ვოლტური ელემენტების განხილვის შესახებ კითხვების მაგალითები
პენდაჰულუანი
ვოლტური ელემენტი, ასევე ცნობილი როგორც გალვანური ელემენტი, არის მოწყობილობა, რომელიც ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად გარდაქმნის რედოქს (ჟანგვა-აღდგენის) რეაქციის მეშვეობით. ვოლტური ელემენტი შედგება ორი ელექტროდისგან, რომლებიც, როგორც წესი, დამზადებულია განსხვავებული ლითონებისგან, ჩაძირულია ელექტროლიტში და დაკავშირებულია მარილის ხიდით. ამ სტატიაში განვიხილავთ ვოლტურ ელემენტებთან დაკავშირებულ რამდენიმე მაგალითს, რათა გავაღრმავოთ ჩვენი გაგება მათი მუშაობის პრინციპების და უჯრედის პოტენციალის გამოთვლის შესახებ.
ვოლტური უჯრედების ძირითადი თეორია
მაგალითის ამოცანებზე გადასვლამდე მნიშვნელოვანია გავიგოთ ვოლტის უჯრედის შემადგენელი ძირითადი ცნებები და კომპონენტები:
1. ანოდი და კათოდი: ვოლტის ტიპის ელემენტში ანოდი არის ელექტროდი, სადაც ხდება დაჟანგვა, ხოლო კათოდი არის ელექტროდი, სადაც ხდება აღდგენა. ანოდს აქვს უარყოფითი მუხტი, ხოლო კათოდს - დადებითი.
2. ელექტრონული გზა: ელექტრონები ანოდიდან კათოდში გადადიან გარე წრედის გავლით, რაც ელექტრულ დენს წარმოქმნის.
3. უჯრედის პოტენციალი (E°უჯრედი): უჯრედის პოტენციალი არის ორ ელექტროდს შორის პოტენციური სხვაობა. სტანდარტული უჯრედის პოტენციალის (E°უჯრედი) გამოთვლა შესაძლებელია ფორმულის გამოყენებით:
\[
E°cell = E°Cathode – E°anode
\]
სადაც \(E°კათოდი\) და \(E°ანოდი\) კათოდისა და ანოდის სტანდარტული აღდგენის პოტენციალებია.
4. მარილის ხიდი: ეს ხიდი აბალანსებს იონურ მუხტებს ორივე ელექტროლიტურ ხსნარში იონების მოძრაობის საშუალების მიცემით.
ნიმუშის კითხვები და დისკუსია
ამ ცნებების გასაგებად, მოდით განვიხილოთ რამდენიმე მაგალითი.
მაგალითი კითხვა 1
კითხვა:
გამოთვალეთ ვოლტას უჯრედის სტანდარტული უჯრედის პოტენციალი, რომელიც შედგება Zn | Zn²⁺ (aq) ელექტროდებისა და Cu | Cu²⁺ (aq) ელექტროდებისგან. ცნობილია, რომ Zn²⁺ | Zn-ისთვის სტანდარტული აღდგენის პოტენციალი \(E°\) არის -0.76 ვ, ხოლო Cu²⁺ | Cu-სთვის \(E°\) არის +0.34 ვ.
დისკუსია:
პირველი ნაბიჯი არის იმის დადგენა, თუ რომელია ანოდი და რომელი კათოდი.
Zn-ს უფრო უარყოფითი აღდგენის პოტენციალი (-0.76 ვ) აქვს, ვიდრე Cu-ს (+0.34 ვ), ამიტომ Zn იფუნქციონირებს როგორც ანოდი (დაჟანგვის ადგილი), ხოლო Cu როგორც კათოდი (აღდგენის ადგილი).
შემდეგი, ჩვენ ვიყენებთ ფორმულას:
\[
E°cell = E°Cathode – E°anode
\]
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:
\[
E°უჯრედი = 0.34 ვოლტი – (-0.76 ვოლტი)
\]
\[
E°უჯრედი = 0.34 ვ + 0.76 ვ
\]
\[
E°ელემენტი = 1.10 ვ
\]
ასე რომ, სტანდარტული უჯრედის პოტენციალია 1.10 ვ.
მაგალითი კითხვა 2
კითხვა:
ვოლტური უჯრედი შედგება Fe | Fe²⁺ და Ag | Ag⁺ ელექტროდებისგან. Fe²⁺ | Fe-ს სტანდარტული აღდგენის პოტენციალია -0.44 ვ, ხოლო Ag⁺ | Ag-ს - +0.80 ვ. გამოთვალეთ უჯრედის სტანდარტული პოტენციალი და ჩაწერეთ უჯრედის რეაქცია.
