Egzanp Kesyon ki pale sou Selil Voltaik yo
Pendahuluan
Yon selil voltaik, ke yo rele tou yon selil galvanik, se yon aparèy ki konvèti enèji chimik an enèji elektrik atravè yon reyaksyon redoks (oksidasyon-rediksyon). Yon selil voltaik konsiste de de elektwòd, tipikman fèt ak metal diferan, benyen nan yon elektwolit epi konekte pa yon pon sèl. Nan atik sa a, nou pral diskite plizyè egzanp ki gen rapò ak selil voltaik pou nou ka apwofondi konpreyansyon nou sou prensip fonksyònman yo ak kijan pou kalkile potansyèl selil la.
Teyori debaz selil voltaik yo
Anvan nou ale nan pwoblèm egzanp yo, li enpòtan pou nou konprann konsèp ak konpozan debaz ki fòme yon selil Voltayik:
1. Anod ak Katod: Nan yon selil Voltayik, anod la se elektwòd kote oksidasyon an fèt, epi katod la se elektwòd kote rediksyon an fèt. Anod la gen yon chaj negatif, alòske katod la gen yon chaj pozitif.
2. Chemen Elektwon: Elektwon yo koule soti nan anod la rive nan katod la atravè yon sikwi ekstèn, sa ki pwodui yon kouran elektrik.
3. Potansyèl Selilè (E°cell): Potansyèl selilè a se diferans potansyèl ant de elektwòd. Potansyèl selilè estanda (E°cell) la ka kalkile lè l sèvi avèk fòmil sa a:
\[
E ° selil = E ° katod - E ° anod
\]
kote \(E°katòd\) ak \(E°anòd\) se potansyèl rediksyon estanda katòd la ak anòd la.
4. Pon Sèl: Pon sa a balanse chaj iyon yo nan tou de solisyon elektwolit yo lè li pèmèt mouvman iyon yo.
Egzanp Kesyon ak Diskisyon
Pou klarifye konsèp sa yo, ann diskite kèk pwoblèm egzanp.
Egzanp Kesyon 1
Kesyon:
Kalkile potansyèl estanda yon selil Volta ki gen elektwòd Zn | Zn²⁺ (aq) ak elektwòd Cu | Cu²⁺ (aq). Li konnen ke potansyèl rediksyon estanda \(E°\) pou Zn²⁺ | Zn se -0.76 V epi \(E°\) pou Cu²⁺ | Cu se +0.34 V.
Diskisyon:
Premye etap la se detèmine kilès ki anod la ak kilès ki katod la.
Zn gen yon potansyèl rediksyon ki pi negatif (-0.76 V) pase Cu (+0.34 V), kidonk Zn pral fonksyone kòm anod (sit oksidasyon) epi Cu kòm katod (sit rediksyon).
Apre sa, nou itilize fòmil la:
\[
E ° selil = E ° katod - E ° anod
\]
Ranplase valè yo konnen yo:
\[
E°selil = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°selil = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°selil = 1.10 V
\]
Kidonk, potansyèl estanda selil la se 1.10 V.
Egzanp Kesyon 2
Kesyon:
Yon pil voltayik fèt ak elektwòd Fe | Fe²⁺ ak elektwòd Ag | Ag⁺. Potansyèl rediksyon estanda pou Fe²⁺ | Fe se -0.44 V epi pou Ag⁺ | Ag se +0.80 V. Kalkile potansyèl estanda pil la epi ekri reyaksyon selil la.
Diskisyon:
Menm jan ak anvan, nou bezwen detèmine anod la ak katod la. Piske potansyèl rediksyon Fe²⁺/Fe a pi negatif pase potansyèl rediksyon Ag⁺/Ag la, Fe pral aji kòm anod la epi Ag kòm katod la.
Sèvi ak fòmil la:
\[
E ° selil = E ° katod - E ° anod
\]
\[
E°selil = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°selil = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°selil = 1.24 V
\]
Potansyèl selil estanda a se 1.24 V.
Pou reyaksyon selilè jeneral la, nou konbine reyaksyon oksidasyon ak rediksyon yo:
– Reyaksyon nan anod la: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Reyaksyon nan katod la: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Balanse kantite elektwon nan tou de reyaksyon yo:
\[
\tekst{Fe} \rightarrow \tekst{Fe}^{2+} + 2\tekst{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Reyaksyon selilè jeneral:
\[
\tekst{Fe} + 2\tekst{Ag}^+ \rightarrow \tekst{Fe}^{2+} + 2\tekst{Ag}
\]
Egzanp Kesyon 3
Kesyon:
Kalkile potansyèl selil la a 25°C pou yon selil voltayik ki gen elektwòd Al | Al³⁺ ak elektwòd Ni | Ni²⁺, si konsantrasyon Al³⁺ la se 0.001 M epi konsantrasyon Ni²⁺ la se 1 M. Li konnen ke \(E°\) pou Al³⁺ | Al se -1.66 V epi \(E°\) pou Ni²⁺ | Ni se -0.23 V.
Diskisyon:
Premyèman, detèmine anod la ak katod la:
– Potansyèl rediksyon Al³⁺/Al la pi negatif (-1.66 V) pase Ni²⁺/Ni (-0.23 V), kidonk Al se anod la epi Ni se katod la.
Potansyèl selil estanda a kalkile jan sa a:
\[
E ° selil = E ° katod - E ° anod
\]
\[
E°selil = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°selil = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°selil = 1.43 V
\]
Apre sa, nou itilize ekwasyon Nernst la pou kalkile potansyèl selil la anba kondisyon ki pa estanda:
\[
E_{selil} = E°selil – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
Kote \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R se konstan gaz la (8.314 J/mol·K), T se tanperati a an Kelvin (298 K a 25°C), F se konstan Faraday la (96485 C/mol), epi n se kantite elektwon yo (6 pou reyaksyon ki enplike Al³⁺ ak Ni²⁺).
Ranplase valè li te ye yo nan ekwasyon an:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{selil} = 1.43 V – ( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{selil} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{selil} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{selil} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{selil} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{selil} = 1.4595 V
\]
Kidonk, potansyèl selil la nan kondisyon sa a se anviwon 1.46 V.
Konklizyon
Yon selil voltayik se yon konsèp fondamantal nan elektwochimi ki konvèti enèji chimik an enèji elektrik. Atik sa a prezante prensip debaz teyori selil voltayik la epi li bay egzanp pou ede klarifye pwosesis kalkil potansyèl selil la. Avèk konpreyansyon sa a, lektè yo espere gen yon pi bon konpreyansyon sou selil voltayik yo ak aplikasyon yo nan divès kontèks.
