Էլեկտրաքիմիան քննարկող հարցերի օրինակ

Էլեկտրաքիմիայի քննարկման հարցերի օրինակ

Էլեկտրաքիմիան քիմիայի մի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաների և էլեկտրական էներգիայի փոփոխությունների միջև եղած կապը: Էլեկտրաքիմիայում կան երկու հիմնական հասկացություններ՝ օքսիդացում (էլեկտրոնների արտանետում) և վերականգնում (էլեկտրոնների ձեռքբերում): Այս գործընթացները կարելի է դիտարկել էլեկտրաքիմիական բջիջների երկու տեսակում՝ վոլտային բջիջներում (գալվանական բջիջներ) և էլեկտրոլիտիկ բջիջներում: Ստորև բերված են մի քանի օրինակելի խնդիրներ և դրանց բացատրությունները, որոնք կօգնեն ձեզ հասկանալ էլեկտրաքիմիան:

Օրինակ՝ հարց 1. Վոլտային մարտկոց

Հարց՝
Տրված է վոլտային մարտկոց՝ ցինկի (Zn) և պղնձի (Cu) էլեկտրոդներով, որոնք միացված են աղային կամրջով: Zn-ը ընկղմվում է 1 Մ ZnSO4 լուծույթի մեջ, իսկ Cu-ն՝ 1 Մ CuSO4 լուծույթի մեջ: Գրեք յուրաքանչյուր էլեկտրոդում տեղի ունեցող ռեակցիաները և հաշվարկեք վոլտային մարտկոցի պոտենցիալների տարբերությունը (ԷՄԴ): Ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների տվյալներ՝
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]

Քննարկում.
Առաջին քայլը տեղի ունեցող օքսիդա-վերականգնման ռեակցիայի որոշումն է։ Վոլտային բջիջում տեղի է ունենում ինքնաբուխ օքսիդա-վերականգնման ռեակցիա, որտեղ

– Ցինկը (Zn) ենթարկվում է օքսիդացման.
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– Պղինձը (Cu) ենթարկվում է վերականգնման.
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

Վոլտային բջիջում ընդհանուր օքսիդա-վերականգնման ռեակցիան հետևյալն է.
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]

Հաջորդը, մենք կհաշվարկենք բջջային պոտենցիալների տարբերությունը՝
\[ E_{\text{բջիջ}} = E^o_{\text{կաթոդ}} – E^o_{\text{անոդ}} \]

Դիմանա.

– Կաթոդը էլեկտրոդն է, որտեղ տեղի է ունենում վերականգնում (Cu):
– Անոդը էլեկտրոդ է, որտեղ տեղի է ունենում օքսիդացում (Zn):

Այնպես որ,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]

Քեսիմպուլան:
– Անոդում (Zn) տեղի ունեցող ռեակցիան.
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– Կաթոդում (Cu) տեղի ունեցող ռեակցիան.
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

– Բջջի պոտենցիալների տարբերություն (ԷՄԴ): 1.10 Վ

-

Օրինակ հարց 2. Էլեկտրոլիտիկ բջիջ

Հարց՝
NaCl լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ նշեք կաթոդում և անոդում տեղի ունեցող ռեակցիաները, եթե օգտագործվում է իներտ էլեկտրոդ, օրինակ՝ պլատին (Pt): Հաշվարկեք 1 գրամ Cl2 ստանալու համար անհրաժեշտ ընդհանուր լիցքը: (ArCl = 35.5):

Քննարկում.
Առաջին քայլը NaCl աղի լուծույթի յուրաքանչյուր էլեկտրոդում տեղի ունեցող ռեակցիաների գրանցումն է։

– Կաթոդում (վերականգնում):
Այս գործընթացում ջրից եկող H+ իոնները կվերականգնվեն՝
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \աջ սլաք H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– Անոդում (օքսիդացում):
Cl-իոնը կենթարկվի օքսիդացման՝ դառնալով Cl2 գազ։
\[ 2Cl^-(aq) \աջ սլաք Cl_2(g) + 2e^- \]

Ընդհանուր ռեակցիա՝
Այսպիսով, NaCl լուծույթի էլեկտրոլիզի ընդհանուր ռեակցիան հետևյալն է.
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \աջ սլաք 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]

1 գրամ Cl2 ստանալու համար անհրաժեշտ լիցքը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է որոշել Cl2-ի մոլերի քանակը՝
\[ \text{Cl զանգված}_2 = 1 \text{գրամ} \]
\[ \text{ArCl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{գրամ/մոլ} \]
\[ \text{Cl-ի մոլերի քանակը}_2 = \frac{1}{71} \text{մոլ} \]

Անոդում ռեակցիայի հավասարման հիման վրա, 2 մոլ էլեկտրոններից ստացվում է 1 մոլ Cl2։
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Այլ կերպ ասած, Cl2-ի 1 մոլը պահանջում է 2 մոլ էլեկտրոն։

Էլեկտրոնների մոլերի քանակը՝
\[ \text{Էլեկտրոնների մոլերի քանակը} = 2 \time \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{մոլ} \]

Պահանջվող լիցքը կարելի է հաշվարկել Ֆարադեյի արժեքի միջոցով (F = 96485 C/մոլ e^-):
Q = n անգամ F
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{մոլ}\right) \times 96485 \text{C/մոլ} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]

Քեսիմպուլան:
- Ռեակցիա կաթոդում.
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \աջ սլաք H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– Անոդում ռեակցիան՝
\[ 2Cl^-(aq) \աջ սլաք Cl_2(g) + 2e^- \]

– 1 գրամ Cl2 ստանալու համար անհրաժեշտ ընդհանուր լիցքը 2718 C է։

-

Օրինակ 3. Ներնստի կապը և ոչ ստանդարտ պայմանները

Հարց՝
Հաշվարկեք Ag/Ag+ էլեկտրոդներից պատրաստված վոլտային մարտկոցի պոտենցիալը՝ 0.1 Մ արծաթի իոնների կոնցենտրացիայով և 0.01 Մ կոնցենտրացիայով Zn/Zn2+ էլեկտրոդներից: Ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալը հետևյալն է՝
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]

Քննարկում.
Առաջին քայլը տեղի ունեցող ռեակցիաները գրանցելն է.

– Օքսիդացում անոդում (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Կաթոդում վերականգնում (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]

Ընդհանուր ռեակցիա՝
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]

Ներնստի հավասարման հիման վրա՝
\[ E_{\text{Բջիջ}} = E^o_{\text{Բջիջ}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log ( \frac{[\text{արտադրանք}]}{[\text{ռեակտանտ}]} \right) \]
Դիմանա.
\[ n = 2 \]

Նախ, հաշվարկեք E^o_{\text{Sel}}-ը՝
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Բջիջ}} = 1.56 \, \text{V} \]

Հաջորդը, հաշվարկեք բջջի իրական պոտենցիալը տվյալ կոնցենտրացիայի դեպքում։
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Բջիջ}} = 1.56 \, \text{V} \]

Քեսիմպուլան:
– Անոդում և կաթոդում տեղի ունեցող ռեակցիաները մնում են նույնը
– Տվյալ կոնցենտրացիայի դեպքում բջջի պոտենցիալը 1.56 Վ է

Այս հոդվածը ցույց է տալիս, թե ինչպես լուծել էլեկտրաքիմիայի մի քանի տեսակի խնդիրներ, այդ թվում՝ վոլտային մարտկոցների, էլեկտրոլիտային մարտկոցների հետ կապված խնդիրներ և Ներնստի հավասարման միջոցով հաշվարկներ: Այս տեսակի խնդիրների լուծման հաջողության համար անհրաժեշտ է մանրակրկիտ հասկանալ օքսիդա-վերականգնման ռեակցիաների սկզբունքները և օգտագործել էլեկտրաքիմիական տվյալներ: