Ստանդարտ հղման էլեկտրոդի ներուժի վերաբերյալ քննարկման հարցի օրինակ

Ստանդարտ հղման էլեկտրոդային պոտենցիալի վերաբերյալ քննարկման հարցերի օրինակ

Պենդահուլուան

Էլեկտրաքիմիան քիմիայի մի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաների և էլեկտրական երևույթների միջև եղած կապը: Էլեկտրաքիմիայի հիմնարար հասկացություններից մեկը էլեկտրոդային պոտենցիալն է: Էլեկտրոդային պոտենցիալը էլեկտրոդի էլեկտրոններ ներգրավելու կամ արձակելու հակման չափանիշ է:

Էլեկտրաքիմիայում լայնորեն օգտագործվող ստանդարտը ստանդարտ ջրածնային էլեկտրոդն է (ՍՀԷ): ՍՀԷ-ն սահմանվում է որպես զրոյական վոլտ պոտենցիալ ունեցող էլեկտրոդ բոլոր ջերմաստիճաններում: Այն ծառայում է որպես համընդհանուր տեղեկանք այլ էլեկտրոդների պոտենցիալները չափելու և համեմատելու համար: Այս հոդվածի նպատակն է մանրամասն բացատրություն տալ ստանդարտ հղման էլեկտրոդի պոտենցիալը քննարկող օրինակելի խնդիրների միջոցով՝ ավելի խորը ըմբռնում խթանելու համար:

Էլեկտրոդային պոտենցիալ և SHE

SHE-ն ծառայում է որպես հենակետային կետ՝ էլեկտրոդային պոտենցիալը կամայականորեն սահմանված է 0 Վ-ի վրա: Ջրածնային էլեկտրոդային ռեակցիայի հավասարումը հետևյալն է.

\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \աջ սլաք H_2 (g) \]

Գործնականում, SHE պայմանների մոդելավորումը դժվար է ստեղծել, և ավելի տարածված է օգտագործել այլ ստանդարտ հղման էլեկտրոդներ, ինչպիսիք են հագեցած կալոմելային էլեկտրոդը (SCE) կամ արծաթ/արծաթի քլորիդը (Ag/AgCl):

Հարցերի և քննարկումների նմուշներ

Հարց 1. Էլեկտրաքիմիական բջջի էլեկտրոդային պոտենցիալի որոշումը

Հարց՝
Որպես օրինակային խնդիր, մեզ խնդրվում է որոշել Zn(s)-ի և Cu^2+(aq)-ի միջև ռեակցիայի բջջի պոտենցիալը։ Հայտնի է, որ Zn^2+/Zn-ի ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալը -0.76 Վ է, իսկ Cu^2+/Cu-ի համար՝ +0.34 Վ։ Որքա՞ն է բջջի պոտենցիալը՝ օգտագործելով SHE-ն որպես հղման կետ։

Ջավաբան.

Մենք պետք է հաշվարկենք բջջի պոտենցիալը՝ E_{բջջ}\)՝ օգտագործելով էլեկտրոդային պոտենցիալները։ Բջջում ընդհանուր ռեակցիան հետևյալն է՝

\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]

Էլեկտրոդային պոտենցիալը գրվում է հետևյալ կերպ՝

\[ E_{բջիջ} = E_{կաթոդ} – E_{անոդ} \]

Որտեղ կաթոդը վերականգնման ռեակցիա է, իսկ անոդը՝ օքսիդացման ռեակցիա։ Ստանդարտ պոտենցիալի հիման վրա՝

– Կաթոդային ստանդարտ պոտենցիալ \( E^0_{կաթոդ} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 Վ
– Անոդի ստանդարտ պոտենցիալը \(E^0_{անոդ} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 Վ

Արժեքների փոխարինում.

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

Այսպիսով, բջջային պոտենցիալը 1.10 Վ է։

Հարց 2. Ներնստի հավասարման կիրառումը ոչ ստանդարտ պայմաններում

Հարց՝
Հաշվարկեք բջջի պոտենցիալը (E) 298 Կ ջերմաստիճանում Zn(s)-ի և Cu^2+(aq)-ի միջև էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի համար, եթե Cu^2+ իոնների կոնցենտրացիան 0.01 Մ է, իսկ Zn^2+ իոնների կոնցենտրացիան՝ 1.00 Մ։

Ջավաբան.

Ներնստի հավասարումը մեզ հնարավորություն է տալիս հաշվարկել բջջի պոտենցիալը, երբ պայմանները ստանդարտ չեն (ոչ ստանդարտ): Ներնստի հավասարումը հետևյալն է.

\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]

Դի մանա,
– \( E^0 \)-ն ստանդարտ բջջի պոտենցիալն է
– \( R \)-ն գազային հաստատունն է (8.314 Ջ/մոլ·Կ):
– \(T \)-ն ջերմաստիճանը Կելվիններով է (298 Կ):
– \(n \)-ն համարժեք ռեակցիայի ընթացքում փոխանցված էլեկտրոնների մոլերի քանակն է (Zn/Cu-ի համար՝ 2 մոլ էլեկտրոն):
– \( F \)-ն Ֆարադեյի հաստատունն է (96485 C/մոլ)
– \(Q \)-ն ռեակցիայի քանորդն է։

\[ Q = \frac{[արտադրանքներ]}{[ռեակտիվ նյութեր]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]

Փոխարինեք արժեքները Ներնստի հավասարման մեջ.

Նախորդ խնդրի ստանդարտ պոտենցիալը՝ E^0, 1.10 Վ է։

\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{Ջ/մոլ·Կ} \times 298 \, \text{Կ}}{2 \times 96485 \, \text{C/մոլ}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]

Նախ, հաշվարկեք ջերմաստիճանի անդամը և ռեակցիայի քանորդը.

\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \approx 0.0128 \, \text{V} \]

Մի մոռացեք այն փոխարկել՝ Ջ-ն վոլտերի համապատասխանեցնելու համար։

\[ \ln (100) = 4.605 \]

Այսպիսով՝

\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \times 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \տեքստ{V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \text{V} \]

Այսպիսով, ոչ ստանդարտ պայմաններում բջջային պոտենցիալը 1.041 Վ է։

Եզրակացություն

Էլեկտրաքիմիան կենսականորեն կարևոր ոլորտ է՝ բազմաթիվ կիրառություններով արդյունաբերության և գիտական ​​հետազոտությունների մեջ: Էլեկտրոդային պոտենցիալի նման հիմնական հասկացությունների և Ներնստի հավասարման կիրառման ըմբռնումը թույլ է տալիս մեզ հաշվարկել բջջի պոտենցիալները տարբեր պայմաններում: Այս օրինակում մենք տեսանք, թե ինչպես որոշել բջջի պոտենցիալը՝ օգտագործելով ստանդարտ հղման էլեկտրոդ, և թե ինչպես են կոնցենտրացիայի նման գործոնները ազդում բջջի պոտենցիալի վրա:

Այս քննարկումը ցույց է տալիս էլեկտրաքիմիական սկզբունքների մանրակրկիտ ըմբռնման կարևորությունը լայն շրջանակի կիրառությունների համար՝ կենսասենսորներից մինչև մարտկոցներ: Այն նաև ամուր հիմք է ապահովում էլեկտրաքիմիական տեխնոլոգիաների հետազոտություններով և կիրառություններով հետաքրքրված յուրաքանչյուրի համար: