ઉદાહરણ પ્રશ્નો ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષોની ચર્ચા: ઉદાહરણ પ્રશ્નો દ્વારા ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીની મૂળભૂત બાબતોને સમજવી
ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી એ રસાયણશાસ્ત્રની એક શાખા છે જે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ અને વિદ્યુત પ્રવાહ વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ કરે છે. ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીમાં, આપણે ઘણીવાર બે મુખ્ય પ્રકારના કોષોની ચર્ચા કરીએ છીએ: ગેલ્વેનિક (અથવા વોલ્ટેઇક) કોષો અને ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષો. બંને પ્રકારના કોષો વીજળી ઉત્પન્ન કરવા અથવા ઉપયોગ કરવા માટે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરે છે.
આ લેખમાં, આપણે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષોના કેટલાક ઉદાહરણોની ચર્ચા કરીશું જે આ ખ્યાલની આપણી સમજને વધુ ગાઢ બનાવવામાં મદદ કરશે.
૧. પ્રશ્ન: ગેલ્વેનિક કોષ
ઉદાહરણ તરીકે, ચાલો એક ગેલ્વેનિક કોષ લઈએ જેમાં ZnSO₄ દ્રાવણમાં ઝીંક (Zn) ઇલેક્ટ્રોડ ડૂબેલું હોય અને CuSO₄ દ્રાવણમાં તાંબુ (Cu) ઇલેક્ટ્રોડ ડૂબેલું હોય. દરેક ઇલેક્ટ્રોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ તેમજ આ ગેલ્વેનિક કોષમાં એકંદર પ્રતિક્રિયા લખો.
ચર્ચા:
1. ઝીંક ઇલેક્ટ્રોડ પર પ્રતિક્રિયા (એનોડ, ઓક્સિડેશન):
પ્રતિક્રિયા: \( Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
અહીં, ઝીંકનું ઝીંક આયન (Zn²⁺) માં ઓક્સિડેશન થાય છે અને બે ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત થાય છે.
2. કોપર ઇલેક્ટ્રોડ પર પ્રતિક્રિયા (કેથોડ, ઘટાડો):
પ્રતિક્રિયા: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
અહીં, કોપર આયનો (Cu²⁺) બે ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને ઘન કોપર (Cu) માં પરિવર્તિત થાય છે.
3. ગેલ્વેનિક કોષમાં એકંદર પ્રતિક્રિયા:
એકંદર પ્રતિક્રિયા મેળવવા માટે આ બે અર્ધ-પ્રતિક્રિયાઓને જોડો:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
સામાન્ય રીતે, એવું તારણ કાઢી શકાય છે કે ગેલ્વેનિક કોષોમાં, રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓની સ્વયંસ્ફુરિતતાનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.
2. પ્રશ્ન: કોષ સંભવિત
Zn²⁺/Zn = -0,76 V અને Cu²⁺/Cu = +0,34 V માટે પ્રમાણભૂત રિડક્શન પોટેન્શિયલ આપેલ છે. અગાઉ ચર્ચા કરાયેલ ગેલ્વેનિક કોષના કોષ પોટેન્શિયલની ગણતરી કરો.
ચર્ચા:
કોષ સ્થિતિમાન (E°_cell) ની ગણતરી સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે:
\[
E°_{સેલ} = E°_{કેથોડ} – E°_{anode}
\]
ક્યાં:
– કેથોડ એ ઇલેક્ટ્રોડ છે જ્યાં ઘટાડો થાય છે (Cu²⁺/Cu E° = +0.34 V સાથે)
– એનોડ એ ઇલેક્ટ્રોડ છે જ્યાં ઓક્સિડેશન થાય છે (Zn²⁺/Zn E° = -0.76 V સાથે)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
આમ, ગેલ્વેનિક કોષનું કોષ વિદ્યુતસ્થિતિમાન 1,10 V છે.
૩. પ્રશ્ન: ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષ
ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષમાં, નિષ્ક્રિય ઇલેક્ટ્રોડ્સ સાથે ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષની અંદર સોડિયમ ક્લોરાઇડ (NaCl) દ્રાવણ તૈયાર કરવામાં આવે છે. દરેક ઇલેક્ટ્રોડ પર થતી પ્રતિક્રિયાઓ લખો.
