ឧទាហរណ៍សំណួរដែលពិភាក្សាអំពីកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក
Pendahuluan
កោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក ដែលត្រូវបានគេស្គាល់ផងដែរថាជាកោសិកាហ្គាលវ៉ានិច គឺជាឧបករណ៍មួយដែលបំប្លែងថាមពលគីមីទៅជាថាមពលអគ្គិសនីតាមរយៈប្រតិកម្មរីដុក (អុកស៊ីតកម្ម-កាត់បន្ថយ)។ កោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីកមានអេឡិចត្រូតពីរ ដែលជាធម្មតាធ្វើពីលោហធាតុផ្សេងៗគ្នា ជ្រមុជក្នុងអេឡិចត្រូលីត និងភ្ជាប់ដោយស្ពានអំបិល។ នៅក្នុងអត្ថបទនេះ យើងនឹងពិភាក្សាអំពីឧទាហរណ៍ជាច្រើនដែលទាក់ទងនឹងកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក ដើម្បីពង្រឹងការយល់ដឹងរបស់យើងអំពីគោលការណ៍ការងាររបស់វា និងរបៀបគណនាសក្តានុពលកោសិកា។
ទ្រឹស្តីមូលដ្ឋាននៃកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក
មុននឹងបន្តទៅបញ្ហាឧទាហរណ៍ វាជាការសំខាន់ណាស់ក្នុងការយល់ដឹងអំពីគោលគំនិត និងសមាសធាតុជាមូលដ្ឋានដែលបង្កើតជាកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក៖
១. អាណូត និង កាតូត៖ នៅក្នុងក្រឡាវ៉ុលតាអ៊ីក អាណូតគឺជាអេឡិចត្រូតដែលអុកស៊ីតកម្មកើតឡើង ហើយកាតូតគឺជាអេឡិចត្រូតដែលការកាត់បន្ថយកើតឡើង។ អាណូតមានបន្ទុកអវិជ្ជមាន ខណៈពេលដែលកាតូតមានបន្ទុកវិជ្ជមាន។
២. ផ្លូវអេឡិចត្រុង៖ អេឡិចត្រុងហូរពីអាណូតទៅកាតូតតាមរយៈសៀគ្វីខាងក្រៅ ដោយបង្កើតចរន្តអគ្គិសនី។
៣. សក្តានុពលកោសិកា (E°cell)៖ សក្តានុពលកោសិកាគឺជាភាពខុសគ្នានៃសក្តានុពលរវាងអេឡិចត្រូតពីរ។ សក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារ (E°cell) អាចត្រូវបានគណនាដោយប្រើរូបមន្ត៖
\[
E°cell = E° cathode – E° anode
\]
ដែល \(E°កាតូត\) និង \(E°អាណូត\) ជាសក្តានុពលកាត់បន្ថយស្តង់ដារនៃកាតូត និងអាណូត។
៤. ស្ពានអំបិល៖ ស្ពាននេះធ្វើឱ្យបន្ទុកអ៊ីយ៉ុងនៅក្នុងដំណោះស្រាយអេឡិចត្រូលីតទាំងពីរមានតុល្យភាព ដោយអនុញ្ញាតឱ្យមានចលនារបស់អ៊ីយ៉ុង។
សំណួរគំរូ និងការពិភាក្សា
ដើម្បីបញ្ជាក់អំពីគោលគំនិតទាំងនេះ ចូរយើងពិភាក្សាអំពីបញ្ហាឧទាហរណ៍មួយចំនួន។
ឧទាហរណ៍សំណួរទី 1
សំណួរ៖
គណនាសក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារនៃកោសិកា Volta ដែលមានអេឡិចត្រូត Zn | Zn²⁺ (aq) និងអេឡិចត្រូត Cu | Cu²⁺ (aq)។ គេដឹងថាសក្តានុពលកាត់បន្ថយស្តង់ដារ \(E°\) សម្រាប់ Zn²⁺ | Zn គឺ -0.76 V និង \(E°\) សម្រាប់ Cu²⁺ | Cu គឺ +0.34 V។
ការពិភាក្សា៖
ជំហានដំបូងគឺត្រូវកំណត់ថាមួយណាជាអាណូត និងមួយណាជាកាតូត។
Zn មានសក្តានុពលកាត់បន្ថយអវិជ្ជមានច្រើនជាង (-0.76 V) ជាង Cu (+0.34 V) ដូច្នេះ Zn នឹងដំណើរការជាអាណូត (កន្លែងកត់សុី) និង Cu ជាកាតូត (កន្លែងកាត់បន្ថយ)។
បន្ទាប់យើងប្រើរូបមន្ត៖
\[
E°cell = E° cathode – E° anode
\]
ជំនួសតម្លៃដែលគេស្គាល់៖
\[
អ៊ី°ក្រឡា = 0.34 វ៉ុល – (-0.76 វ៉ុល)
\]
\[
កោសិកា E° = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = 1.10 វ៉ុល
\]
ដូច្នេះសក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារគឺ 1.10 V។
ឧទាហរណ៍សំណួរទី 2
សំណួរ៖
ក្រឡាវ៉ុលតាអ៊ីកមួយត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយអេឡិចត្រូត Fe | Fe²⁺ និងអេឡិចត្រូត Ag | Ag⁺។ សក្តានុពលកាត់បន្ថយស្តង់ដារសម្រាប់ Fe²⁺ | Fe គឺ -0.44 V និងសម្រាប់ Ag⁺ | Ag គឺ +0.80 V។ គណនាសក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារ ហើយសរសេរប្រតិកម្មកោសិកា។
ការពិភាក្សា៖
ដូចពីមុនដែរ យើងត្រូវកំណត់អាណូត និងកាតូត។ ដោយសារសក្តានុពលកាត់បន្ថយរបស់ Fe²⁺/Fe មានអវិជ្ជមានច្រើនជាង Ag⁺/Ag នោះ Fe នឹងដើរតួជាអាណូត និង Ag ជាកាតូត។
