Näidisküsimused voltaelementide kohta
Pendahuluan
Galvaniline element, tuntud ka kui galvaaniline element, on seade, mis muundab keemilise energia redoksreaktsiooni (oksüdatsiooni-redutseerimise) abil elektrienergiaks. Galvaniline element koosneb kahest elektroodist, mis on tavaliselt valmistatud erinevatest metallidest, kastetud elektrolüüti ja ühendatud soolasillaga. Selles artiklis käsitleme mitmeid galvaniliste elementidega seotud näiteid, et süvendada meie arusaamist nende tööpõhimõtetest ja sellest, kuidas arvutada elemendi potentsiaali.
Voltaic-elementide põhiteooria
Enne näidisülesannete juurde liikumist on oluline mõista volta-elemendi põhimõisteid ja komponente:
1. Anood ja katood: Voltaelemendis on anood elektrood, kus toimub oksüdatsioon, ja katood elektrood, kus toimub redutseerimine. Anoodil on negatiivne laeng, katoodil aga positiivne laeng.
2. Elektronide tee: Elektronid liiguvad anoodilt katoodile läbi välise vooluahela, tekitades elektrivoolu.
3. Elemendi potentsiaal (E°cell): Elemendi potentsiaal on kahe elektroodi vaheline potentsiaalide vahe. Elemendi standardpotentsiaali (E°cell) saab arvutada järgmise valemi abil:
\[
E° element = E° katood – E° anood
\]
kus \(E°katood\) ja \(E°anood\) on katoodi ja anoodi standardsed redutseerimispotentsiaalid.
4. Soolasild: See sild tasakaalustab ioonide laenguid mõlemas elektrolüüdilahuses, võimaldades ioonide liikumist.
Näidisküsimused ja arutelu
Nende mõistete selgitamiseks käsitleme mõningaid näidisprobleeme.
Näidisküsimus 1
Küsimus:
Arvutage Volta elemendi standardpotentsiaal, mis koosneb Zn | Zn²⁺ (aq) elektroodidest ja Cu | Cu²⁺ (aq) elektroodidest. On teada, et Zn²⁺ | Zn standardne redutseerimispotentsiaal \(E°\) on -0.76 V ja Cu²⁺ | Cu standardne redutseerimispotentsiaal \(E°\) on +0.34 V.
Arutelu:
Esimene samm on kindlaks teha, kumb on anood ja kumb katood.
Zn-il on negatiivsem redutseerimispotentsiaal (-0.76 V) kui Cu-l (+0.34 V), seega toimib Zn anoodina (oksüdatsioonikohana) ja Cu katoodina (redutseerimiskohana).
Järgmisena kasutame valemit:
\[
E° element = E° katood – E° anood
\]
Asendage teadaolevad väärtused:
\[
E°element = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°element = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°element = 1.10 V
\]
Seega on standardelemendi potentsiaal 1.10 V.
Näidisküsimus 2
Küsimus:
Voltaelement koosneb Fe | Fe²⁺ ja Ag | Ag⁺ elektroodidest. Fe²⁺ | Fe standardne redutseerimispotentsiaal on -0.44 V ja Ag⁺ | Ag oma +0.80 V. Arvuta elemendi standardpotentsiaal ja kirjuta üles elemendi reaktsioon.
Arutelu:
Nagu varemgi, peame määrama anoodi ja katoodi. Kuna Fe²⁺/Fe redutseerimispotentsiaal on negatiivsem kui Ag⁺/Ag oma, toimib Fe anoodina ja Ag katoodina.
Kasutage valemit:
\[
E° element = E° katood – E° anood
\]
\[
E°element = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°element = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°element = 1.24 V
\]
Standardne elemendi potentsiaal on 1.24 V.
Rakkude üldise reaktsiooni kirjeldamiseks ühendame oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioonid:
– Reaktsioon anoodil: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Reaktsioon katoodil: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Elektronide arvu tasakaalustamine mõlemas reaktsioonis:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Rakkude üldine reaktsioon:
\[
\\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \\rightarrow \\text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
Näidisküsimus 3
Küsimus:
Arvutage Al|Al³⁺ ja Ni|Ni²⁺ elektroodidest koosneva volta-elemendi potentsiaal temperatuuril 25 °C, kui Al³⁺ kontsentratsioon on 0.001 M ja Ni²⁺ kontsentratsioon on 1 M. On teada, et Al³⁺ | Al puhul on \(E°\) -1.66 V ja Ni²⁺ | Ni puhul on \(E°\) -0.23 V.
Arutelu:
Esmalt määrake anood ja katood:
– Al³⁺/Al redutseerimispotentsiaal on negatiivsem (-1.66 V) kui Ni²⁺/Ni (-0.23 V), seega on Al anood ja Ni katood.
Standardse rakupotentsiaali arvutatakse järgmiselt:
\[
E° element = E° katood – E° anood
\]
\[
E°element = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°element = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°element = 1.43 V
\]
Järgmisena kasutame Nernsti võrrandit raku potentsiaali arvutamiseks mittestandardsetes tingimustes:
\[
E_{cell} = E°cell – ∫( ∫frac{RT}{nF}) ∫ln Q
\]
Kus \(Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R on gaasikonstant (8.314 J/mol·K), T on temperatuur kelvinites (298 K temperatuuril 25 °C), F on Faraday konstant (96485 C/mol) ja n on elektronide arv (6 reaktsioonide korral, mis hõlmavad Al³⁺ ja Ni²⁺).
Asendage teadaolevad väärtused võrrandisse:
\[
Q = ∫frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{8.314 × 298}{6 × 96485}) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{2477.172}{578910}) \ln 0.001
\]
\[
E_{element} = 1.43 V – (0.00428) ≤ 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{element} = 1.43 V – (0.00428 × -6.907)
\]
\[
E_{element} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{element} = 1.4595 V
\]
Seega on raku potentsiaal sellises olukorras umbes 1.46 V.
Järeldus
Volta-element on elektrokeemia põhimõiste, mis muundab keemilise energia elektrienergiaks. See artikkel tutvustas volta-elementide teooria põhitõdesid ja tõi näiteid, mis aitavad selgitada elemendi potentsiaali arvutamise protsessi. Selle arusaama abil saavad lugejad loodetavasti parema ülevaate volta-elementidest ja nende rakendustest erinevates kontekstides.
