Стандарт электродын потенциалын жишээ асуултууд ба хэлэлцүүлэг
Пендахулуан
Стандарт электродын потенциал нь электрохимийн чухал ойлголт бөгөөд электродын электрон татах чадварыг тодорхойлдог. Энэ ойлголтыг электрохимийн эсийн тооцоолол болон исэлдэн ангижрах урвалын хандлагыг тодорхойлоход ашигладаг. Стандарт электродын потенциал (E°)-ийг стандарт нөхцөлд, тухайлбал 1 М концентраци, 1 атм даралт, 25°C (298 K) температурт хэмждэг. Энэ нийтлэлд бид стандарт электродын потенциалын хэд хэдэн жишээг авч үзэж, тэдгээрийг гүнзгийрүүлэн авч үзэх болно.
Стандарт электродын потенциалын үндсэн ойлголт
Стандарт электродын потенциал буюу E° нь химийн бодисын буурах (электрон хүлээн авах) хандлагыг илэрхийлдэг. E° утга эерэг байх тусам тухайн бодисын буурах хандлага өндөр байдаг. Үүний эсрэгээр, E° утга сөрөг байх тусам тухайн бодисын исэлдэх (электрон алдах) хандлага өндөр байдаг.
Стандарт электродын потенциалын хүснэгт нь янз бүрийн исэлдэн ангижрах урвалын E° утгыг өгдөг бөгөөд эдгээр утгыг электрохимийн эсийн потенциалыг тооцоолоход ашигладаг.
Жишээ асуулт 1
Асуулт:
Дараах хоёр хагас урвал ба тэдгээрийн электродын потенциалыг өгөв:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s), E° = +0.80 В
– Cu²⁺(усан) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 В
Эдгээр хоёр хагас урвалаар үүссэн гальваник элементийн эсийн потенциалыг (E°_cell) тодорхойл.
Хэлэлцүүлэг:
Эсийн потенциалыг тодорхойлохын тулд бид анод болон катодыг тодорхойлох хэрэгтэй. Гальваник элементэд илүү эерэг стандарт электродын потенциалтай нь катод (буурах цэг), харин илүү сөрөг потенциалтай нь анод (исэлдэлтийн цэг) болж үйлчилдэг.
1. Анод ба катодыг тодорхойлно уу:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 V (илүү эерэг, тиймээс катод)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 В (илүү сөрөг, тиймээс анод)
2. Исэлдэлт ба бууралтын урвалыг тодорхойлох:
– Катод (бууруулах): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_катод = +0.80 В
– Анод (исэлдэлт): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_анод = -0.34 V (урвалын чиглэл болон потенциалын тэмдгийг урвуулан)
3. E°_cell-ийг тооцоолох нь:
\[
E°_{эс} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Тэгэхээр, эсийн потенциал (E°_cell) нь +1.14 В байна.
Жишээ асуулт 2
Асуулт:
Доорх урвалыг электродын потенциалтай нь хамт өгнө үү:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 V
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 V
Хоёр хагас урвалыг ашиглан гальваник элементийн эсийн потенциалыг (E°_cell) тодорхойлж, эсийн бүрэн урвалыг бичнэ үү.
Хэлэлцүүлэг:
Өмнөхтэй адил бид эхлээд анод ба катодыг тодорхойлох ёстой.
1. Анод ба катодыг тодорхойлно уу:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 V (илүү эерэг, тиймээс катод)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 V (илүү сөрөг, тиймээс анод)
2. Исэлдэлт ба бууралтын урвалыг тодорхойлох:
– Катод (бууруулах): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_катод = +0.77 В
– Анод (исэлдэлт): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_анод = -0.76 V (урвалын чиглэл болон потенциалын тэмдгийг урвуулан)
3. Электронуудыг тэнцвэржүүлэх:
Нийт урвал нь электронуудын тоог тэнцвэржүүлэх ёстой:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
\text{Zn} → \text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Тиймээс эсийн бүрэн хариу урвал нь:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. E°_cell-ийг тооцоолох нь:
\[
E°_{эс} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Тэгэхээр, эсийн потенциал (E°_cell) нь +1.53 В байна.
Жишээ асуулт 3
Асуулт:
Дараах урвалыг ашиглан гальваник элементийн эсийн потенциал болон бүрэн эсийн урвалыг өг.
– MnO₂(s) + 4H⁺(усан) + 2e⁻ → Mn²⁺(усан) + 2H₂O(l), E° = +1.23 В
– Cr³⁺(ус) + e⁻ → Cr²⁺(ус), E° = -0.50 В
Хэлэлцүүлэг:
1. Анод ба катодыг тодорхойлно уу:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 В (илүү эерэг, тиймээс катод)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 V (илүү сөрөг, тиймээс анод)
2. Исэлдэлт ба бууралтын урвалыг тодорхойлох:
– Катод (багасгах): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E°_катод = +1.23 В
– Анод (исэлдэлт): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_анод = +0.50 В (урвалын чиглэл ба потенциалын тэмдгийг урвуу)
3. Электронуудыг тэнцвэржүүлэх:
Нийт урвал нь электронуудын тоог тэнцвэржүүлэх ёстой:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → \text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Тиймээс эсийн бүрэн хариу урвал нь:
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{Cr}^{3+} → \text{Mn}^{2+} + 2\text{Cr}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
4. E°_cell-ийг тооцоолох нь:
\[
E°_{эс} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Тэгэхээр, эсийн потенциал (E°_cell) нь +1.73 В байна.
Дүгнэлт
Стандарт электродын потенциалыг ойлгох нь исэлдэн ангижрах урвалын чиг хандлага болон электрохимийн эсийн потенциалыг тодорхойлоход электрохимийн салбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Дээр дурдсан алхмуудыг ашиглан бид өгөгдсөн исэлдэн ангижрах урвалын эсийн потенциалыг хялбархан тооцоолж чадна. Стандарт электродын потенциалыг гальваник эсийн анод ба катодыг тодорхойлох, мөн эсийн нийт потенциалыг тооцоолоход ашигладаг бөгөөд энэ нь исэлдэн ангижрах урвалын үр ашиг, чиглэлийг харуулдаг.
