വോൾട്ടെയ്ക് സെല്ലുകളെ ചർച്ച ചെയ്യുന്ന ഉദാഹരണ ചോദ്യങ്ങൾ
പെൻഡഹുലുവൻ
ഗാൽവാനിക് സെൽ എന്നും അറിയപ്പെടുന്ന ഒരു വോൾട്ടായിക് സെൽ, ഒരു റെഡോക്സ് (ഓക്സിഡേഷൻ-റിഡക്ഷൻ) പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിലൂടെ രാസോർജ്ജത്തെ വൈദ്യുതോർജ്ജമാക്കി മാറ്റുന്ന ഒരു ഉപകരണമാണ്. ഒരു വോൾട്ടായിക് സെല്ലിൽ രണ്ട് ഇലക്ട്രോഡുകൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു, സാധാരണയായി വ്യത്യസ്ത ലോഹങ്ങൾ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ചവ, ഒരു ഇലക്ട്രോലൈറ്റിൽ മുക്കി ഒരു ഉപ്പ് പാലം വഴി ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. വോൾട്ടായിക് സെല്ലുകളുടെ പ്രവർത്തന തത്വങ്ങളെക്കുറിച്ചും സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ എങ്ങനെ കണക്കാക്കാമെന്നതിനെക്കുറിച്ചും കൂടുതൽ മനസ്സിലാക്കുന്നതിനായി, ഈ ലേഖനത്തിൽ, വോൾട്ടായിക് സെല്ലുകളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട നിരവധി ഉദാഹരണങ്ങൾ നമ്മൾ ചർച്ച ചെയ്യും.
വോൾട്ടായിക് കോശങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാന സിദ്ധാന്തം
ഉദാഹരണ പ്രശ്നങ്ങളിലേക്ക് കടക്കുന്നതിനു മുമ്പ്, ഒരു വോൾട്ടെയ്ക് സെൽ നിർമ്മിക്കുന്ന അടിസ്ഥാന ആശയങ്ങളും ഘടകങ്ങളും മനസ്സിലാക്കേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്:
1. ആനോഡും കാഥോഡും: ഒരു വോൾട്ടായിക് സെല്ലിൽ, ഓക്സിഡേഷൻ സംഭവിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോഡാണ് ആനോഡ്, റിഡക്ഷൻ സംഭവിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോഡാണ് കാഥോഡ്. ആനോഡിന് നെഗറ്റീവ് ചാർജും കാഥോഡിന് പോസിറ്റീവ് ചാർജും ഉണ്ട്.
2. ഇലക്ട്രോൺ പാത: ആനോഡിൽ നിന്ന് കാഥോഡിലേക്ക് ഒരു ബാഹ്യ സർക്യൂട്ട് വഴി ഇലക്ട്രോണുകൾ പ്രവഹിക്കുകയും ഒരു വൈദ്യുത പ്രവാഹം സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.
3. സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ (E°സെൽ): രണ്ട് ഇലക്ട്രോഡുകൾ തമ്മിലുള്ള പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസമാണ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ. ഫോർമുല ഉപയോഗിച്ച് സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ (E°സെൽ) കണക്കാക്കാം:
\[
E° സെൽ = E° കാഥോഡ് – E° ആനോഡ്
\]
ഇവിടെ \(E°cathode\) ഉം \(E°anode\) ഉം കാഥോഡിന്റെയും ആനോഡിന്റെയും സ്റ്റാൻഡേർഡ് റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യലുകളാണ്.
4. സാൾട്ട് ബ്രിഡ്ജ്: അയോണുകളുടെ ചലനം അനുവദിച്ചുകൊണ്ട് രണ്ട് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ലായനികളിലെയും അയോൺ ചാർജുകളെ സന്തുലിതമാക്കുന്ന പാലമാണിത്.
