विद्युत रसायनशास्त्रावर चर्चा करणाऱ्या प्रश्नांचे उदाहरण

विद्युतरसायनशास्त्रावरील चर्चा प्रश्नांचे उदाहरण

विद्युत रसायनशास्त्र ही रसायनशास्त्राची एक शाखा आहे, जी रासायनिक अभिक्रिया आणि विद्युत ऊर्जेतील बदल यांच्यातील संबंधांचा अभ्यास करते. विद्युत रसायनशास्त्रामध्ये दोन मुख्य संकल्पना आहेत: ऑक्सिडेशन (इलेक्ट्रॉनचे उत्सर्जन) आणि रिडक्शन (इलेक्ट्रॉनचे ग्रहण). या प्रक्रिया दोन प्रकारच्या विद्युत रासायनिक पेशींमध्ये पाहता येतात: व्होल्टेइक पेशी (गॅल्व्हॅनिक पेशी) आणि इलेक्ट्रोलाइटिक पेशी. विद्युत रसायनशास्त्र समजून घेण्यास मदत व्हावी म्हणून खाली काही उदाहरणे आणि त्यांची स्पष्टीकरणे दिली आहेत.

उदाहरण प्रश्न १: व्होल्टेइक सेल

प्रश्न:
सॉल्ट ब्रिजने जोडलेले झिंक (Zn) आणि कॉपर (Cu) इलेक्ट्रोड असलेला एक व्होल्टेइक सेल दिला आहे. Zn ला 1 M ZnSO4 द्रावणात आणि Cu ला 1 M CuSO4 द्रावणात बुडवले आहे. प्रत्येक इलेक्ट्रोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया लिहा आणि व्होल्टेइक सेलच्या विभवांतराची (EMF) गणना करा. मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]

चर्चा:
पहिली पायरी म्हणजे घडणारी रेडॉक्स अभिक्रिया निश्चित करणे. व्होल्टेइक सेलमध्ये एक उत्स्फूर्त रेडॉक्स अभिक्रिया घडते, जिथे

– जस्त (Zn) चे ऑक्सिडीकरण होते:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– तांब्याचे (Cu) क्षपण होते:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

व्होल्टेइक सेलमधील एकूण रेडॉक्स अभिक्रिया खालीलप्रमाणे आहे:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]

पुढे, आपण सेलच्या विभवांतराची गणना करू:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]

कुठे:

– कॅथोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे रिडक्शन (Cu) होते.
– अ‍ॅनोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे ऑक्सिडेशन (Zn) होते.

म्हणून,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]

केसिम्पुलन:
– ॲनोडवर (Zn) होणारी अभिक्रिया:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– कॅथोडवर (Cu) होणारी अभिक्रिया:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

– सेल विभवांतर (EMF): १.१० व्होल्ट

-

उदाहरण प्रश्न २: इलेक्ट्रोलाइटिक सेल

प्रश्न:
NaCl द्रावणाच्या विद्युत अपघटनामध्ये, प्लॅटिनम (Pt) सारखा निष्क्रिय इलेक्ट्रोड वापरल्यास, कॅथोड आणि ॲनोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया सांगा. 1 ग्रॅम Cl2 तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेला एकूण विद्युत प्रभार काढा. (Ar Cl = 35.5)

चर्चा:
पहिली पायरी म्हणजे NaCl क्षाराच्या द्रावणात प्रत्येक इलेक्ट्रोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया लिहून घेणे.

– कॅथोडवर (क्षपण):
या प्रक्रियेत पाण्यातील H+ आयनांचे क्षपण होईल.
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– ॲनोडवर (ऑक्सिडीकरण):
Cl- आयनाचे ऑक्सिडीकरण होऊन Cl2 वायू तयार होईल:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

एकूण प्रतिक्रिया:
म्हणून NaCl द्रावणाच्या विद्युत अपघटनामध्ये होणारी एकूण अभिक्रिया खालीलप्रमाणे आहे:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]

१ ग्रॅम Cl2 तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेला प्रभार मोजण्यासाठी, आपल्याला Cl2 च्या मोलची संख्या निश्चित करावी लागेल:
Cl_2 चे वस्तुमान = 1 ग्रॅम
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ ग्रॅम/मोल} \]
\[ \text{Cl_2 च्या मोलची संख्या}_2 = \frac{1}{71} \text{ मोल} \]

अ‍ॅनोडवरील अभिक्रिया समीकरणानुसार, २ मोल इलेक्ट्रॉनपासून १ मोल Cl2 तयार होतो:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे तर, 1 मोल Cl2 ला 2 मोल इलेक्ट्रॉनची आवश्यकता असते.

इलेक्ट्रॉनच्या मोलची संख्या:
\[ \text{इलेक्ट्रॉनच्या मोलची संख्या} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ मोल} \]

आवश्यक प्रभार फॅराडे मूल्याचा (F = 96485 C/mol e^-) वापर करून मोजता येतो:
\[ Q = n \times F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]

केसिम्पुलन:
– कॅथोडवरील अभिक्रिया:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– ॲनोडवरील अभिक्रिया:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

– 1 ग्रॅम Cl2 तयार करण्यासाठी लागणारा एकूण चार्ज 2718 C आहे.

-

उदाहरण ३: नेर्न्स्ट संबंध आणि गैर-मानक अटी

प्रश्न:
0.1 M सिल्व्हर आयन सांद्रता असलेल्या Ag/Ag+ इलेक्ट्रोड आणि 0.01 M सांद्रता असलेल्या Zn/Zn2+ इलेक्ट्रोडपासून बनवलेल्या व्होल्टेइक सेलच्या विभवाची गणना करा. मानक इलेक्ट्रोड विभव आहे:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]

चर्चा:
पहिली पायरी म्हणजे घडणाऱ्या प्रतिक्रिया लिहून काढणे:

– अ‍ॅनोडवरील ऑक्सिडेशन (Zn):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– कॅथोडवर क्षपण (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]

एकूण प्रतिक्रिया:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]

नेर्न्स्ट समीकरणावर आधारित:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
कुठे:
\[ n = 2 \]

सर्वप्रथम, E^o_{\text{Sel}} ची गणना करा:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]

पुढे, दिलेल्या सांद्रतेवर वास्तविक सेल विभवाची गणना करा:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]

केसिम्पुलन:
– ॲनोड आणि कॅथोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया सारख्याच राहतात
– दिलेल्या सांद्रतेनुसार सेलची विभवांतर १.५६ व्होल्ट आहे.

या लेखात विद्युत-रसायनशास्त्रातील अनेक प्रकारच्या समस्या कशा सोडवायच्या हे दाखवले आहे, ज्यामध्ये व्होल्टेइक सेल, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल आणि नेर्न्स्ट समीकरणाचा वापर करून केलेल्या गणितांचा समावेश आहे. या प्रकारच्या समस्या यशस्वीपणे सोडवण्यासाठी रेडॉक्स अभिक्रियांमागील तत्त्वांची सखोल समज आणि विद्युत-रासायनिक माहिती वापरण्याची क्षमता असणे आवश्यक आहे.