyfer Al³⁺ | Al yn -1.66 V a \(E°\) ar gyfer Ni²⁺ | Ni yn -0.23 V.
Trafodaeth:
Yn gyntaf, pennwch yr anod a'r catod:
– Mae potensial lleihau Al³⁺/Al yn fwy negyddol (-1.66 V) na Ni²⁺/Ni (-0.23 V), felly Al yw'r anod a Ni yw'r catod.
Cyfrifir potensial safonol y gell fel:
\[
E°cell = E°catod – E°nod
\]
\[
E°cell = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°cell = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
Cell E° = 1.43 V
\]
Nesaf, rydym yn defnyddio Hafaliad Nernst i gyfrifo potensial y gell o dan amodau ansafonol:
\[
E_{cell} = E°cell – (\left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
Lle mae \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R yw'r cysonyn nwy (8.314 J/mol·K), T yw'r tymheredd mewn Kelvin (298 K ar 25°C), F yw'r cysonyn Faraday (96485 C/mol), ac n yw nifer yr electronau (6 ar gyfer adweithiau sy'n cynnwys Al³⁺ a Ni²⁺).
Amnewidiwch y gwerthoedd hysbys yn yr hafaliad:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cell} = 1.4595 V
\]
Felly, mae potensial y gell yn yr amod hwn tua 1.46 V.
Casgliad
Mae cell foltäig yn gysyniad sylfaenol mewn electrocemeg sy'n trosi ynni cemegol yn ynni trydanol. Mae'r erthygl hon wedi cyflwyno hanfodion damcaniaeth celloedd Foltäig ac wedi darparu enghreifftiau i helpu i egluro'r broses o gyfrifo potensial celloedd. Gyda'r ddealltwriaeth hon, gobeithio y bydd gan ddarllenwyr well dealltwriaeth o gelloedd Foltäig a'u cymwysiadau mewn gwahanol gyd-destunau.
