इलेक्ट्रोकेमिकल अनुप्रयोगांवरील नमुना प्रश्न आणि चर्चा
विद्युतरसायनशास्त्र ही रसायनशास्त्राची एक शाखा आहे, जी रासायनिक अभिक्रिया आणि विद्युत यांच्यातील संबंधांचा अभ्यास करते. दैनंदिन जीवनात, विद्युतरसायनशास्त्र बॅटरी, सेन्सर, क्षरण आणि इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया यांसारख्या विविध क्षेत्रांमध्ये आढळते. हे अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, आम्ही विद्युतरसायनशास्त्राच्या उपयोगांशी संबंधित अनेक उदाहरणे आणि चर्चा सादर करत आहोत.
उदाहरण प्रश्न १: गॅल्व्हॅनिक बॅटरी (व्होल्टेइक सेल)
प्रश्न:
ZnSO₄ आणि CuSO₄ द्रावणांमध्ये अनुक्रमे बुडवलेल्या Zn (जस्त) आणि Cu (तांबे) इलेक्ट्रोड वापरून एक गॅल्व्हॅनिक सेल बनवला जातो. Zn²⁺/Zn साठी मानक इलेक्ट्रोड विभव -0,76 V आहे आणि Cu²⁺/Cu साठी +0,34 V आहे. गॅल्व्हॅनिक सेलच्या सेल व्होल्टेजची (E° cell) गणना करा.
चर्चा:
१. अर्ध-पेशी अभिक्रिया निश्चित करा:
– जस्त (Zn) साठी अर्ध-पेशी अभिक्रिया:
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– तांब्यासाठी (Cu) अर्ध-पेशी अभिक्रिया:
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
२. अॅनोड आणि कॅथोड ओळखणे:
– ॲनोड (ऑक्सिडीकरण): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (अधिक ऋणात्मक, -0.76 V)
– कॅथोड (कपात): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (अधिक सकारात्मक, +0.34 V)
३. सेल व्होल्टेजची गणना (E° cell):
– मानक सेल व्होल्टेज सूत्र:
\[
E°_{\text{cell}} = E°_{\text{cathode}} – E°_{\text{anode}}
\]
सोबत:
\[
E°_{\text{कॅथोड}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{अनोड}} = -0,76 \text{ V}
\]
– तर, सेल व्होल्टेज:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{ V} – (-0.76 \text{ V}) = 1.10 \text{ V}
\]
उदाहरण प्रश्न २: NaCl द्रावणाचे विद्युत अपघटन
प्रश्न:
निष्क्रिय इलेक्ट्रोड वापरून NaCl (aq) द्रावणाच्या विद्युत अपघटनामध्ये, ॲनोड आणि कॅथोडवर तयार होणारे वायू निश्चित करा. तसेच, प्रत्येक इलेक्ट्रोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया लिहा.
चर्चा:
१. इलेक्ट्रोडवरील अभिक्रिया:
– कॅथोड (रिडक्शन):
यामध्ये Na⁺ आणि H₂O हे आयन सामील असू शकतात.
सामान्यतः घडणाऱ्या क्षपण अभिक्रिया खालीलप्रमाणे आहेत:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
म्हणून, कॅथोडवर तयार होणारा वायू \( H_2 \) आहे.
– ॲनोड (ऑक्सिडेशन):
यामध्ये Cl⁻ आणि H₂O हे आयन सामील असू शकतात.
सामान्यतः घडणाऱ्या ऑक्सिडेशन अभिक्रिया खालीलप्रमाणे आहेत:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
म्हणून, अॅनोडवर तयार होणारा वायू \( Cl_2 \) आहे.
