Jautājumu piemēri par volta elementiem
Pendahuluan
Galvaniskā šūna, kas pazīstama arī kā galvaniskā šūna, ir ierīce, kas ķīmisko enerģiju pārveido elektriskajā enerģijā, izmantojot redoksreakciju (oksidācijas-reducēšanas) reakciju. Galvaniskā šūna sastāv no diviem elektrodiem, kas parasti ir izgatavoti no atšķirīgiem metāliem, iegremdēti elektrolītā un savienoti ar sāls tiltiņu. Šajā rakstā mēs apspriedīsim vairākus ar galvaniskajām šūnām saistītus piemērus, lai padziļinātu izpratni par to darbības principiem un to, kā aprēķināt šūnas potenciālu.
Voltaisko šūnu pamatteorija
Pirms pāriet pie piemēru problēmām, ir svarīgi saprast Volta elementa pamatjēdzienus un komponentus:
1. Anods un katods: Voltālajā šūnā anods ir elektrods, kurā notiek oksidēšanās, un katods ir elektrods, kurā notiek reducēšanās. Anodam ir negatīvs lādiņš, bet katodam ir pozitīvs lādiņš.
2. Elektronu ceļš: Elektroni plūst no anoda uz katodu caur ārēju ķēdi, radot elektrisko strāvu.
3. Šūnas potenciāls (E°cell): Šūnas potenciāls ir potenciālu starpība starp diviem elektrodiem. Standarta šūnas potenciālu (E°cell) var aprēķināt, izmantojot formulu:
\[
E°šūna = E°katods – E°anods
\]
kur \(E°katods\) un \(E°anods\) ir katoda un anoda standarta redukcijas potenciāli.
4. Sāls tilts: Šis tilts līdzsvaro jonu lādiņus abos elektrolītu šķīdumos, ļaujot joniem pārvietoties.
Parauga jautājumi un diskusija
Lai precizētu šos jēdzienus, apsveriet dažus problēmu piemērus.
1. jautājuma piemērs
Jautājums:
Aprēķiniet Volta elementa standarta potenciālu, kas sastāv no Zn | Zn²⁺ (aq) elektrodiem un Cu | Cu²⁺ (aq) elektrodiem. Ir zināms, ka standarta redukcijas potenciāls \(E°\) Zn²⁺ | Zn ir -0.76 V un \(E°\) Cu²⁺ | Cu ir +0.34 V.
Diskusija:
Pirmais solis ir noteikt, kurš ir anods un katods.
Zn ir negatīvāks reducēšanas potenciāls (-0.76 V) nekā Cu (+0.34 V), tāpēc Zn darbosies kā anods (oksidācijas vieta), bet Cu - kā katods (reducēšanas vieta).
Tālāk mēs izmantojam formulu:
\[
E°šūna = E°katods – E°anods
\]
Aizstājiet zināmās vērtības:
\[
E°šūna = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°šūna = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°šūna = 1.10 V
\]
Tātad standarta šūnas potenciāls ir 1.10 V.
2. jautājuma piemērs
Jautājums:
Voltālais elements ir izgatavots no Fe | Fe²⁺ elektrodiem un Ag | Ag⁺ elektrodiem. Standarta redukcijas potenciāls Fe²⁺ | Fe ir -0.44 V un Ag⁺ | Ag ir +0.80 V. Aprēķiniet standarta elementa potenciālu un uzrakstiet elementa reakciju.
Diskusija:
Tāpat kā iepriekš, mums jānosaka anods un katods. Tā kā Fe²⁺/Fe redukcijas potenciāls ir negatīvāks nekā Ag⁺/Ag, Fe darbosies kā anods, bet Ag kā katods.
Izmantojiet formulu:
\[
E°šūna = E°katods – E°anods
\]
\[
E°šūna = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°šūna = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°šūna = 1.24 V
\]
Standarta šūnas potenciāls ir 1.24 V.
Kopējai šūnu reakcijai mēs apvienojam oksidācijas un reducēšanas reakcijas:
– Reakcija pie anoda: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Reakcija pie katoda: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Elektronu skaita līdzsvarošana abās reakcijās:
\[
\text{Fe} \rightbult\text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-}
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightbult 2\text{Ag}
\]
Kopējā šūnu reakcija:
\[
\\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightbult\text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
3. jautājuma piemērs
Jautājums:
Aprēķiniet šūnas potenciālu 25°C temperatūrā Volta tipa šūnai, kas sastāv no Al | Al³⁺ elektrodiem un Ni | Ni²⁺ elektrodiem, ja Al³⁺ koncentrācija ir 0.001 M un Ni²⁺ koncentrācija ir 1 M. Ir zināms, ka Al³⁺ | Al \(E°\) ir -1.66 V un Ni²⁺ | Ni ir -0.23 V.
Diskusija:
Vispirms nosakiet anodu un katodu:
– Al³⁺/Al redukcijas potenciāls ir negatīvāks (-1.66 V) nekā Ni²⁺/Ni (-0.23 V), tāpēc Al ir anods un Ni ir katods.
Standarta šūnu potenciālu aprēķina šādi:
\[
E°šūna = E°katods – E°anods
\]
\[
E°šūna = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°šūna = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°šūna = 1.43 V
\]
Tālāk mēs izmantojam Nernsta vienādojumu, lai aprēķinātu šūnas potenciālu nestandarta apstākļos:
\[
E_{šūna} = E°šūna – ∫( ∫frac{RT}{nF}) ∫ln Q
\]
Kur \(Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R ir gāzes konstante (8.314 J/mol·K), T ir temperatūra kelvinos (298 K pie 25°C), F ir Faradeja konstante (96485 C/mol) un n ir elektronu skaits (6 reakcijām, kurās iesaistīti Al³⁺ un Ni²⁺).
Aizvietojiet zināmās vērtības vienādojumā:
\[
Q = ∫\frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{šūna} = 1.43 V – (8.314 x 298}{6 x 96485) ≤ 0.001
\]
\[
E_{šūna} = 1.43 V – (\frac{2477.172}{578910}) \ln 0.001
\]
\[
E_{šūna} = 1.43 V – (0.00428) ≈ 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{šūna} = 1.43 V – (0.00428 x -6.907)
\]
\[
E_{šūna} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{šūna} = 1.4595 V
\]
Tātad, šūnas potenciāls šajā stāvoklī ir aptuveni 1.46 V.
Secinājums
Volta elements ir elektroķīmijas pamatjēdziens, kas ķīmisko enerģiju pārvērš elektriskajā enerģijā. Šajā rakstā ir iepazīstināts ar volta elementu teorijas pamatiem un sniegti piemēri, kas palīdz skaidrot elementa potenciāla aprēķināšanas procesu. Ar šo izpratni lasītāji, cerams, labāk izpratīs volta elementus un to pielietojumu dažādos kontekstos.