დისკუსია:
როგორც ადრე, ჩვენ უნდა განვსაზღვროთ ანოდი და კათოდი. რადგან Fe²⁺/Fe-ს აღდგენის პოტენციალი უფრო უარყოფითია, ვიდრე Ag⁺/Ag-ს, Fe ანოდის როლს შეასრულებს, ხოლო Ag კათოდის როლს.
გამოიყენეთ ფორმულა:
\[
E°cell = E°Cathode – E°anode
\]
\[
E°უჯრედი = 0.80 ვოლტი – (-0.44 ვოლტი)
\]
\[
E°უჯრედი = 0.80 ვ + 0.44 ვ
\]
\[
E°ელემენტი = 1.24 ვ
\]
სტანდარტული უჯრედის პოტენციალია 1.24 ვოლტი.
უჯრედული რეაქციის საერთო შედეგისთვის, ჩვენ ვაერთიანებთ დაჟანგვისა და აღდგენის რეაქციებს:
– რეაქცია ანოდზე: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2 \text{e}^- \)
– რეაქცია კათოდზე: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
ორივე რეაქციაში ელექტრონების რაოდენობის დაბალანსება:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
უჯრედის საერთო რეაქცია:
\[
Fe + 2 Ag^+ Fe^2+ + 2 Ag
\]
მაგალითი კითხვა 3
კითხვა:
გამოთვალეთ უჯრედის პოტენციალი 25°C ტემპერატურაზე Al | Al³⁺ და Ni | Ni²⁺ ელექტროდებისგან შემდგარი ვოლტური უჯრედისთვის, თუ Al³⁺-ის კონცენტრაცია 0.001 M-ია, ხოლო Ni²⁺-ის კონცენტრაცია 1 M. ცნობილია, რომ Al³⁺ |Al-ისთვის \(E°\) არის -1.66 V, ხოლო Ni²⁺ | Ni-სთვის \(E°\) არის -0.23 V.
დისკუსია:
პირველი, განსაზღვრეთ ანოდი და კათოდი:
– Al³⁺/Al-ის აღდგენის პოტენციალი უფრო უარყოფითია (-1.66 ვ), ვიდრე Ni²⁺/Ni-ს (-0.23 ვ), ამიტომ Al არის ანოდი, ხოლო Ni - კათოდი.
სტანდარტული უჯრედის პოტენციალი გამოითვლება შემდეგნაირად:
\[
E°cell = E°Cathode – E°anode
\]
\[
E°უჯრედი = -0.23 ვოლტი – (-1.66 ვოლტი)
\]
\[
E°უჯრედი = -0.23 ვ + 1.66 ვ
\]
\[
E°ელემენტი = 1.43 ვ
\]
შემდეგ, არასტანდარტულ პირობებში უჯრედის პოტენციალის გამოსათვლელად ნერნსტის განტოლებას ვიყენებთ:
\[
E_{უჯრედი} = E°უჯრედი – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
სადაც \(Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R არის აირის მუდმივა (8.314 ჯ/მოლ·K), T არის ტემპერატურა კელვინებში (298 K 25°C-ზე), F არის ფარადეის მუდმივა (96485 C/მოლ) და n არის ელექტრონების რაოდენობა (6 Al³⁺-სა და Ni²⁺-ში მონაწილე რეაქციებისთვის).
ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები განტოლებაში:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.43 ვოლტი – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.43 ვოლტი – (0.00428 \ჯერ -6.907)
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.43 ვ + 0.0295
\]
\[
E_{უჯრედი} = 1.4595 ვოლტი
\]
ამგვარად, ამ მდგომარეობაში უჯრედის პოტენციალი დაახლოებით 1.46 ვოლტია.
დასკვნა
ვოლტური ელემენტი ელექტროქიმიის ფუნდამენტური კონცეფციაა, რომელიც ქიმიურ ენერგიას ელექტრო ენერგიად გარდაქმნის. ამ სტატიაში წარმოდგენილია ვოლტური ელემენტის თეორიის საფუძვლები და მოყვანილია მაგალითები, რომლებიც უჯრედის პოტენციალის გამოთვლის პროცესის გარკვევაში დაგეხმარებათ. ამ გაგებით, მკითხველს, იმედია, უკეთესად შეეძლება გაიგოს ვოლტური ელემენტი და მისი გამოყენება სხვადასხვა კონტექსტში.