സാമ്പിൾ ചോദ്യങ്ങളും ചർച്ചയും
ഈ ആശയങ്ങൾ വ്യക്തമാക്കുന്നതിന്, ചില ഉദാഹരണ പ്രശ്നങ്ങൾ ചർച്ച ചെയ്യാം.
ഉദാഹരണം ചോദ്യം 1
ചോദ്യം :
Zn | Zn²⁺ (aq) ഇലക്ട്രോഡുകളും Cu | Cu²⁺ (aq) ഇലക്ട്രോഡുകളും അടങ്ങുന്ന ഒരു വോൾട്ട സെല്ലിന്റെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ കണക്കാക്കുക. Zn²⁺ | Zn ന്റെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ \(E°\) -0.76 V ഉം Cu²⁺ | Cu യുടെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ \(E°\) +0.34 V ഉം ആണെന്ന് അറിയാം.
ചർച്ച :
ആനോഡും കാഥോഡും ഏതാണെന്ന് നിർണ്ണയിക്കുക എന്നതാണ് ആദ്യപടി.
Cu (+0.34 V) നെ അപേക്ഷിച്ച് Zn ന് നെഗറ്റീവ് റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ (-0.76 V) കൂടുതലാണ്, അതിനാൽ Zn ആനോഡ് (ഓക്സിഡേഷൻ സൈറ്റ്) ആയും Cu കാഥോഡ് (റിഡക്ഷൻ സൈറ്റ്) ആയും പ്രവർത്തിക്കും.
അടുത്തതായി, ഞങ്ങൾ ഫോർമുല ഉപയോഗിക്കുന്നു:
\[
E° സെൽ = E° കാഥോഡ് – E° ആനോഡ്
\]
അറിയപ്പെടുന്ന മൂല്യങ്ങൾ മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുക:
\[
E°സെൽ = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°സെൽ = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°സെൽ = 1.10 V
\]
അപ്പോൾ, സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ 1.10 V ആണ്.
ഉദാഹരണം ചോദ്യം 2
ചോദ്യം :
ഒരു വോൾട്ടായിക് സെൽ Fe | Fe²⁺ ഇലക്ട്രോഡുകളും Ag | Ag⁺ ഇലക്ട്രോഡുകളും ചേർന്നതാണ്. Fe²⁺ | Fe യുടെ സ്റ്റാൻഡേർഡ് റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ -0.44 V ഉം Ag⁺ | Ag ന് +0.80 V ഉം ആണ്. സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ കണക്കാക്കി സെൽ റിയാക്ഷൻ എഴുതുക.
ചർച്ച :
മുമ്പത്തെപ്പോലെ, നമ്മൾ ആനോഡും കാഥോഡും നിർണ്ണയിക്കേണ്ടതുണ്ട്. Fe²⁺/Fe യുടെ റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ Ag⁺/Ag യെക്കാൾ കൂടുതൽ നെഗറ്റീവ് ആയതിനാൽ, Fe ആനോഡായും Ag കാഥോഡായും പ്രവർത്തിക്കും.
ഫോർമുല ഉപയോഗിക്കുക:
\[
E° സെൽ = E° കാഥോഡ് – E° ആനോഡ്
\]
\[
E°സെൽ = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°സെൽ = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°സെൽ = 1.24 V
\]
സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ 1.24 V ആണ്.
മൊത്തത്തിലുള്ള കോശ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിനായി, നമ്മൾ ഓക്സീകരണ, റിഡക്ഷൻ പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങൾ സംയോജിപ്പിക്കുന്നു:
– ആനോഡിലെ പ്രതികരണം: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– കാഥോഡിലെ പ്രതിപ്രവർത്തനം: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
രണ്ട് പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളിലും ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം സന്തുലിതമാക്കുക:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
ആകെ കോശ പ്രതികരണം:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
ഉദാഹരണം ചോദ്യം 3
ചോദ്യം :
Al³⁺ ന്റെ സാന്ദ്രത 0.001 M ഉം Ni²⁺ ന്റെ സാന്ദ്രത 1 M ഉം ആണെങ്കിൽ, Al | Al³⁺ ഇലക്ട്രോഡുകളും Ni | Ni²⁺ ഇലക്ട്രോഡുകളും അടങ്ങിയ ഒരു വോൾട്ടെയ്ക് സെല്ലിന് 25°C-ൽ സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ കണക്കാക്കുക. Al³⁺ | Al ന് \(E°\) -1.66 V ഉം Ni²⁺ | Ni ന് \(E°\) -0.23 V ഉം ആണെന്ന് അറിയാം.
ചർച്ച :
ആദ്യം, ആനോഡും കാഥോഡും നിർണ്ണയിക്കുക:
– Al³⁺/Al ന്റെ റിഡക്ഷൻ പൊട്ടൻഷ്യൽ Ni²⁺/Ni (-0.23 V) നേക്കാൾ കൂടുതൽ നെഗറ്റീവ് (-1.66 V) ആണ്, അതിനാൽ Al ആനോഡും Ni കാഥോഡും ആണ്.
സ്റ്റാൻഡേർഡ് സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ ഇങ്ങനെ കണക്കാക്കുന്നു:
\[
E° സെൽ = E° കാഥോഡ് – E° ആനോഡ്
\]
\[
E°സെൽ = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°സെൽ = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°സെൽ = 1.43 V
\]
അടുത്തതായി, നിലവാരമില്ലാത്ത സാഹചര്യങ്ങളിൽ സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ കണക്കാക്കാൻ നമ്മൾ നെർൺസ്റ്റ് സമവാക്യം ഉപയോഗിക്കുന്നു:
\[
E_{സെൽ} = E°സെൽ – \ഇടത്( \frac{RT}{nF} \വലത്) \ln Q
\]
ഇവിടെ \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R എന്നത് വാതക സ്ഥിരാങ്കമാണ് (8.314 J/mol·K), T എന്നത് കെൽവിനിലെ താപനിലയാണ് (25°C-ൽ 298 K), F എന്നത് ഫാരഡെ സ്ഥിരാങ്കമാണ് (96485 C/mol), n എന്നത് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണമാണ് (Al³⁺, Ni²⁺ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്ന പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങൾക്ക് 6).
അറിയപ്പെടുന്ന മൂല്യങ്ങൾ സമവാക്യത്തിലേക്ക് മാറ്റിസ്ഥാപിക്കുക:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.43 V – \ഇടത്( \frac{2477.172}{578910} \വലത്) \ln 0.001
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{സെൽ} = 1.4595 V
\]
അതിനാൽ, ഈ അവസ്ഥയിലെ സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ ഏകദേശം 1.46 V ആണ്.
ഉപസംഹാരം
രാസോർജ്ജത്തെ വൈദ്യുതോർജ്ജമാക്കി മാറ്റുന്ന ഇലക്ട്രോകെമിസ്ട്രിയിലെ ഒരു അടിസ്ഥാന ആശയമാണ് വോൾട്ടായിക് സെൽ. ഈ ലേഖനം വോൾട്ടായിക് സെൽ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ അടിസ്ഥാനകാര്യങ്ങൾ പരിചയപ്പെടുത്തുകയും സെൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ കണക്കാക്കുന്ന പ്രക്രിയ വ്യക്തമാക്കാൻ സഹായിക്കുന്ന ഉദാഹരണങ്ങൾ നൽകുകയും ചെയ്തിട്ടുണ്ട്. ഈ ധാരണയോടെ, വായനക്കാർക്ക് വോൾട്ടായിക് സെല്ലുകളെയും വിവിധ സന്ദർഭങ്ങളിൽ അവയുടെ പ്രയോഗങ്ങളെയും കുറിച്ച് മികച്ച ഗ്രാഹ്യം ലഭിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.