ប្រើរូបមន្ត៖
\[
E°cell = E° cathode – E° anode
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = 0.80 វ៉ុល – (-0.44 វ៉ុល)
\]
\[
កោសិកា E° = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = 1.24 វ៉ុល
\]
សក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារគឺ 1.24 V។
ចំពោះប្រតិកម្មកោសិកាទាំងមូល យើងផ្សំប្រតិកម្មអុកស៊ីតកម្ម និងប្រតិកម្មកាត់បន្ថយ៖
– ប្រតិកម្មនៅអាណូត៖ \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– ប្រតិកម្មនៅកាតូត៖ \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
ការធ្វើឱ្យមានតុល្យភាពនៃចំនួនអេឡិចត្រុងនៅក្នុងប្រតិកម្មទាំងពីរ៖
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
២\អត្ថបទ{Ag}^+ + ២\អត្ថបទ{e}^- \rightarrow ២\អត្ថបទ{Ag}
\]
ប្រតិកម្មកោសិកាទូទៅ៖
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
ឧទាហរណ៍សំណួរទី 3
សំណួរ៖
គណនាសក្តានុពលកោសិកានៅសីតុណ្ហភាព 25°C សម្រាប់កោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីកដែលមានអេឡិចត្រូត Al | Al³⁺ និងអេឡិចត្រូត Ni | Ni²⁺ ប្រសិនបើកំហាប់ Al³⁺ គឺ 0.001 M ហើយកំហាប់ Ni²⁺ គឺ 1 M។ គេដឹងថា \(E°\) សម្រាប់ Al³⁺ | Al គឺ -1.66 V និង \(E°\) សម្រាប់ Ni²⁺ | Ni គឺ -0.23 V។
ការពិភាក្សា៖
ដំបូងកំណត់អាណូត និងកាតូត៖
– សក្តានុពលកាត់បន្ថយនៃ Al³⁺/Al មានលក្ខណៈអវិជ្ជមានច្រើន (-1.66 V) ជាង Ni²⁺/Ni (-0.23 V) ដូច្នេះ Al ជាអាណូត ហើយ Ni ជាកាតូត។
សក្តានុពលកោសិកាស្តង់ដារត្រូវបានគណនាដូចខាងក្រោម៖
\[
E°cell = E° cathode – E° anode
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = -0.23 វ៉ុល – (-1.66 វ៉ុល)
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = -0.23 វ៉ុល + 1.66 វ៉ុល
\]
\[
អ៊ី°ក្រឡា = 1.43 វ៉ុល
\]
បន្ទាប់មក យើងប្រើសមីការ Nernst ដើម្បីគណនាសក្តានុពលកោសិកាក្រោមលក្ខខណ្ឌមិនស្តង់ដារ៖
\[
E_{cell} = E°cell – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
ដែល \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \) R ជាថេរឧស្ម័ន (8.314 J/mol·K) T ជាសីតុណ្ហភាពជា Kelvin (298 K នៅសីតុណ្ហភាព 25°C) F ជាថេរហ្វារ៉ាដេ (96485 C/mol) និង n ជាចំនួនអេឡិចត្រុង (6 សម្រាប់ប្រតិកម្មដែលពាក់ព័ន្ធនឹង Al³⁺ និង Ni²⁺)។
ជំនួសតម្លៃដែលគេស្គាល់ទៅក្នុងសមីការ៖
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left (\frac{8.314 \x298}{6 \x96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln ០.០០១ = -៦.៩០៧
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 \ដង -6.907)
\]
\[
អ៊ី_{កោសិកា} = 1.43 វ៉ុល + 0.0295
\]
\[
អ៊ី_{កោសិកា} = 1.4595 វ៉ុល
\]
ដូច្នេះ សក្តានុពលកោសិកានៅលក្ខខណ្ឌនេះគឺប្រហែល 1.46 V។
សេចក្តីសន្និដ្ឋាន
កោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក គឺជាគោលគំនិតជាមូលដ្ឋានមួយនៅក្នុងអេឡិចត្រូគីមីវិទ្យា ដែលបំប្លែងថាមពលគីមីទៅជាថាមពលអគ្គិសនី។ អត្ថបទនេះបានណែនាំអំពីមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃទ្រឹស្តីកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក និងផ្តល់ឧទាហរណ៍ដើម្បីជួយបញ្ជាក់ដំណើរការនៃការគណនាសក្តានុពលកោសិកា។ ដោយមានការយល់ដឹងនេះ អ្នកអានសង្ឃឹមថានឹងមានការយល់ដឹងកាន់តែច្បាស់អំពីកោសិកាវ៉ុលតាអ៊ីក និងការអនុវត្តរបស់វានៅក្នុងបរិបទផ្សេងៗ។