२. एकूण प्रतिक्रिया:
– कॅथोडवरील अभिक्रिया:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
– ॲनोडवरील अभिक्रिया:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– एकूण प्रतिक्रिया:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (g) + Cl_2 (g) + 2OH^-
\]
उदाहरण प्रश्न ३: इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रक्रिया
प्रश्न:
AgNO₃ द्रावणात 2 तासांसाठी 0,5 A विद्युत प्रवाह लागू केल्यावर कॅथोडवर जमा झालेल्या चांदीचे (Ag) वस्तुमान काढा. चांदीचे मोलर वस्तुमान 107,87 g/mol आहे आणि 1 फॅराडे 96.485 C/mol e⁻ च्या समतुल्य आहे.
चर्चा:
१. एकूण विद्युत प्रभार (Q) निश्चित करा:
– विद्युत प्रवाह (I) = 0.5 A
– वेळ (t) = २ तास = २ × ३६०० सेकंद = ७२०० सेकंद
– एकूण विद्युत प्रभार (Q) ची गणना खालील सूत्राने केली जाते:
\[
Q = I \times t
\]
तर:
\[
Q = 0.5 A × 7200 s = 3600 C
\]
२. इलेक्ट्रॉनच्या मोलची संख्या (n) मोजणे:
– १ मोल इलेक्ट्रॉन = ९६.४८५ C
– प्रदान केलेल्या इलेक्ट्रॉनच्या मोलची संख्या:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \approx 0.0373 \text{ mol}
\]
३. जमा झालेल्या चांदीचे वस्तुमान निश्चित करणे:
– कॅथोडवरील क्षपण अभिक्रिया:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– १ मोल इलेक्ट्रॉन १ मोल Ag निर्माण करतात
– जमा झालेल्या चांदीच्या (Ag) मोलची संख्या:
\[
०.०३७३ मोल Ag
\]
– Ag चा मोलर वस्तुमान (107,87 g/mol) वापरून:
\[
चांदीचे वस्तुमान = 0.0373 मोल × 107.87 ग्रॅम/मोल × 4.02 ग्रॅम
\]
अशाप्रकारे, कॅथोडवर जमा झालेल्या चांदीचे वस्तुमान सुमारे ४.०२ ग्रॅम आहे.
उदाहरण प्रश्न ४: क्षरण
प्रश्न:
दमट वातावरणात लोखंडाच्या क्षरण प्रक्रियेचे वर्णन करा आणि त्यात घडणाऱ्या रासायनिक अभिक्रिया लिहा.
चर्चा:
१. क्षरणाचे टप्पे:
– ॲनोडवरील अभिक्रिया:
लोहाचे फेरिक आयनांमध्ये ऑक्सिडीकरण होते:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– कॅथोडवरील अभिक्रिया:
हवेतील ऑक्सिजन पाण्याची आणि ॲनोडमधील इलेक्ट्रॉन्सची अभिक्रिया करतो:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
उदासीन-अम्लीय वातावरणात, अधिक संभाव्य अभिक्रिया ही आहे:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
२. आयर्न हायड्रॉक्साईडची निर्मिती:
– Fe²⁺ आयन OH⁻ आयनांसोबत संयोग पावतात आणि Fe(OH)₂ तयार होते:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
३. गंज तयार होणे:
– Fe(OH)₂ च्या पुढील ऑक्सिडीकरणामुळे Fe(OH)₃ तयार होते, जे सुकल्यावर गंज (Fe₂O₃.nH₂O) तयार होते:
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Fe(OH)₃ पाणी गमावून Fe₂O₃ मध्ये बदलू शकते:
\[
2Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
ही प्रक्रिया दर्शवते की, विद्युत रासायनिक अभिक्रियांच्या मालिकेद्वारे लोखंड कसे गंजते. इमारती आणि पायाभूत सुविधांमधील धातूच्या वस्तूंचा टिकाऊपणा टिकवून ठेवण्यासाठी गंजण्याच्या प्रक्रियेचे ज्ञान आवश्यक आहे.
वरील उदाहरणादाखल प्रश्न आणि चर्चा समजून घेतल्याने, वाचकांना दैनंदिन जीवनातील विद्युत रासायनिक तत्त्वांच्या व्यावहारिक उपयोगाची अधिक स्पष्ट कल्पना येईल, अशी आशा आहे.
