ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸುವ ಉದಾಹರಣೆ ಪ್ರಶ್ನೆಗಳು
ಪೆಂಡಾಹುಲುವಾನ್
ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶ, ಇದನ್ನು ಗಾಲ್ವನಿಕ್ ಕೋಶ ಎಂದೂ ಕರೆಯುತ್ತಾರೆ, ಇದು ರಾಸಾಯನಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ರೆಡಾಕ್ಸ್ (ಆಕ್ಸಿಡೀಕರಣ-ಕಡಿತ) ಕ್ರಿಯೆಯ ಮೂಲಕ ವಿದ್ಯುತ್ ಶಕ್ತಿಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ. ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶವು ಎರಡು ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತದೆ, ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಭಿನ್ನವಾದ ಲೋಹಗಳಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿದೆ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್‌ನಲ್ಲಿ ಮುಳುಗಿಸಿ ಉಪ್ಪು ಸೇತುವೆಯಿಂದ ಸಂಪರ್ಕಿಸಲಾಗಿದೆ. ಈ ಲೇಖನದಲ್ಲಿ, ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶಗಳ ಕಾರ್ಯ ತತ್ವಗಳ ಬಗ್ಗೆ ಮತ್ತು ಜೀವಕೋಶದ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಹೇಗೆ ಲೆಕ್ಕ ಹಾಕುವುದು ಎಂಬುದರ ಕುರಿತು ನಮ್ಮ ತಿಳುವಳಿಕೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು ನಾವು ಹಲವಾರು ಉದಾಹರಣೆಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸುತ್ತೇವೆ.
ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶಗಳ ಮೂಲ ಸಿದ್ಧಾಂತ
ಉದಾಹರಣೆ ಸಮಸ್ಯೆಗಳಿಗೆ ಹೋಗುವ ಮೊದಲು, ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶವನ್ನು ರೂಪಿಸುವ ಮೂಲ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳು ಮತ್ತು ಘಟಕಗಳನ್ನು ಅರ್ಥಮಾಡಿಕೊಳ್ಳುವುದು ಮುಖ್ಯವಾಗಿದೆ:
1. ಆನೋಡ್ ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್: ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶದಲ್ಲಿ, ಆನೋಡ್ ಆಕ್ಸಿಡೀಕರಣ ಸಂಭವಿಸುವ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರವಾಗಿದೆ, ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಕಡಿತ ಸಂಭವಿಸುವ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರವಾಗಿದೆ. ಆನೋಡ್ ಋಣಾತ್ಮಕ ಆವೇಶವನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದರೆ, ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಧನಾತ್ಮಕ ಆವೇಶವನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತದೆ.
2. ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಮಾರ್ಗ: ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಆನೋಡ್‌ನಿಂದ ಕ್ಯಾಥೋಡ್‌ಗೆ ಬಾಹ್ಯ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್ ಮೂಲಕ ಹರಿಯುತ್ತವೆ, ವಿದ್ಯುತ್ ಪ್ರವಾಹವನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತವೆ.
3. ಜೀವಕೋಶದ ವಿಭವ (E°ಕೋಶ): ಜೀವಕೋಶದ ವಿಭವವು ಎರಡು ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳ ನಡುವಿನ ವಿಭವ ವ್ಯತ್ಯಾಸವಾಗಿದೆ. ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವ (E°ಕೋಶ)ವನ್ನು ಸೂತ್ರವನ್ನು ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಲೆಕ್ಕಹಾಕಬಹುದು:
\[
ಇ ° ಕೋಶ = ಇ ° ಕ್ಯಾಥೋಡ್ - ಇ ° ಆನೋಡ್
\]
ಇಲ್ಲಿ \(E°ಕ್ಯಾಥೋಡ್\) ಮತ್ತು \(E°ಆನೋಡ್\) ಗಳು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಮತ್ತು ಆನೋಡ್‌ನ ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕಡಿತ ವಿಭವಗಳಾಗಿವೆ.
4. ಸಾಲ್ಟ್ ಬ್ರಿಡ್ಜ್: ಈ ಬ್ರಿಡ್ಜ್ ಅಯಾನುಗಳ ಚಲನೆಯನ್ನು ಅನುಮತಿಸುವ ಮೂಲಕ ಎರಡೂ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ದ್ರಾವಣಗಳಲ್ಲಿನ ಅಯಾನು ಚಾರ್ಜ್‌ಗಳನ್ನು ಸಮತೋಲನಗೊಳಿಸುತ್ತದೆ.
ಮಾದರಿ ಪ್ರಶ್ನೆಗಳು ಮತ್ತು ಚರ್ಚೆ
ಈ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳನ್ನು ಸ್ಪಷ್ಟಪಡಿಸಲು, ಕೆಲವು ಉದಾಹರಣೆ ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸೋಣ.
ಉದಾಹರಣೆ ಪ್ರಶ್ನೆ 1
ಪ್ರಶ್ನೆ:
Zn | Zn²⁺ (aq) ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳು ಮತ್ತು Cu | Cu²⁺ (aq) ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುವ ವೋಲ್ಟಾ ಕೋಶದ ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವವನ್ನು ಲೆಕ್ಕಹಾಕಿ. Zn²⁺ | Zn ಗೆ ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕಡಿತ ವಿಭವ \(E°\) -0.76 V ಮತ್ತು Cu²⁺ | Cu ಗೆ \(E°\) +0.34 V ಎಂದು ತಿಳಿದಿದೆ.
ಚರ್ಚೆ :
ಮೊದಲ ಹಂತವೆಂದರೆ ಆನೋಡ್ ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಯಾವುದು ಎಂಬುದನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸುವುದು.
Zn, Cu (+0.34 V) ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಋಣಾತ್ಮಕ ಕಡಿತ ವಿಭವವನ್ನು (-0.76 V) ಹೊಂದಿದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ Zn ಆನೋಡ್ (ಆಕ್ಸಿಡೀಕರಣ ತಾಣ) ಆಗಿ ಮತ್ತು Cu ಕ್ಯಾಥೋಡ್ (ಕಡಿತ ತಾಣ) ಆಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ.
ಮುಂದೆ, ನಾವು ಸೂತ್ರವನ್ನು ಬಳಸುತ್ತೇವೆ:
\[
ಇ ° ಕೋಶ = ಇ ° ಕ್ಯಾಥೋಡ್ - ಇ ° ಆನೋಡ್
\]
ತಿಳಿದಿರುವ ಮೌಲ್ಯಗಳನ್ನು ಬದಲಿಸಿ:
\[
E° ಕೋಶ = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E° ಕೋಶ = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°ಸೆಲ್ = 1.10 V
\]
ಆದ್ದರಿಂದ, ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವವು 1.10 V ಆಗಿದೆ.
ಉದಾಹರಣೆ ಪ್ರಶ್ನೆ 2
ಪ್ರಶ್ನೆ:
ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶವು Fe | Fe²⁺ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳು ಮತ್ತು Ag | Ag⁺ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿದೆ. Fe²⁺ | Fe ಗೆ ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕಡಿತ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ -0.44 V ಮತ್ತು Ag⁺ | Ag ಗೆ +0.80 V ಆಗಿದೆ. ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವವನ್ನು ಲೆಕ್ಕಹಾಕಿ ಮತ್ತು ಕೋಶ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಬರೆಯಿರಿ.
ಚರ್ಚೆ :
ಮೊದಲಿನಂತೆ, ನಾವು ಆನೋಡ್ ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಅನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸಬೇಕಾಗಿದೆ. Fe²⁺/Fe ನ ಕಡಿತ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವು Ag⁺/Ag ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಋಣಾತ್ಮಕವಾಗಿರುವುದರಿಂದ, Fe ಆನೋಡ್ ಆಗಿ ಮತ್ತು Ag ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಆಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ.
ಸೂತ್ರವನ್ನು ಬಳಸಿ:
\[
ಇ ° ಕೋಶ = ಇ ° ಕ್ಯಾಥೋಡ್ - ಇ ° ಆನೋಡ್
\]
\[
E° ಕೋಶ = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E° ಕೋಶ = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°ಸೆಲ್ = 1.24 V
\]
ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವವು 1.24 V ಆಗಿದೆ.
ಒಟ್ಟಾರೆ ಜೀವಕೋಶ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಾಗಿ, ನಾವು ಆಕ್ಸಿಡೀಕರಣ ಮತ್ತು ಕಡಿತ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಳನ್ನು ಸಂಯೋಜಿಸುತ್ತೇವೆ:
– ಆನೋಡ್‌ನಲ್ಲಿ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– ಕ್ಯಾಥೋಡ್‌ನಲ್ಲಿ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
ಎರಡೂ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಳಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳ ಸಂಖ್ಯೆಯನ್ನು ಸಮತೋಲನಗೊಳಿಸುವುದು:
\[
\ಪಠ್ಯ{Fe} \ಬಲ ಬಾಣ \ಪಠ್ಯ{Fe}^{2+} + 2\ಪಠ್ಯ{e}^-
\]
\[
2\ಪಠ್ಯ{Ag}^+ + 2\ಪಠ್ಯ{e}^- \ಬಲ ಬಾಣ 2\ಪಠ್ಯ{Ag}
\]
ಒಟ್ಟು ಜೀವಕೋಶ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
ಉದಾಹರಣೆ ಪ್ರಶ್ನೆ 3
ಪ್ರಶ್ನೆ:
Al³⁺ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳು ಮತ್ತು Ni | Ni²⁺ ವಿದ್ಯುದ್ವಾರಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುವ ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶಕ್ಕೆ 25°C ನಲ್ಲಿ Al³⁺ ನ ಸಾಂದ್ರತೆಯು 0.001 M ಆಗಿದ್ದರೆ ಮತ್ತು Ni²⁺ ನ ಸಾಂದ್ರತೆಯು 1 M ಆಗಿದ್ದರೆ ಕೋಶದ ವಿಭವವನ್ನು ಲೆಕ್ಕಹಾಕಿ. Al³⁺ | Al ಗೆ \(E°\) -1.66 V ಮತ್ತು Ni²⁺ | Ni ಗೆ \(E°\) -0.23 V ಎಂದು ತಿಳಿದಿದೆ.
ಚರ್ಚೆ :
ಮೊದಲು, ಆನೋಡ್ ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಅನ್ನು ನಿರ್ಧರಿಸಿ:
– Al³⁺/Al ನ ಕಡಿತ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವು Ni²⁺/Ni (-0.23 V) ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಋಣಾತ್ಮಕ (-1.66 V), ಆದ್ದರಿಂದ Al ಆನೋಡ್ ಮತ್ತು Ni ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಆಗಿದೆ.
ಪ್ರಮಾಣಿತ ಕೋಶ ವಿಭವವನ್ನು ಈ ಕೆಳಗಿನಂತೆ ಲೆಕ್ಕಹಾಕಲಾಗುತ್ತದೆ:
\[
ಇ ° ಕೋಶ = ಇ ° ಕ್ಯಾಥೋಡ್ - ಇ ° ಆನೋಡ್
\]
\[
E° ಕೋಶ = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E° ಕೋಶ = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°ಸೆಲ್ = 1.43 V
\]
ಮುಂದೆ, ಪ್ರಮಾಣಿತವಲ್ಲದ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ ಜೀವಕೋಶದ ವಿಭವವನ್ನು ಲೆಕ್ಕಾಚಾರ ಮಾಡಲು ನಾವು ನೆರ್ನ್ಸ್ಟ್ ಸಮೀಕರಣವನ್ನು ಬಳಸುತ್ತೇವೆ:
\[
E_{ಕೋಶ} = E°ಕೋಶ – \ಎಡ( \frac{RT}{nF} \ಬಲ) \ln Q
\]
ಇಲ್ಲಿ \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R ಅನಿಲ ಸ್ಥಿರಾಂಕ (8.314 J/mol·K), T ಕೆಲ್ವಿನ್‌ನಲ್ಲಿನ ತಾಪಮಾನ (25°C ನಲ್ಲಿ 298 K), F ಫ್ಯಾರಡೆ ಸ್ಥಿರಾಂಕ (96485 C/mol), ಮತ್ತು n ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳ ಸಂಖ್ಯೆ (Al³⁺ ಮತ್ತು Ni²⁺ ಒಳಗೊಂಡ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಳಿಗೆ 6).
ತಿಳಿದಿರುವ ಮೌಲ್ಯಗಳನ್ನು ಸಮೀಕರಣಕ್ಕೆ ಬದಲಿಸಿ:
\[
ಪ್ರಶ್ನೆ = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.43 V – \ಎಡ( \frac{2477.172}{578910} \ಬಲ) \ln 0.001
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{ಕೋಶ} = 1.4595 V
\]
ಆದ್ದರಿಂದ, ಈ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಜೀವಕೋಶದ ವಿಭವವು ಸುಮಾರು 1.46 V ಆಗಿದೆ.
ತೀರ್ಮಾನ
ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶವು ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಕೆಮಿಸ್ಟ್ರಿಯಲ್ಲಿ ರಾಸಾಯನಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ವಿದ್ಯುತ್ ಶಕ್ತಿಯನ್ನಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಒಂದು ಮೂಲಭೂತ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಯಾಗಿದೆ. ಈ ಲೇಖನವು ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶ ಸಿದ್ಧಾಂತದ ಮೂಲಭೂತ ಅಂಶಗಳನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸಿದೆ ಮತ್ತು ಜೀವಕೋಶದ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಲೆಕ್ಕಾಚಾರ ಮಾಡುವ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಸ್ಪಷ್ಟಪಡಿಸಲು ಸಹಾಯ ಮಾಡುವ ಉದಾಹರಣೆಗಳನ್ನು ಒದಗಿಸಿದೆ. ಈ ತಿಳುವಳಿಕೆಯೊಂದಿಗೆ, ಓದುಗರು ವಿವಿಧ ಸಂದರ್ಭಗಳಲ್ಲಿ ವೋಲ್ಟಾಯಿಕ್ ಕೋಶಗಳು ಮತ್ತು ಅವುಗಳ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳ ಉತ್ತಮ ಗ್ರಹಿಕೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತಾರೆ ಎಂದು ಆಶಿಸಲಾಗಿದೆ.
