Pavyzdiniai klausimai apie Volta elementus
Pendahuluanas
Galvaninis elementas, dar žinomas kaip galvaninis elementas, yra įrenginys, kuris cheminę energiją paverčia elektros energija per redokso (oksidacijos-redukcijos) reakciją. Galvaninį elementą sudaro du elektrodai, paprastai pagaminti iš skirtingų metalų, panardinti į elektrolitą ir sujungti druskos tilteliu. Šiame straipsnyje aptarsime keletą su galvaniniais elementais susijusių pavyzdžių, kad geriau suprastume jų veikimo principus ir kaip apskaičiuoti elemento potencialą.
Voltainių elementų pagrindinė teorija
Prieš pereinant prie pavyzdinių problemų, svarbu suprasti pagrindines Voltos elemento sąvokas ir komponentus:
1. Anodas ir katodas: Voltiniame elemente anodas yra elektrodas, kuriame vyksta oksidacija, o katodas – elektrodas, kuriame vyksta redukcija. Anodas turi neigiamą krūvį, o katodas – teigiamą.
2. Elektronų kelias: Elektronai teka iš anodo į katodą per išorinę grandinę, sukurdami elektros srovę.
3. Elemento potencialas (E°cell): Elemento potencialas yra potencialų skirtumas tarp dviejų elektrodų. Standartinį elemento potencialą (E°cell) galima apskaičiuoti pagal formulę:
\[
E° elementas = E° katodas – E° anodas
\]
kur \(E°katodas\) ir \(E°anodas\) yra standartiniai katodo ir anodo redukcijos potencialai.
4. Druskos tiltas: šis tiltas subalansuoja jonų krūvius abiejuose elektrolitų tirpaluose, leisdamas jonams judėti.
Pavyzdiniai klausimai ir diskusija
Norėdami paaiškinti šias sąvokas, aptarkime keletą problemų pavyzdžių.
1 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Apskaičiuokite Volta elemento, sudaryto iš Zn | Zn²⁺ (aq) elektrodų ir Cu | Cu²⁺ (aq) elektrodų, standartinį elemento potencialą. Yra žinoma, kad standartinis redukcijos potencialas \(E°\) Zn²⁺ | Zn yra -0.76 V, o \(E°\) Cu²⁺ | Cu yra +0.34 V.
Diskusija:
Pirmas žingsnis – nustatyti, kuris iš jų yra anodas, o kuris – katodas.
Zn turi neigiamą redukcijos potencialą (-0.76 V) nei Cu (+0.34 V), todėl Zn veiks kaip anodas (oksidacijos vieta), o Cu – kaip katodas (redukcijos vieta).
Toliau naudojame formulę:
\[
E° elementas = E° katodas – E° anodas
\]
Pakeiskite žinomas vertes:
\[
E°elementas = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°celė = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°celė = 1.10 V
\]
Taigi, standartinis elemento potencialas yra 1.10 V.
2 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Voltinis elementas sudarytas iš Fe | Fe²⁺ ir Ag | Ag⁺ elektrodų. Standartinis Fe²⁺ | Fe redukcijos potencialas yra -0.44 V, o Ag⁺ | Ag – +0.80 V. Apskaičiuokite standartinį elemento potencialą ir užrašykite elemento reakciją.
Diskusija:
Kaip ir anksčiau, turime nustatyti anodą ir katodą. Kadangi Fe²⁺/Fe redukcijos potencialas yra neigiamesnis nei Ag⁺/Ag, Fe veiks kaip anodas, o Ag – kaip katodas.
Naudokite formulę:
\[
E° elementas = E° katodas – E° anodas
\]
\[
E°elementas = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°celė = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°celė = 1.24 V
\]
Standartinis elemento potencialas yra 1.24 V.
Bendrai ląstelės reakcijai sujungiame oksidacijos ir redukcijos reakcijas:
– Reakcija anode: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Reakcija katode: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Abiejose reakcijose elektronų skaičiaus balansavimas:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Bendra ląstelių reakcija:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
3 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Apskaičiuokite Voltos elemento, sudaryto iš Al | Al³⁺ ir Ni | Ni²⁺ elektrodų, potencialą esant 25 °C temperatūrai, jei Al³⁺ koncentracija yra 0.001 M, o Ni²⁺ koncentracija yra 1 M. Yra žinoma, kad Al³⁺ | Al \(E°\) yra -1.66 V, o Ni²⁺ | Ni yra -0.23 V.
Diskusija:
Pirmiausia nustatykite anodą ir katodą:
– Al³⁺/Al redukcijos potencialas yra neigiamesnis (-1.66 V) nei Ni²⁺/Ni (-0.23 V), todėl Al yra anodas, o Ni – katodas.
Standartinis ląstelės potencialas apskaičiuojamas taip:
\[
E° elementas = E° katodas – E° anodas
\]
\[
E°elementas = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°cel = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°celė = 1.43 V
\]
Toliau, naudodami Nernsto lygtį, apskaičiuosime ląstelės potencialą nestandartinėmis sąlygomis:
\[
E_{cell} = E°cell – ∫( ∫frac{RT}{nF}) ∫ln Q
\]
Čia \(Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R yra dujų konstanta (8.314 J/mol·K), T yra temperatūra kelvinais (298 K esant 25 °C), F yra Faradėjaus konstanta (96485 C/mol), o n yra elektronų skaičius (6 reakcijoms, kuriose dalyvauja Al³⁺ ir Ni²⁺).
Į lygtį įrašykite žinomas vertes:
\[
Q = ∫\frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – ∫(∫(8.314 × 298}{6 × 96485)) ∫(0.001)
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (\frac{2477.172}{578910}) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) ≈ 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 × -6.907)
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cell} = 1.4595 V
\]
Taigi, ląstelės potencialas šioje būsenoje yra apie 1.46 V.
Išvada
Voltos elementas yra pagrindinė elektrochemijos sąvoka, kuri cheminę energiją paverčia elektros energija. Šiame straipsnyje pristatyti Voltos elementų teorijos pagrindai ir pateikti pavyzdžiai, padedantys paaiškinti elemento potencialo skaičiavimo procesą. Tikimės, kad tai supratę skaitytojai geriau supras Voltos elementus ir jų pritaikymą įvairiuose kontekstuose.