ચર્ચા:
ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષમાં, વીજળીનો ઉપયોગ બિન-સ્વયંસ્ફુરિત પ્રતિક્રિયા ચલાવવા માટે થાય છે. NaCl દ્રાવણ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષમાં, આપણી પાસે છે:
1. કેથોડ પર પ્રતિક્રિયા (ઘટાડો):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
મોટાભાગના પાતળા NaCl દ્રાવણમાં, સોડિયમ પહેલાં પાણી ઘટશે કારણ કે પાણીની ઘટાડો ક્ષમતા સોડિયમ (-2.71 V) કરતા વધુ ધન (-0.83 V) છે.
2. એનોડ પર પ્રતિક્રિયા (ઓક્સિડેશન):
\[
2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
એનોડ પર, ક્લોરાઇડ આયનો ક્લોરિન વાયુમાં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે.
3. એકંદર પ્રતિક્રિયા:
એકંદર પ્રતિક્રિયા માટે કેથોડ અને એનોડ પરની પ્રતિક્રિયાઓને જોડો:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \rightarrow H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
આ ખારા પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણમાં, દ્રાવણમાં રહેલા આયનોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે બેઝ દ્રાવણ (NaOH) સાથે હાઇડ્રોજન વાયુ અને ક્લોરિન વાયુ ઉત્પન્ન થાય છે.
4. પ્રશ્ન: ફેરાડેના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણના નિયમો
જો CuSO₄ ના દ્રાવણમાંથી 2 ફેરાડે પ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે તો તેમાંથી કેટલા ગ્રામ તાંબુ અવક્ષેપિત થાય છે?
ચર્ચા:
ફેરાડેનો નિયમ જણાવે છે કે વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોડ પર જમા થયેલા પદાર્થનું પ્રમાણ તેમાંથી પસાર થતા વિદ્યુત પ્રવાહના પ્રમાણસર હોય છે. પદાર્થના દળ (m) ની ગણતરી સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
ક્યાં:
– \(m\) એ જમા થયેલા પદાર્થનું દળ છે
– \(M\) એ પદાર્થનો દાઢ સમૂહ છે (Cu માટે, M = 63.5 ગ્રામ/મોલ)
– \(Q\) એ ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જનું પ્રમાણ છે (કુલમ્બમાં, \(Q = n \cdot F\ તરીકે ગણવામાં આવે છે), જ્યાં n એ ફેરાડેની સંખ્યા છે)
– \(n\) એ પ્રતિક્રિયામાં સામેલ ઇલેક્ટ્રોનના મોલ્સની સંખ્યા છે (Cu²⁺/Cu માટે, n = 2)
– \(F\) એ ફેરાડેનો સ્થિરાંક છે (96500 C/mol)
2 ફેરાડે કરંટ સાથે:
\[
મીટર = \frac{63.5\, ગ્રામ/મોલ \cdot 2 \cdot 96500\, C}{2 \cdot 96500\, C/મોલ}
\]
સમીકરણને સરળ બનાવો:
\[
મીટર = 63.5\, ગ્રામ
\]
પરિણામ એ આવ્યું કે આ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દ્વારા 63.5 ગ્રામ તાંબુ જમા થયું.
કેસિમ્પુલન
ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષોને સમજવા માટે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓ, કોષ સંભવિત ગણતરીઓ અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્ટોઇકિયોમેટ્રીનું જ્ઞાન જરૂરી છે. ઉપરોક્ત જેવી ઉદાહરણ સમસ્યાઓને સમજવી એ મૂળભૂત ખ્યાલો અને વિવિધ પ્રકારના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કોષોમાં તેમના ઉપયોગને સ્પષ્ટ કરવામાં મદદરૂપ થાય છે. છેલ્લે, આ સમજને વધુ ગાઢ બનાવવા માટે વિવિધ સમસ્યાઓ સાથે પ્રેક્ટિસ કરવાનું ચાલુ રાખો, ખાસ કરીને વિજ્ઞાન અને ઉદ્યોગના વિવિધ ક્ષેત્રોમાં સૈદ્ધાંતિક અને વ્યવહારુ એપ્લિકેશનો માટે.
