Eisimpleir de Cheistean Deasbaid Electrochemistry
'S e meur de cheimigeachd a th' ann an dealan-cheimigeachd a bhios a' sgrùdadh a' cheangail eadar ath-bheachdan ceimigeach agus atharrachaidhean ann an lùth dealain. Ann an dealan-cheimigeachd, tha dà phrìomh bhun-bheachd ann: ocsaidachadh (sgaoileadh dealanan) agus lughdachadh (buannachd dealanan). Chithear na pròiseasan seo ann an dà sheòrsa cealla dealan-cheimigeach: ceallan bholtaic (ceallan galvanach) agus ceallan electrolytic. Gu h-ìosal tha eisimpleirean de dhuilgheadasan agus na mìneachaidhean aca gus do chuideachadh le bhith a' tuigsinn dealan-cheimigeachd.
Eisimpleir Ceist 1: Cealla Voltaic
Ceist:
Ma tha cealla bholtaiceach ann, le dealanan sinc (Zn) agus copair (Cu) ceangailte tro dhrochaid salainn. Tha Zn air a bhogadh ann am fuasgladh 1 M ZnSO4 agus tha Cu air a bhogadh ann am fuasgladh 1 M CuSO4. Sgrìobh sìos na h-ath-bheachdan a tha a’ tachairt aig gach dealan agus obraich a-mach an diofar comasachd (EMF) den chill bholtaiceach. Dàta comasachd dealan àbhaisteach:
[E^o_{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{ \text{Cu}^{2+}/ \text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Deasbad:
Is e a’ chiad cheum an ath-bhualadh redox a thachras a dhearbhadh. Ann an cealla bholtaic, bidh ath-bhualadh redox gun spionnadh a’ tachairt far a bheil
– Bidh sinc (Zn) a’ dol tro ocsaideachadh:
[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Bidh copar (Cu) a’ dol tro lughdachadh:
\[ \text{Cu} ^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu(s)} \]
Is e an ath-bhualadh redox iomlan ann an cealla bholtaic:
[Zn (s) + Cu^{2+} (aq) [Zn^{2+} (aq) + Cu(s)]
An ath rud, nì sinn obrachadh a-mach an diofar comasachd cealla:
[E_{\text{cealla}} = E^o_{\text{catòd}} – E^o_{\text{anode}}]
Càite:
– ’S e an catod an electrod far a bheil lughdachadh (Cu) a’ tachairt.
– ’S e an anod an electrod far a bheil ocsaidachadh (Zn) a’ tachairt.
Mar sin,
[E_{\text{select}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
[E_{\text{select}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Co-dhùnadh:
– An ath-bhualadh a thachras aig an anod (Zn):
[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– An ath-bhualadh a thachras aig a’ chatod (Cu):
\[ \text{Cu} ^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu(s)} \]
– Eadar-dhealachadh comasachd cealla (EMF): 1.10 V
-
Eisimpleir Ceist 2: Cealla Electrolytic
Ceist:
Ann an electrolysis fuasgladh NaCl, innis na h-ath-bheachdan a thachras aig a’ chatod agus an anod ma thèid electrod neo-ghnìomhach, leithid platanam (Pt), a chleachdadh. Obraich a-mach an cosgais iomlan a dh’ fheumar gus 1 gram de Cl2 a thoirt gu buil. (ArCl = 35.5)
Deasbad:
Is e a’ chiad cheum na h-ath-bheachdan a tha a’ tachairt aig gach electrod ann am fuasgladh salainn NaCl a sgrìobhadh sìos.
– Aig a’ chatòid (lùghdachadh):
Anns a’ phròiseas seo, thèid ianan H+ bhon uisge a lughdachadh:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH ^-(d) \]
– Aig an anod (ocsaidachadh):
Thèid an ian Cl- tro ocsaidachadh gus a bhith na ghas Cl2:
\[ 2Cl ^ - (aq) \ saighead dheas Cl_2(g) + 2e ^- \]
Ath-bhualadh Iomlan:
Mar sin, is e an ath-bhualadh iomlan a tha a’ tachairt ann an electrolysis fuasgladh NaCl:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
Gus an cosgais a tha a dhìth gus 1 gram de Cl2 a thoirt gu buil obrachadh a-mach, feumaidh sinn an àireamh de mhòlan de Cl2 a dhearbhadh:
\[ \text{Mas Cl}_2 = 1 \text{ gram} \]
[ArCl2 = 2 × 35.5 = 71 gram/mol]
Àireamh mhòlan de Cl2 = 1/71 mol
Stèidhichte air co-aontar an ath-bhualaidh aig an anod, tha 1 mol de Cl2 air a thoirt gu buil bho 2 mol de electronan:
[2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Ann am faclan eile, feumaidh 1 mhòl de Cl2 2 mhòl de eileagtronan.
Àireamh mhòlan de electronan:
Àireamh mhòlan de electronan = 2 × 1/71 = 2/71 mol
Faodar an cosgais a tha a dhìth obrachadh a-mach le bhith a’ cleachdadh luach Faraday (F = 96485 C/mol e^-):
[Q = n uair F]
[Q = (frac{2}{71} mol) × 96485 C/mol]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Co-dhùnadh:
– Ath-bhualadh aig a’ chatòid:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH ^-(d) \]
– Freagairt aig an anod:
\[ 2Cl ^ - (aq) \ saighead dheas Cl_2(g) + 2e ^- \]
– Is e 2718 C an cosgais iomlan a dh’fheumar gus 1 gram de Cl2 a thoirt gu buil.
-
Eisimpleir 3: Dàimh Nernst agus Cumhaichean Neo-àbhaisteach
Ceist:
Obraich a-mach comas cealla bholtaigeach air a dhèanamh le electrodan Ag/Ag+ le dùmhlachd ian airgid de 0.1 M agus electrodan Zn/Zn2+ le dùmhlachd de 0.01 M. Is e comas àbhaisteach an electrod:
[E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
[E^o_{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Deasbad:
Is e a’ chiad cheum na freagairtean a tha a’ tachairt a sgrìobhadh sìos:
– Ocsaideachadh aig an anod (Zn):
[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Lùghdachadh aig a’ chatod (Ag):
[\text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
Ath-bhualadh iomlan:
[Zn (s) + 2Ag^+ (aq) [Zn^2+ (aq) + 2Ag (s)]
Stèidhichte air co-aontar Nernst:
[E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – (\left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{toradh}]}{[\text{ath-bhualadair}]} \right) \]
Càite:
\[ n = 2 \]
An toiseach, obraich a-mach E^o_{\text{Sel}}:
[E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
[E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cealla}} = 1.56 \, \text{V} \]
An ath rud, obraich a-mach comas na cealla fhèin aig an dùmhlachd shònraichte:
[E_{Sel}} = 1.56, V – (0.0592}{2) log ([Zn^{2+}]}{[Ag^{+}]^2)]
[E_{Sel}} = 1.56, V – (0.0592}{2) log (0.01}{(0.1)^2)]
[E_{Sel}} = 1.56, V – 0.0296 log( \frac{0.01}{0.01} \right)]
\[ E_{\text{Cealla}} = 1.56 \, \text{V} \]
Co-dhùnadh:
– Bidh na freagairtean a tha a’ tachairt aig an anod agus an catod fhathast mar a tha iad
– Is e 1.56 V comas na cealla le dùmhlachd sònraichte
Tha an t-artaigil seo a’ sealltainn mar a dh’fhuasglas tu grunn sheòrsaichean dhuilgheadasan ann an dealan-cheimigeachd, a’ gabhail a-steach duilgheadasan a tha a’ toirt a-steach ceallan bholtaiceach, ceallan electrolytic, agus àireamhachadh a’ cleachdadh Co-aontar Nernst. Tha tuigse mhionaideach air na prionnsapalan air cùl ath-bheachdan redox agus a’ chomas dàta dealan-cheimigeach a chleachdadh riatanach airson soirbheachadh ann a bhith a’ fuasgladh nan seòrsaichean dhuilgheadasan seo.
