ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી ચર્ચા પ્રશ્નોનું ઉદાહરણ
ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી એ રસાયણશાસ્ત્રની એક શાખા છે જે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ અને વિદ્યુત ઊર્જામાં થતા ફેરફારો વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ કરે છે. ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીમાં, બે મુખ્ય ખ્યાલો છે: ઓક્સિડેશન (ઇલેક્ટ્રોનનું પ્રકાશન) અને ઘટાડો (ઇલેક્ટ્રોનનો લાભ). આ પ્રક્રિયાઓ બે પ્રકારના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષોમાં અવલોકન કરી શકાય છે: વોલ્ટેઇક કોષો (ગેલ્વેનિક કોષો) અને ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષો. ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીને સમજવામાં તમારી મદદ માટે નીચે કેટલીક ઉદાહરણો સમસ્યાઓ અને તેમના સ્પષ્ટતાઓ આપ્યા છે.
ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૧: વોલ્ટેઇક સેલ
પ્રશ્ન:
ઝીંક (Zn) અને કોપર (Cu) ઇલેક્ટ્રોડ સાથે સોલ્ટ બ્રિજ દ્વારા જોડાયેલા વોલ્ટેઇક સેલ આપવામાં આવે છે. Zn ને 1 M ZnSO4 દ્રાવણમાં અને Cu ને 1 M CuSO4 દ્રાવણમાં ડુબાડવામાં આવે છે. દરેક ઇલેક્ટ્રોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ લખો અને વોલ્ટેઇક સેલના સંભવિત તફાવત (EMF) ની ગણતરી કરો. માનક ઇલેક્ટ્રોડ સંભવિત ડેટા:
\[ E^o_{\ટેક્સ્ટ{Zn}^{2+}/\ટેક્સ્ટ{Zn}} = -0.76 \, \ટેક્સ્ટ{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
ચર્ચા:
પ્રથમ પગલું એ થાય છે કે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા નક્કી કરવામાં આવે. વોલ્ટેઇક કોષમાં, સ્વયંભૂ રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા થાય છે જ્યાં
- ઝીંક (Zn) ઓક્સિડેશનમાંથી પસાર થાય છે:
\[ \ટેક્સ્ટ{Zn(s)} \rightarrow \ટેક્સ્ટ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– તાંબુ (Cu) ઘટાડો અનુભવે છે:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
વોલ્ટેઇક કોષમાં કુલ રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા છે:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
આગળ, આપણે કોષ સંભવિત તફાવતની ગણતરી કરીશું:
\[ E_{\ટેક્સ્ટ{સેલ}} = E^o_{\ટેક્સ્ટ{કેથોડ}} – E^o_{\ટેક્સ્ટ{એનોડ}} \]
ક્યાં:
– કેથોડ એ ઇલેક્ટ્રોડ છે જ્યાં ઘટાડો (Cu) થાય છે.
- એનોડ એ ઇલેક્ટ્રોડ છે જ્યાં ઓક્સિડેશન (Zn) થાય છે.
જેથી,
\[ E_{\ટેક્સ્ટ{સેલ}} = 0.34 \, \ટેક્સ્ટ{V} – (-0.76 \, \ટેક્સ્ટ{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
કેસિમ્પુલન:
– એનોડ (Zn) પર થતી પ્રતિક્રિયા:
\[ \ટેક્સ્ટ{Zn(s)} \rightarrow \ટેક્સ્ટ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– કેથોડ (Cu) પર થતી પ્રતિક્રિયા:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
- કોષ સંભવિત તફાવત (EMF): 1.10 V
-
ઉદાહરણ પ્રશ્ન 2: ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષ
પ્રશ્ન:
NaCl દ્રાવણના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણમાં, પ્લેટિનમ (Pt) જેવા નિષ્ક્રિય ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરવામાં આવે તો કેથોડ અને એનોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ જણાવો. 1 ગ્રામ Cl2 ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી કુલ ચાર્જની ગણતરી કરો. (Ar Cl = 35.5)
ચર્ચા:
પ્રથમ પગલું એ છે કે NaCl મીઠાના દ્રાવણમાં દરેક ઇલેક્ટ્રોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ લખવી.
– કેથોડ પર (ઘટાડો):
આ પ્રક્રિયામાં, પાણીમાંથી H+ આયનો ઘટશે:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
- એનોડ પર (ઓક્સિડેશન):
Cl- આયનનું ઓક્સિડેશન થઈને Cl2 વાયુ બનશે:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
કુલ પ્રતિક્રિયા:
તેથી NaCl દ્રાવણના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણમાં થતી કુલ પ્રતિક્રિયા છે:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
1 ગ્રામ Cl2 ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી ચાર્જની ગણતરી કરવા માટે, આપણે Cl2 ના મોલ્સની સંખ્યા નક્કી કરવાની જરૂર છે:
\[ \text{Cl નું દળ}_2 = 1 \text{ ગ્રામ} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \ગુણા 35.5 = 71 \text{ ગ્રામ/મોલ} \]
\[ \text{Cl ના મોલ્સની સંખ્યા}_2 = \frac{1}{71} \text{ મોલ્સ} \]
એનોડ પર પ્રતિક્રિયા સમીકરણના આધારે, 2 મોલ ઇલેક્ટ્રોનમાંથી 1 મોલ Cl2 ઉત્પન્ન થાય છે:
\[ 2Cl^- \જમણો તીર Cl_2 + 2e^- \]
બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, Cl2 ના 1 મોલ માટે 2 મોલ ઇલેક્ટ્રોનની જરૂર પડે છે.
ઇલેક્ટ્રોનના મોલ્સની સંખ્યા:
\[ \text{ઇલેક્ટ્રોનના મોલની સંખ્યા} = 2 \ગુણા \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ મોલ} \]
જરૂરી ચાર્જની ગણતરી ફેરાડે મૂલ્ય (F = 96485 C/mol e^-) નો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે:
\[ ક્યૂ = n \ગુણો એફ \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ પ્રશ્ન = 2718 \ટેક્સ્ટ{ C} \]
કેસિમ્પુલન:
- કેથોડ પર પ્રતિક્રિયા:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
- એનોડ પર પ્રતિક્રિયા:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
- 1 ગ્રામ Cl2 ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી કુલ ચાર્જ 2718 C છે.
-
ઉદાહરણ ૩: નર્ન્સ્ટ સંબંધ અને બિન-માનક શરતો
પ્રશ્ન:
0.1 M ની ચાંદીની આયન સાંદ્રતાવાળા Ag/Ag+ ઇલેક્ટ્રોડ અને 0.01 M ની સાંદ્રતાવાળા Zn/Zn2+ ઇલેક્ટ્રોડમાંથી બનેલા વોલ્ટેઇક સેલના પોટેન્શિયલની ગણતરી કરો. પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ છે:
\[ ઇ^ઓ_{\ટેક્સ્ટ{એજી}^{+}/\ટેક્સ્ટ{એજી}} = +0.80 \, \ટેક્સ્ટ{વી} \]
\[ E^o_{\ટેક્સ્ટ{Zn}^{2+}/\ટેક્સ્ટ{Zn}} = -0.76 \, \ટેક્સ્ટ{V} \]
ચર્ચા:
પહેલું પગલું એ છે કે થતી પ્રતિક્રિયાઓ લખો:
- એનોડ પર ઓક્સિડેશન (Zn):
\[ \ટેક્સ્ટ{Zn(s)} \rightarrow \ટેક્સ્ટ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
- કેથોડ પર ઘટાડો (Ag):
\[ \ટેક્સ્ટ{એજી}^{+} (એક્યુ) + ઇ^- \રાઇટ એરો \ટેક્સ્ટ{એજી (ઓ)} \]
કુલ પ્રતિક્રિયા:
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag(s)} \]
નર્ન્સ્ટ સમીકરણ પર આધારિત:
\[ E_{\text{સેલ}} = E^o_{\text{સેલ}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{પ્રોડક્ટ}]}{[\text{પ્રતિક્રિયાકર્તા}]} \right) \]
ક્યાં:
\[ n = 2 \]
પ્રથમ, E^o_{\text{Sel}} ની ગણતરી કરો:
\[ E^o_{\ટેક્સ્ટ{સેલ}} = E^o_{\ટેક્સ્ટ{એજી}^{+}/\ટેક્સ્ટ{એજી}} – E^o_{\ટેક્સ્ટ{ઝેન}^{2+}/\ટેક્સ્ટ{ઝેન}} \]
\[ E^o_{\ટેક્સ્ટ{સેલ}} = 0.80 \, \ટેક્સ્ટ{V} – (-0.76 \, \ટેક્સ્ટ{V}) \]
\[ E^o_{\ટેક્સ્ટ{કોષ}} = 1.56 \, \ટેક્સ્ટ{V} \]
આગળ, આપેલ સાંદ્રતા પર વાસ્તવિક કોષ સંભવિતતાની ગણતરી કરો:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{સેલ}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{સેલ}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\ટેક્સ્ટ{કોષ}} = 1.56 \, \ટેક્સ્ટ{V} \]
કેસિમ્પુલન:
- એનોડ અને કેથોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ સમાન રહે છે.
- આપેલ સાંદ્રતા સાથે કોષ સંભવિત 1.56 V છે
આ લેખ ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીમાં અનેક પ્રકારની સમસ્યાઓ કેવી રીતે ઉકેલવી તે બતાવે છે, જેમાં વોલ્ટેઇક કોષો, ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષો અને નર્ન્સ્ટ સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને ગણતરીઓનો સમાવેશ થાય છે. આ પ્રકારની સમસ્યાઓ ઉકેલવામાં સફળતા માટે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓ પાછળના સિદ્ધાંતોની સંપૂર્ણ સમજ અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ડેટાનો ઉપયોગ કરવાની ક્ષમતા જરૂરી છે.
