वोल्टाइक सेल पर चर्चा करने वाले उदाहरण प्रश्न

वोल्टाइक सेल पर चर्चा करने वाले उदाहरण प्रश्न

पेंडाहुलुआन

वोल्टाइक सेल, जिसे गैल्वेनिक सेल भी कहा जाता है, एक ऐसा उपकरण है जो रेडॉक्स (ऑक्सीकरण-अपचयन) अभिक्रिया के माध्यम से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। वोल्टाइक सेल में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जो आमतौर पर भिन्न धातुओं से बने होते हैं, और एक इलेक्ट्रोलाइट में डूबे होते हैं तथा एक सॉल्ट ब्रिज द्वारा जुड़े होते हैं। इस लेख में, हम वोल्टाइक सेल से संबंधित कई उदाहरणों पर चर्चा करेंगे ताकि हम उनके कार्य सिद्धांतों और सेल पोटेंशियल की गणना करने के तरीके को बेहतर ढंग से समझ सकें।

वोल्टाइक सेल का मूल सिद्धांत

उदाहरण समस्याओं पर आगे बढ़ने से पहले, वोल्टाइक सेल के मूल सिद्धांतों और घटकों को समझना महत्वपूर्ण है:

1. एनोड और कैथोड: वोल्टाइक सेल में, एनोड वह इलेक्ट्रोड है जहाँ ऑक्सीकरण होता है, और कैथोड वह इलेक्ट्रोड है जहाँ अपचयन होता है। एनोड पर ऋणात्मक आवेश होता है, जबकि कैथोड पर धनात्मक आवेश होता है।

2. इलेक्ट्रॉन पथ: इलेक्ट्रॉन एक बाहरी परिपथ के माध्यम से एनोड से कैथोड की ओर प्रवाहित होते हैं, जिससे विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

3. सेल विभव (E°cell): सेल विभव दो इलेक्ट्रोडों के बीच का विभव अंतर है। मानक सेल विभव (E°cell) की गणना निम्न सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:
\[
ई°सेल = ई°कैथोड - ई°एनोड
\]
जहां \(E°cathode\) और \(E°anode\) कैथोड और एनोड के मानक अपचयन विभव हैं।

4. लवण सेतु: यह सेतु आयनों की गति की अनुमति देकर दोनों इलेक्ट्रोलाइट विलयनों में आयन आवेशों को संतुलित करता है।

Contoh Soal dan Pembahasan

इन अवधारणाओं को स्पष्ट करने के लिए, आइए कुछ उदाहरण समस्याओं पर चर्चा करें।

उदाहरण प्रश्न 1

सवाल :
Zn | Zn²⁺ (aq) इलेक्ट्रोड और Cu | Cu²⁺ (aq) इलेक्ट्रोड से बने वोल्टा सेल का मानक सेल विभव ज्ञात कीजिए। यह ज्ञात है कि Zn²⁺ | Zn के लिए मानक अपचयन विभव \(E°\) -0.76 V है और Cu²⁺ | Cu के लिए \(E°\) +0.34 V है।

बहस :
पहला चरण यह निर्धारित करना है कि एनोड कौन सा है और कैथोड कौन सा है।

Zn का अपचयन विभव Cu (+0.34 V) की तुलना में अधिक ऋणात्मक (-0.76 V) है, इसलिए Zn एनोड (ऑक्सीकरण स्थल) और Cu कैथोड (अपचयन स्थल) के रूप में कार्य करेगा।

इसके बाद, हम निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करते हैं:
\[
ई°सेल = ई°कैथोड - ई°एनोड
\]
ज्ञात मानों को प्रतिस्थापित करें:
\[
E°cell = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°cell = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°cell = 1.10 V
\]

अतः, मानक सेल विभव 1.10 V है।

उदाहरण प्रश्न 2

सवाल :
एक वोल्टाइक सेल Fe | Fe²⁺ इलेक्ट्रोड और Ag | Ag⁺ इलेक्ट्रोड से बना है। Fe²⁺ | Fe के लिए मानक अपचयन विभव -0.44 V है और Ag⁺ | Ag के लिए +0.80 V है। मानक सेल विभव की गणना कीजिए और सेल अभिक्रिया लिखिए।

बहस :
पहले की तरह, हमें एनोड और कैथोड का निर्धारण करना होगा। चूंकि Fe²⁺/Fe का अपचयन विभव Ag⁺/Ag की तुलना में अधिक ऋणात्मक है, इसलिए Fe एनोड और Ag कैथोड के रूप में कार्य करेगा।

इस सूत्र का प्रयोग करें:
\[
ई°सेल = ई°कैथोड - ई°एनोड
\]
\[
E°cell = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°cell = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°cell = 1.24 V
\]

मानक सेल विभव 1.24 वोल्ट है।

संपूर्ण कोशिका प्रतिक्रिया के लिए, हम ऑक्सीकरण और अपचयन प्रतिक्रियाओं को मिलाते हैं:
– एनोड पर अभिक्रिया: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– कैथोड पर अभिक्रिया: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)

दोनों अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनों की संख्या को संतुलित करना:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]

कुल मिलाकर कोशिका की प्रतिक्रिया:
\[
Fe + 2 Ag⁺ → Fe²⁺ + 2 Ag
\]

उदाहरण प्रश्न 3

सवाल :
25°C पर एक वोल्टाइक सेल के लिए सेल पोटेंशियल की गणना कीजिए, जिसमें Al | Al³⁺ इलेक्ट्रोड और Ni | Ni²⁺ इलेक्ट्रोड हैं, यदि Al³⁺ की सांद्रता 0.001 M और Ni²⁺ की सांद्रता 1 M है। यह ज्ञात है कि Al³⁺ | Al के लिए \(E°\) का मान -1.66 V है और Ni²⁺ | Ni के लिए \(E°\) का मान -0.23 V है।

बहस :
सबसे पहले, एनोड और कैथोड का निर्धारण करें:
– Al³⁺/Al का अपचयन विभव Ni²⁺/Ni (-0.23 V) की तुलना में अधिक ऋणात्मक (-1.66 V) है, इसलिए Al एनोड है और Ni कैथोड है।

मानक सेल विभव की गणना इस प्रकार की जाती है:
\[
ई°सेल = ई°कैथोड - ई°एनोड
\]
\[
E°cell = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°cell = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°cell = 1.43 V
\]

इसके बाद, हम गैर-मानक परिस्थितियों में कोशिका विभव की गणना करने के लिए नेर्नस्ट समीकरण का उपयोग करते हैं:
\[
E_{cell} = E°cell – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
जहां \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R गैस स्थिरांक (8.314 J/mol·K) है, T केल्विन में तापमान (25°C पर 298 K) है, F फैराडे स्थिरांक (96485 C/mol) है, और n इलेक्ट्रॉनों की संख्या (Al³⁺ और Ni²⁺ से संबंधित प्रतिक्रियाओं के लिए 6) है।

ज्ञात मानों को समीकरण में प्रतिस्थापित करें:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]

\[
ln 0.001 = -6.907
\]

\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]

\[
E_{cell} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cell} = 1.4595 V
\]

अतः, इस स्थिति में सेल का विभव लगभग 1.46 V है।

निष्कर्ष

वोल्टाइक सेल विद्युत रसायन विज्ञान की एक मूलभूत अवधारणा है जो रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। इस लेख में वोल्टाइक सेल सिद्धांत की बुनियादी बातों का परिचय दिया गया है और सेल विभव की गणना की प्रक्रिया को स्पष्ट करने के लिए उदाहरण भी दिए गए हैं। इस समझ के साथ, पाठकों को उम्मीद है कि वोल्टाइक सेल और विभिन्न संदर्भों में उनके अनुप्रयोगों की बेहतर समझ प्राप्त होगी।