Электрохимия боюнча талкуу суроолорунун мисалы
Электрохимия - химиялык реакциялар менен электр энергиясынын өзгөрүшүнүн ортосундагы байланышты изилдеген химиянын бир тармагы. Электрохимияда эки негизги түшүнүк бар: кычкылдануу (электрондордун бөлүнүп чыгышы) жана калыбына келүү (электрондордун кошулушу). Бул процесстерди эки түрдөгү электрохимиялык клеткаларда байкоого болот: вольттук клеткаларда (гальваникалык клеткалар) жана электролиттик клеткалар. Төмөндө электрохимияны түшүнүүгө жардам берүү үчүн кээ бир мисал маселелер жана алардын түшүндүрмөлөрү келтирилген.
1-мисал суроо: Вольтаикалык элемент
Суроо:
Туз көпүрөсү аркылуу туташтырылган цинк (Zn) жана жез (Cu) электроддору бар вольттук элемент берилген. Zn 1 М ZnSO4 эритмесине, ал эми Cu 1 М CuSO4 эритмесине батырылат. Ар бир электроддо жүрүүчү реакцияларды жазып, вольттук элементтин потенциалдар айырмасын (ЭКК) эсептегиле. Стандарттык электроддук потенциал маалыматтары:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Талкуу:
Биринчи кадам - жүрүүчү кычкылдануу-калыбына келүү реакциясын аныктоо. Вольтаикалык клеткада спонтандык кычкылдануу-калыбына келүү реакциясы жүрөт, мында
– Цинк (Zn) кычкылданууга дуушар болот:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Жез (Cu) калыбына келүүгө дуушар болот:
\[ \text{Cu}^{2+} (ак) + 2e^- \оң жебе \text{Cu (s)} \]
Вольваикалык клеткадагы жалпы кычкылдануу-калыбына келүү реакциясы:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
Андан кийин, биз клетканын потенциал айырмасын эсептейбиз:
\[ E_{\текст{уяча}} = E^o_{\текст{катод}} – E^o_{\текст{анод}} \]
Димана:
– Катод – бул калыбына келүү (Cu) жүрүүчү электрод.
– Анод – бул кычкылдануу (Zn) жүрүүчү электрод.
Демек,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Кесимпулан:
– Аноддо (Zn) жүрүүчү реакция:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Катоддо (Cu) жүрүүчү реакция:
\[ \text{Cu}^{2+} (ак) + 2e^- \оң жебе \text{Cu (s)} \]
– Уюлдук потенциалдардын айырмасы (ЭМФ): 1.10 В
-
2-мисал суроо: Электролиттик клетка
Суроо:
NaCl эритмесинин электролизинде, платина (Pt) сыяктуу инерттүү электрод колдонулганда катоддо жана аноддо жүрүүчү реакцияларды айткыла. 1 грамм Cl2 өндүрүү үчүн талап кылынган жалпы зарядды эсептегиле. (Ar Cl = 35.5)
Талкуу:
Биринчи кадам - NaCl туз эритмесиндеги ар бир электроддо жүрүүчү реакцияларды жазуу.
– Катоддо (калыбына келтирүү):
Бул процессте суудан Н+ иондору калыбына келет:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \оң жебе H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Аноддо (кычкылдануу):
Cl- иону Cl2 газына айлануу үчүн кычкылданууга дуушар болот:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
Жалпы реакция:
Ошентип, NaCl эритмесинин электролизинде жүрүүчү жалпы реакция төмөнкүдөй:
\[ 2NaCl(ак) + 2H_2O(l) \оң жебе 2NaOH(ак) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
1 грамм Cl2 өндүрүү үчүн талап кылынган зарядды эсептөө үчүн, биз Cl2 молдорунун санын аныкташыбыз керек:
\[ \text{Cl массасы}_2 = 1 \text{ грамм} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ грамм/моль} \]
\[ \text{Cl2 мольдеринин саны}_2 = \frac{1}{71} \text{mol} \]
Аноддогу реакция теңдемесинин негизинде, 2 моль электрондон 1 моль Cl2 пайда болот:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Башкача айтканда, 1 мол Cl2 үчүн 2 мол электрон талап кылынат.
Электрондордун моль саны:
\[ \text{Электрондордун моль саны} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{mol} \]
Керектүү зарядды Фарадей маанисин (F = 96485 C/моль e^-) колдонуу менен эсептөөгө болот:
\[ Q = n \убакыт F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Кесимпулан:
– Катоддогу реакция:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \оң жебе H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Аноддогу реакция:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– 1 грамм Cl2 өндүрүү үчүн талап кылынган жалпы заряд 2718 C түзөт.
-
3-мисал: Нернст мамилеси жана стандарттуу эмес шарттар
Суроо:
Күмүш ионунун концентрациясы 0.1 М болгон Ag/Ag+ электроддорунан жана концентрациясы 0.01 М болгон Zn/Zn2+ электроддорунан жасалган вольттук элементтин потенциалын эсептегиле. Стандарттык электроддук потенциал төмөнкүдөй:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Талкуу:
Биринчи кадам - пайда болгон реакцияларды жазуу:
– Аноддогу (Zn) кычкылдануу:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Катоддогу калыбына келүү (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag(s)} \]
Жалпы реакция:
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag(s)} \]
Нернст теңдемесинин негизинде:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
Димана:
\[ n = 2 \]
Алгач, E^o_{\text{Sel}} эсептеңиз:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Андан кийин, берилген концентрациядагы клетканын чыныгы потенциалын эсептеңиз:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Кесимпулан:
– Аноддо жана катоддо жүрүүчү реакциялар ошол бойдон калат
– Берилген концентрациядагы клетканын потенциалы 1.56 В түзөт
Бул макалада электрохимиядагы бир нече типтеги маселелерди, анын ичинде вольттук элементтерди, электролиттик элементтерди камтыган маселелерди жана Нернст теңдемесин колдонуу менен эсептөөлөрдү кантип чечүү керектиги көрсөтүлгөн. Кычкылдануу-калыбына келүү реакцияларынын принциптерин терең түшүнүү жана электрохимиялык маалыматтарды колдоно билүү бул типтеги маселелерди ийгиликтүү чечүү үчүн абдан маанилүү.
