Электродын потенциалыг хэмжих жишээ асуултуудын хэлэлцүүлэг
Электродын потенциалыг хэмжих нь электрохимийн чухал тал юм. Электрохими бол химийн урвал ба цахилгаан хоорондын хамаарлыг судалдаг химийн салбар юм. Электродын потенциалыг хэмжих чадвар нь ялангуяа батерей, зэврэлт, электролиз зэрэг хэрэглээнд маш чухал юм. Энэ нийтлэлд бид электродын потенциалыг хэмжих хүрээнд хэд хэдэн жишээ асуудал болон тэдгээрийн шийдлүүдийг авч үзэх болно.
Электродын потенциалыг ойлгох
Электродын потенциал буюу эсийн потенциал нь электрохимийн элемент дэх хоёр электродын хоорондох цахилгаан потенциалын зөрүү юм. Үүнийг ханасан каломель электрод (SCE) эсвэл мөнгө/мөнгөний хлорид (Ag/AgCl) электрод зэрэг стандарт лавлах потенциалыг ашиглах зэрэг янз бүрийн аргаар хэмжиж болно. Стандарт потенциал нь бусад электродуудын потенциалыг хэмжих, харьцуулах жишиг болж өгдөг.
Үндсэн томъёо
Стандарт нөхцөлд эсийн потенциал (\( E_{\text{sel}} \))-г дараах томъёогоор илэрхийлж болно:
\[ E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{cathode}}^\circ – E_{\text{anod}}^\circ \]
эсвэл
\[ E_{\текст{нүд}} = E_{\текст{катод}} – E_{\текст{анод}} \]
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Жишээ асуулт 1: Гальваник элементийн потенциалыг хэмжих нь
Асуулт:
Цайрын (Zn) электрод болон зэсийн (Cu) электродоос бүрдсэн гальваник элемент өгөгдсөн бөгөөд тус бүр нь ZnSO₄ болон CuSO₄ уусмалд дүрэгдсэн. Цайрын стандарт электродын потенциал (E°) нь -0.76 В, зэс нь +0.34 В байна. Элементийн потенциалыг тооцоолж, электрон урсгалын чиглэлийг тодорхойлно уу.
Хариулт:
Эхний алхам бол анод болон катодыг тодорхойлох явдал юм. Электрохимийн хувьд анод нь исэлдэлт (электрон ялгаруулах) явагддаг газар, катод нь бууралт (электрон хүлээн авах) явагддаг газар юм.
– Цайр (Zn) электродууд исэлдэх хандлагатай байдаг:
\[
\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^- \quad (E^\circ = -0.76 \text{ V})
\]
– Зэс (Cu) электродууд нь бууралтад орох хандлагатай байдаг:
\[
\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu} \quad (E^\circ = +0.34 \text{ V})
\]
Эсийн потенциалын томъёог ашиглан:
\[
E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{катод}}^\circ – E_{\text{анод}}^\circ
= 0.34 \text{ V} – (-0.76 \text{ V})
= 0.34 \text{ V} + 0.76 \text{ V}
= 1.10 \text{ V}
\]
Электрон урсгалын чиглэл нь цайрын электрод (анод)-оос зэсийн электрод (катод) руу чиглэнэ.
Жишээ асуулт 2: Стандарт бус эсийн потенциал
Асуулт:
Электрохимийн элементийг 0.1 М AgNO₃ уусмал дахь мөнгөн (Ag) электрод болон 0.01 М ZnSO₄ уусмал дахь цайрын (Zn) электродоор хийдэг. Мөнгөний стандарт потенциал нь +0.80 В, цайрынх нь -0.76 В байна. Нернстийн тэгшитгэлийг ашиглан стандарт бус нөхцөлд элементийн потенциалыг тооцоол.
Хариулт:
Нернстийн тэгшитгэлийг дараах байдлаар өгнө.
\[
E = E^\circ – \frac{RT}{nF} \ln Q
\]
Хаана:
– \( E^\circ \) нь стандарт эсийн потенциал,
– \( R \) нь бүх нийтийн хийн тогтмол (8.314 Ж/моль К),
– \( T \) нь Келвинээр хэмжсэн температур (жишээ нь 298 K),
– \( n \) нь дамжуулагдсан электронуудын молийн тоо,
– \( F \) нь Фарадейгийн тогтмол (96485 C/моль),
– \( Q \) нь урвалын коэффициент юм.
Эсийн урвал:
\[
\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2 \text{e}^- \quad (анод)
\]
\[
\text{Ag}^{+} + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \quad (катод)
\]
Дараа нь нийт урвалыг бичнэ үү:
\[
\text{Zn} + 2\text{Ag}^{+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
n=2 (хоёр электрон дамжуулагдсан) гэдгийг анхаарна уу. \( Q \ )-ийн утгыг тооцоолно уу:
\[
Q = \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^+]^2} = \frac{0.01}{(0.1)^2} = \frac{0.01}{0.01} = 1
\]
\(\ln 1 = 0\) тул Нернстийн тэгшитгэл:
\[
E = E^\circ – \frac{RT}{nF} \ln Q = E^\circ
\]
тиймээс бид зөвхөн стандарт потенциалаас \( E^\circ \)-г тооцоолох хэрэгтэй:
\[
E_{\text{cell}}^\circ = E_{\text{катод}}^\circ – E_{\text{анод}}^\circ
= 0.80 \text{ V} – (-0.76 \text{ V})
= 0.80 \text{ V} + 0.76 \text{ V}
= 1.56 \text{ V}
\]
Тэгэхээр, стандарт бус нөхцөлд эсийн потенциал 1.56 В хэвээр байна, учир нь \(\ln Q\) тэг байна.
Дүгнэлт
Электродын потенциалыг хэмжих нь химийн, ялангуяа электрохимийн хэрэглээний чухал ур чадвар юм. Стандарт потенциал, лавлах электродуудын хэрэглээ, Нернстийн тэгшитгэлийн хэрэглээ зэрэг үндсэн ойлголтуудыг ойлгосноор бид электродын потенциалыг хэмжихтэй холбоотой янз бүрийн асуудлыг шийдэж чадна. Хэлэлцсэн жишээнүүд нь стандарт болон стандарт бус нөхцөлд эсийн потенциалыг тодорхойлоход шаардлагатай үйл явц, алхмуудын тоймыг өгдөг. Энэхүү нийтлэл нь электрохимийн лабораторид электродын потенциалыг хэмжих ойлголтыг ойлгож, хэрэгжүүлэхэд тусална гэж найдаж байна.
