Օրինակելի հարցեր վոլտային բջիջների վերաբերյալ

Օրինակելի հարցեր վոլտային բջիջների վերաբերյալ

Պենդահուլուան

Վոլտային մարտկոցը, որը հայտնի է նաև որպես գալվանական մարտկոց, սարք է, որը քիմիական էներգիան վերածում է էլեկտրական էներգիայի՝ օքսիդացման-վերականգնման ռեակցիայի միջոցով: Վոլտային մարտկոցը բաղկացած է երկու էլեկտրոդից, որոնք սովորաբար պատրաստված են տարբեր մետաղներից, ընկղմված են էլեկտրոլիտի մեջ և միացված են աղային կամրջով: Այս հոդվածում մենք կքննարկենք վոլտային մարտկոցների հետ կապված մի քանի օրինակներ՝ խորացնելու դրանց աշխատանքային սկզբունքների և բջջային պոտենցիալի հաշվարկման վերաբերյալ մեր պատկերացումները:

Վոլտային բջիջների հիմնական տեսություն

Նախքան օրինակելի խնդիրներին անցնելը, կարևոր է հասկանալ վոլտային բջիջը կազմող հիմնական հասկացություններն ու բաղադրիչները.

1. Անոդ և կաթոդ. Վոլտային մարտկոցում անոդը այն էլեկտրոդն է, որտեղ տեղի է ունենում օքսիդացում, իսկ կաթոդը՝ այն էլեկտրոդը, որտեղ տեղի է ունենում վերականգնում: Անոդն ունի բացասական լիցք, մինչդեռ կաթոդը՝ դրական լիցք:

2. Էլեկտրոնային ուղի. Էլեկտրոնները անոդից կաթոդ են հոսում արտաքին շղթայի միջոցով՝ առաջացնելով էլեկտրական հոսանք:

3. Բջջի պոտենցիալ (E°բջիջ). Բջջի պոտենցիալը երկու էլեկտրոդների միջև պոտենցիալների տարբերությունն է: Բջջի ստանդարտ պոտենցիալը (E°բջիջ) կարելի է հաշվարկել հետևյալ բանաձևով.
\[
E° բջիջ = E° կաթոդ – E° անոդ
\]
որտեղ \(E°կաթոդ\)-ն և \(E°անոդ\)-ն կաթոդի և անոդի ստանդարտ վերականգնման պոտենցիալներն են։

4. Աղային կամուրջ. Այս կամուրջը հավասարակշռում է իոնային լիցքերը երկու էլեկտրոլիտային լուծույթներում՝ թույլ տալով իոնների շարժը։

Հարցերի և քննարկման նմուշներ

Այս հասկացությունները պարզաբանելու համար քննարկենք մի քանի օրինակային խնդիրներ։

Օրինակ՝ հարց 1

Հարց՝
Հաշվարկեք Zn | Zn²⁺ (aq) էլեկտրոդներից և Cu | Cu²⁺ (aq) էլեկտրոդներից բաղկացած Վոլտա բջիջի ստանդարտ բջջային պոտենցիալը: Հայտնի է, որ Zn²⁺ | Zn-ի ստանդարտ վերականգնման պոտենցիալը՝ \(E°\), կազմում է -0.76 Վ, իսկ Cu²⁺ | Cu-ի \(E°\)-ը՝ +0.34 Վ:

Քննարկում.
Առաջին քայլը անոդի և կաթոդի ընտրությունն է։

Zn-ն ունի ավելի բացասական վերականգնման պոտենցիալ (-0.76 Վ), քան Cu-ն (+0.34 Վ), ուստի Zn-ը կգործի որպես անոդ (օքսիդացման տեղամաս), իսկ Cu-ն՝ որպես կաթոդ (վերականգնման տեղամաս):

Հաջորդը, մենք օգտագործում ենք բանաձևը.
\[
E° բջիջ = E° կաթոդ – E° անոդ
\]
Փոխարինեք հայտնի արժեքները՝
\[
E°բջիջ = 0.34 Վ – (-0.76 Վ)
\]
\[
E°բջիջ = 0.34 Վ + 0.76 Վ
\]
\[
E°բջիջ = 1.10 Վ
\]

Այսպիսով, ստանդարտ բջջային պոտենցիալը 1.10 Վ է։

Օրինակ՝ հարց 2

Հարց՝
Վոլտային մարտկոցը կազմված է Fe | Fe²⁺ և Ag | Ag⁺ էլեկտրոդներից: Fe²⁺ | Fe-ի ստանդարտ վերականգնման պոտենցիալը -0.44 Վ է, իսկ Ag⁺ | Ag-ի համար՝ +0.80 Վ: Հաշվարկեք մարտկոցի ստանդարտ պոտենցիալը և գրեք բջջային ռեակցիան:

Քննարկում.
Ինչպես նախկինում, մենք պետք է որոշենք անոդը և կաթոդը։ Քանի որ Fe²⁺/Fe-ի վերականգնման պոտենցիալն ավելի բացասական է, քան Ag⁺/Ag-ինը, Fe-ն կգործի որպես անոդ, իսկ Ag-ը՝ որպես կաթոդ։

Օգտագործեք բանաձևը՝
\[
E° բջիջ = E° կաթոդ – E° անոդ
\]
\[
E°բջիջ = 0.80 Վ – (-0.44 Վ)
\]
\[
E°բջիջ = 0.80 Վ + 0.44 Վ
\]
\[
E°բջիջ = 1.24 Վ
\]

Բջիջի ստանդարտ պոտենցիալը 1.24 Վ է։

Ընդհանուր բջջային ռեակցիայի համար մենք համատեղում ենք օքսիդացման և վերականգնման ռեակցիաները՝
– Ռեակցիա անոդում՝ \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Ռեակցիան կաթոդում՝ \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)

Երկու ռեակցիաներում էլեկտրոնների թվի հավասարակշռումը.
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ագ}^+ + 2\text{ե}^- \rightarrow 2\text{Ագ}
\]

Բջջային ռեակցիայի ընդհանուր ընթացքը՝
\[
Fe + 2 Ag^+ Fe^2+ + 2 Ag
\]

Օրինակ՝ հարց 3

Հարց՝
Հաշվարկեք Al | Al³⁺ և Ni | Ni²⁺ էլեկտրոդներից բաղկացած վոլտային բջջի պոտենցիալը 25°C ջերմաստիճանում, եթե Al³⁺-ի կոնցենտրացիան 0.001 Մ է, իսկ Ni²⁺-ին՝ 1 Մ։ Հայտնի է, որ Al³⁺ |Al-ի համար \(E°\)-ն -1.66 Վ է, իսկ Ni²⁺ | Ni-ի համար \(E°\)-ն -0.23 Վ է։

Քննարկում.
Նախ, որոշեք անոդը և կաթոդը.
– Al³⁺/Al-ի վերականգնման պոտենցիալն ավելի բացասական է (-1.66 Վ), քան Ni²⁺/Ni-ինը (-0.23 Վ), ուստի Al-ը անոդն է, իսկ Ni-ն՝ կաթոդը։

Բջջի ստանդարտ պոտենցիալը հաշվարկվում է հետևյալ կերպ.
\[
E° բջիջ = E° կաթոդ – E° անոդ
\]
\[
E°բջիջ = -0.23 Վ – (-1.66 Վ)
\]
\[
E°բջիջ = -0.23 Վ + 1.66 Վ
\]
\[
E°բջիջ = 1.43 Վ
\]

Հաջորդը, մենք օգտագործում ենք Ներնստի հավասարումը՝ ոչ ստանդարտ պայմաններում բջջի պոտենցիալը հաշվարկելու համար։
\[
E_{բջիջ} = E°բջիջ – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
որտեղ՝ Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]}), R-ը գազային հաստատունն է (8.314 Ջ/մոլ·K), T-ն՝ ջերմաստիճանը կելվիններով (298 Կ 25°C-ում), F-ը՝ Ֆարադեյի հաստատունը (96485 C/մոլ), իսկ n-ը՝ էլեկտրոնների քանակը (6՝ Al³⁺ և Ni²⁺ մասնակցությամբ ռեակցիաների համար):

Փոխարինեք հայտնի արժեքները հավասարման մեջ.
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{բջիջ} = 1.43 Վ – (0.00428) \ln 0.001
\]

\[
\ln 0.001 = -6.907
\]

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

\[
E_{բջիջ} = 1.43 Վ + 0.0295
\]
\[
E_{բջիջ} = 1.4595 Վ
\]

Այսպիսով, այս պայմաններում բջջի պոտենցիալը մոտ 1.46 Վ է։

Եզրակացություն

Վոլտային մարտկոցը էլեկտրաքիմիայի հիմնարար հասկացություն է, որը քիմիական էներգիան վերածում է էլեկտրական էներգիայի: Այս հոդվածը ներկայացրել է Վոլտային մարտկոցների տեսության հիմունքները և բերել օրինակներ՝ բջջային պոտենցիալի հաշվարկման գործընթացը պարզաբանելու համար: Այս հասկացողությամբ ընթերցողները, հուսով ենք, ավելի լավ կհասկանան Վոլտային մարտկոցները և դրանց կիրառությունները տարբեր համատեքստերում: