Eisimpleirean de Cheistean a’ Deasbad Ceallan Voltaic
Pendahuuan
'S e inneal a th' ann an cealla bholtaigeach, ris an canar cuideachd cealla ghalbhanach, a bhios ag atharrachadh lùth cheimigeach gu lùth dealain tro ath-bhualadh redox (lughdachadh ocsaididh). Tha cealla bholtaigeach air a dhèanamh suas de dhà electrod, mar as trice air an dèanamh de mheatailtean eadar-dhealaichte, air am bogadh ann an electrolyte agus ceangailte le drochaid salainn. San artaigil seo, bruidhnidh sinn air grunn eisimpleirean co-cheangailte ri ceallan bholtaigeach gus ar tuigse nas doimhne a dhèanamh air na prionnsapalan obrach aca agus mar a nì sinn obrachadh a-mach comas cealla.
Teòiridh Bhunasach nan Ceallan Voltaic
Mus tèid sinn air adhart gu na duilgheadasan eisimpleireach, tha e cudromach tuigsinn nam bun-bheachdan agus na pàirtean bunaiteach a tha a’ dèanamh suas cealla Voltaic:
1. Anod agus Catod: Ann an cealla Voltaic, is e an anod an electrod far a bheil ocsaidachadh a’ tachairt, agus is e an catod an electrod far a bheil lughdachadh a’ tachairt. Tha cosgais àicheil aig an anod, agus tha cosgais dheimhinneach aig a’ chatod.
2. Slighe nan Dealanach: Bidh dealanach a’ sruthadh bhon anod chun chatod tro chuairt taobh a-muigh, a’ gineadh sruth dealain.
3. Comas Cealla (E°cell): Is e comas cealla an diofar comas eadar dà electrod. Faodar comas cealla àbhaisteach (E°cell) obrachadh a-mach leis an fhoirmle seo:
\[
E ° cealla = E ° catod - E ° anod
\]
far a bheil \(E°cathode\) agus \(E°anode\) nan comasan lughdachadh àbhaisteach den chatod agus den anod.
4. Drochaid na Salainn: Bidh an drochaid seo a’ cothromachadh cosgaisean nan ian anns an dà fhuasgladh electrolyte le bhith a’ leigeil le gluasad nan ian.
Ceistean Eisimpleir agus Deasbad
Gus na bun-bheachdan seo a shoilleireachadh, bruidhnidh sinn air beagan eisimpleirean de dhuilgheadasan.
Eisimpleir Ceist 1
Ceist:
Obraich a-mach comas àbhaisteach cealla Volta anns a bheil electrodan Zn | Zn²⁺ (aq) agus electrodan Cu | Cu²⁺ (aq). Tha fios gu bheil comas lughdachadh àbhaisteach \(E°\) airson Zn²⁺ | Zn -0.76 V agus \(E°\) airson Cu²⁺ | Cu +0.34 V.
Deasbad:
Is e a’ chiad cheum dearbhadh dè an anod agus an catod.
Tha comas lughdachadh nas àicheil aig Zn (-0.76 V) na tha aig Cu (+0.34 V), agus mar sin obraichidh Zn mar an anod (làrach ocsaididh) agus Cu mar an catod (làrach lughdachadh).
An ath rud, bidh sinn a’ cleachdadh na foirmle:
\[
E ° cealla = E ° catod - E ° anod
\]
Cuir na luachan aithnichte an àite:
\[
Cealla E° = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
Cealla E° = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
Cealla E° = 1.10 V
\]
Mar sin, is e 1.10 V comas àbhaisteach na cealla.
Eisimpleir Ceist 2
Ceist:
Tha cealla Voltaic air a dhèanamh de electrodan Fe | Fe²⁺ agus electrodan Ag | Ag⁺. Is e -0.44 V an comas lughdachadh àbhaisteach airson Fe²⁺ | Fe agus +0.80 V airson Ag⁺ | Ag. Obraich a-mach comas àbhaisteach na cealla agus sgrìobh freagairt na cealla.
Deasbad:
Mar a bha roimhe, feumaidh sinn an anod agus an catod a dhearbhadh. Leis gu bheil comas lughdachadh Fe²⁺/Fe nas àicheil na comas lughdachadh Ag⁺/Ag, bidh Fe ag obair mar an anod agus Ag mar chatod.
Cleachd am foirmle:
\[
E ° cealla = E ° catod - E ° anod
\]
\[
Cealla E° = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
Cealla E° = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
Cealla E° = 1.24 V
\]
Is e 1.24 V comas àbhaisteach na cealla.
Airson freagairt iomlan na cealla, bidh sinn a’ cothlamadh nan ath-bheachdan ocsaididh agus lughdachadh:
– Ath-bhualadh aig an anod: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Ath-bhualadh aig a’ chatod: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
A’ cothromachadh àireamh nan dealanan anns an dà ath-bhualadh:
\[
Fe rightarrow Fe^{2+} + 2 e^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Freagairt iomlan cealla:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
Eisimpleir Ceist 3
Ceist:
Obraich a-mach comas na cealla aig 25°C airson cealla Voltaic anns a bheil electrodan Al | Al³⁺ agus electrodan Ni | Ni²⁺, ma tha dùmhlachd Al³⁺ 0.001 M agus dùmhlachd Ni²⁺ 1 M. Tha fios gu bheil \(E°\) airson Al³⁺ | Al -1.66 V agus \(E°\) airson Ni²⁺ | Ni -0.23 V.
Deasbad:
An toiseach, dearbhaich an anod agus an catod:
– Tha comas lughdachadh Al³⁺/Al nas àicheil (-1.66 V) na Ni²⁺/Ni (-0.23 V), agus mar sin is e Al an anod agus is e Ni an catod.
Tha comas àbhaisteach cealla air a thomhas mar:
\[
E ° cealla = E ° catod - E ° anod
\]
\[
Cealla E° = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
Cealla E° = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
Cealla E° = 1.43 V
\]
An ath rud, bidh sinn a’ cleachdadh Co-aontar Nernst gus comas na cealla obrachadh a-mach fo chumhachan neo-àbhaisteach:
\[
E_{cealla} = E°cealla – (\left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
Far a bheil (Q = (\frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]}), 's e R an cunbhalach gas (8.314 J/mol·K), 's e T an teòthachd ann an Kelvin (298 K aig 25°C), 's e F an cunbhalach Faraday (96485 C/mol), agus 's e n an àireamh de eileagtronan (6 airson ath-bheachdan anns a bheil Al³⁺ agus Ni²⁺).
Cuir na luachan aithnichte an àite a’ cho-aontar:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cealla} = 1.43 V – (frac{8.314 × 298}{6 × 96485) ln 0.001
\]
\[
Cealla E = 1.43 V – (frac{2477.172}{578910) ln 0.001
\]
\[
E_{cealla} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{cealla} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{cealla} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cealla} = 1.4595 V
\]
Mar sin, tha comas na cealla aig a' chumha seo mu 1.46 V.
Co-dhùnadh
’S e bun-bheachd ann an dealan-cheimigeachd a th’ ann an cealla bholtaiceach a bhios ag atharrachadh lùth cheimigeach gu lùth dealain. Tha an t-artaigil seo air bunaitean teòiridh ceallan bholtaiceach a thoirt a-steach agus eisimpleirean a thoirt seachad gus cuideachadh le bhith a’ soilleireachadh a’ phròiseis airson comas cealla obrachadh a-mach. Leis an tuigse seo, tha sinn an dòchas gum bi tuigse nas fheàrr aig luchd-leughaidh air ceallan bholtaiceach agus na cleachdaidhean aca ann an diofar cho-theacsan.
