Esimerkkikysymyksiä voltaisista kennoista
Johdanto
Galvaaninen kenno, joka tunnetaan myös nimellä galvaaninen kenno, on laite, joka muuntaa kemiallista energiaa sähköenergiaksi redox-reaktion (hapetus-pelkistys) avulla. Galvaaninen kenno koostuu kahdesta elektrodista, jotka on tyypillisesti valmistettu erilaisista metalleista, upotettu elektrolyyttiin ja yhdistetty suolasillalla. Tässä artikkelissa käsittelemme useita voltaisiin liittyviä esimerkkejä syventääksemme ymmärrystämme niiden toimintaperiaatteista ja kennopotentiaalin laskemisesta.
Voltaic-kennojen perusteoria
Ennen esimerkkiongelmiin siirtymistä on tärkeää ymmärtää voltaisen kennon peruskäsitteet ja -komponentit:
1. Anodi ja katodi: Voltaa-kennossa anodi on elektrodi, jossa hapettuminen tapahtuu, ja katodi on elektrodi, jossa pelkistyminen tapahtuu. Anodilla on negatiivinen varaus, kun taas katodilla on positiivinen varaus.
2. Elektronireitti: Elektronit virtaavat anodilta katodiin ulkoisen piirin kautta ja tuottavat sähkövirran.
3. Kennopotentiaali (E°cell): Kennopotentiaali on kahden elektrodin välinen potentiaaliero. Standardikennopotentiaali (E°cell) voidaan laskea kaavalla:
\[
E°kenno = E°katodi – E°anodi
\]
jossa \(E°katodi\) ja \(E°anodi\) ovat katodin ja anodin standardipelkistyspotentiaalit.
4. Suolasilta: Tämä silta tasapainottaa ionien varauksia molemmissa elektrolyyttiliuoksissa sallimalla ionien liikkumisen.
Katso myös Soal ja Pembahasan
Näiden käsitteiden selventämiseksi tarkastellaan joitakin esimerkkiongelmia.
Esimerkkikysymys 1
Kysymys:
Laske Zn | Zn²⁺ (aq) -elektrodeista ja Cu | Cu²⁺ (aq) -elektrodeista koostuvan Volta-kennon standardipotentiaali. On tunnettua, että Zn²⁺ | Zn:n standardipelkistyspotentiaali \(E°\) on -0.76 V ja Cu²⁺ | Cu:n standardipelkistyspotentiaali \(E°\) on +0.34 V.
Keskustelu:
Ensimmäinen vaihe on määrittää, kumpi on anodi ja kumpi katodi.
Zn:llä on negatiivisempi pelkistyspotentiaali (-0.76 V) kuin Cu:lla (+0.34 V), joten Zn toimii anodina (hapetuskohtana) ja Cu katodina (pelkistyskohtana).
Seuraavaksi käytämme kaavaa:
\[
E°kenno = E°katodi – E°anodi
\]
Korvaa tunnetut arvot:
\[
E°kenno = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°kenno = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°kenno = 1.10 V
\]
Joten standardikennopotentiaali on 1.10 V.
Esimerkkikysymys 2
Kysymys:
Voltaalinen kenno koostuu Fe | Fe²⁺- ja Ag | Ag⁺-elektrodeista. Fe²⁺ | Fe:n standardipelkistyspotentiaali on -0.44 V ja Ag⁺ | Ag:n standardipelkistyspotentiaali on +0.80 V. Laske standardikennopotentiaali ja kirjoita kennoreaktio.
Keskustelu:
Kuten aiemminkin, meidän on määritettävä anodi ja katodi. Koska Fe²⁺/Fe:n pelkistyspotentiaali on negatiivisempi kuin Ag⁺/Ag:n, Fe toimii anodina ja Ag katodina.
Käytä kaavaa:
\[
E°kenno = E°katodi – E°anodi
\]
\[
E°kenno = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°kenno = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°kenno = 1.24 V
\]
Normaali kennojännite on 1.24 V.
Koko solureaktion kuvaamiseksi yhdistämme hapetus- ja pelkistysreaktiot:
– Reaktio anodilla: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Reaktio katodilla: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Elektronien lukumäärän tasapainottaminen molemmissa reaktioissa:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Solujen kokonaisreaktio:
\[
\\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \\text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
Esimerkkikysymys 3
Kysymys:
Laske Al | Al³⁺ -elektrodeista ja Ni | Ni²⁺ -elektrodeista koostuvan voltaisen kennon kennopotentiaali 25 °C:ssa, jos Al³⁺:n pitoisuus on 0.001 M ja Ni²⁺:n pitoisuus on 1 M. On tunnettua, että Al³⁺:n | Al:n \(E°\) on -1.66 V ja Ni²⁺:n | Ni:n \(E°\) on -0.23 V.
Keskustelu:
Ensin määritetään anodi ja katodi:
– Al³⁺/Al:n pelkistyspotentiaali on negatiivisempi (-1.66 V) kuin Ni²⁺/Ni:n (-0.23 V), joten Al on anodi ja Ni on katodi.
Standardisolupotentiaali lasketaan seuraavasti:
\[
E°kenno = E°katodi – E°anodi
\]
\[
E°kenno = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°kenno = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°kenno = 1.43 V
\]
Seuraavaksi käytämme Nernstin yhtälöä laskeaksemme kennopotentiaalin epästandardiolosuhteissa:
\[
E_{solu} = E°solu – ∫( ∫frac{RT}{nF}) ∫Q
\]
Missä \(Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R on kaasuvakio (8.314 J/mol·K), T on lämpötila kelvineinä (298 K 25 °C:ssa), F on Faradayn vakio (96485 C/mol) ja n on elektronien lukumäärä (6 reaktioissa, joissa on mukana Al³⁺ ja Ni²⁺).
Korvaa tunnetut arvot yhtälöön:
\[
Q = ∫frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (8.314 × 298}{6 × 96485) ≤ 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{2477.172}{578910}) \ln 0.001
\]
\[
E_{kenno} = 1.43 V – (0.00428) ≤ 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{kenno} = 1.43 V – (0.00428 × -6.907)
\]
\[
E_{kenno} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{kenno} = 1.4595 V
\]
Joten kennopotentiaali tässä tilassa on noin 1.46 V.
Johtopäätös
Volta-kenno on sähkökemian peruskäsite, joka muuntaa kemiallista energiaa sähköenergiaksi. Tässä artikkelissa on esitelty volta-kennoteorian perusteet ja annettu esimerkkejä, jotka auttavat selventämään kennopotentiaalin laskemisprosessia. Tämän ymmärryksen avulla lukijat toivottavasti saavat paremman käsityksen volta-kennoista ja niiden sovelluksista eri yhteyksissä.
