प्रमाणित इलेक्ट्रोड विभवाच्या माहितीच्या वापरावर चर्चा करणारे नमुना प्रश्न
मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) रसायनशास्त्रात, विशेषतः रेडॉक्स आणि इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रिया समजून घेण्यासाठी महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते. यामुळे रेडॉक्स अभिक्रियांची दिशा वर्तवता येते आणि ऑक्सिडीकारक व क्षपणकारक अभिकारकांच्या सामर्थ्याची तुलना करता येते. हा लेख, वास्तविक जीवनातील परिस्थितींमध्ये मानक इलेक्ट्रोड विभव माहितीचा उपयोग कसा होतो, याची अनेक उदाहरणे सादर करेल.
मानक इलेक्ट्रोड विभवांचा परिचय
मानक इलेक्ट्रोड विभव हे मानक परिस्थितीत (1 M, 1 atm, आणि 25°C) एखाद्या मूलद्रव्याची किंवा संयुगाची इलेक्ट्रॉन मिळवण्याची किंवा गमावण्याची प्रवृत्ती मोजते. मानक इलेक्ट्रोड विभव व्होल्ट (V) मध्ये व्यक्त केले जाते आणि त्याची तुलना अनेकदा मानक हायड्रोजन इलेक्ट्रोड विभव (SHE) शी केली जाते, जे 0 V मानले जाते.
उदाहरण प्रश्न १: उत्स्फूर्त अभिक्रिया निश्चित करणे
प्रश्न:
खालील अभिक्रिया उत्स्फूर्तपणे घडेल की नाही याची गणना करा:
\[ \text{Zn}^{2+} + \text{Cu} \rightarrow \text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \]
आवश्यक मानक इलेक्ट्रोड विभव खालीलप्रमाणे आहेत:
– \(\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \) \( E° = -0.76 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
चर्चा:
१. अर्ध-पेशी अभिक्रियांची व्याख्या करा:
क्षपण अर्ध-पेशी अभिक्रिया:
– ऑक्सिडेशन अर्ध-अभिक्रिया: \[\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \, \text{(रिडक्शन, E° = -0.76 V)} \]
– क्षपण अर्ध-अभिक्रिया: \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(क्षपण, E° = +0.34 V)} \]
२. प्रतिक्रियेची ओळख:
कमी विभव असलेली अभिक्रिया उलट करा जेणेकरून तिचे ऑक्सिडेशन होईल:
– \[\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(ऑक्सिडेशन, E° = +0.76 V)} \]
उर्वरित प्रतिक्रिया:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(रिडक्शन, E° = +0.34 V)} \]
३. एकूण E° (सेल पोटेन्शियल) ची गणना करा:
– \[ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oxidation}} = +0.34 \, \text{V} + (+0.76 \, \text{V}) = +1.10 \, \text{V} \]
सेल पोटेन्शिअल (E°_{\text{cell}}) पॉझिटिव्ह असल्याने, ही अभिक्रिया स्वयंस्फूर्त आहे.
उदाहरण प्रश्न २: समतोल विभव निश्चित करणे
प्रश्न:
मानक तापमानावर खालील अभिक्रियेसाठी सेल विभवाची गणना करा:
\[ \text{Fe}^{2+} + \text{Ag} \rightarrow \text{Fe} + \text{Ag}^{+} \]
मानक इलेक्ट्रोड विभव:
– \(\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \) \( E° = -0.44 \, \text{V} \)
– \(\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \) \( E° = +0.80 \, \text{V} \)
चर्चा:
१. अर्ध-पेशी अभिक्रियांची व्याख्या करा:
क्षपण अर्ध-पेशी अभिक्रिया:
– \[\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \, \text{(ऱ्हास, E° = -0.44 V)} \]
– \[\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(क्षपण, E° = +0.80 V)} \]
२. अर्ध-अभिक्रिया ओळखा:
ज्या प्रतिक्रियेचे ऋणात्मक मूल्य कमी (अधिक धन) आहे, ती उलट करा:
– \[\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(ऑक्सिडेशन, E° = +0.44 V)} \]
उर्वरित प्रतिक्रिया:
– \[\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(क्षपण, E° = +0.80 V)} \]
३. एकूण E° (सेल पोटेन्शियल) ची गणना करा:
– \[ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oxidation}} = +0.80 \, \text{V} + (+0.44 \, \text{V}) = +1.24 \, \text{V} \]
पॉझिटिव्ह सेल पोटेन्शिअल हे दर्शवते की ही अभिक्रिया मानक परिस्थितीत स्वयंस्फूर्तपणे घडते.
उदाहरण ३: गिब्स मुक्त उर्जेची गणना
प्रश्न:
खालील अभिक्रियेसाठी गिब्स मुक्त उर्जेतील बदल (ΔG) निश्चित करा:
\[ \text{Al} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Al}^{3+} + \text{Cu} \]
मानक इलेक्ट्रोड विभव दिल्यास:
– \(\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \) \( E° = -1.66 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
चर्चा:
१. अर्ध-पेशी अभिक्रियांची व्याख्या करा:
क्षपण अर्ध-पेशी अभिक्रिया:
– \[\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \, \text{(ऱ्हास, E° = -1.66 V)} \]
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(रिडक्शन, E° = +0.34 V)} \]
२. प्रतिक्रियेची ओळख:
कमी विभव असलेली अभिक्रिया उलट करा जेणेकरून तिचे ऑक्सिडेशन होईल:
– \[\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^{-} \, \text{(ऑक्सिडेशन, E° = +1.66 V)} \]
उर्वरित प्रतिक्रिया:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(रिडक्शन, E° = +0.34 V)} \]
३. इलेक्ट्रॉन संतुलन:
अभिक्रियेसाठी इलेक्ट्रॉनची संख्या समान करा:
– 2 \(\text{Al} \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6e^{-} \) \[\text{(ऑक्सिडेशन, E° = +1.66 V)} \]
– ३ \(\text{Cu}^{2+} + 6e^{-} \rightarrow 3\text{Cu} \) \[\text{(रिडक्शन, E° = +0.34 V)} \]
३. एकूण E° (सेल पोटेन्शियल) ची गणना करा:
– \[ E°_{\text{cell}} = (+0.34 \, \text{V} \times 3) + (+1.66 \, \text{V} \times 2) \]
येथे त्रुटी आहे: सरासरी:
– \[ E°_{\text{cell}} = +0.34 \, \text{V} + +1.66 \, \text{V} = +2.00 \, \text{V}\]
५. ΔG ची गणना करा:
सूत्र: \(\Delta G = -nFE_{\text{cell}}\)
– \[n = 6 \, \text{इलेक्ट्रॉन} \]
– \[F = 96485 \, \text{C/mol} \]
– \[ \Delta G = -6 \times 96485 \, \text{C/mol} \times +2.00 \, \text{V}\]
– \[ = -1157820 \, \text{J/mol} \]
– \[ = -1157.82 \, \text{kJ/mol}\]
म्हणून, ऋणात्मक ΔG हे दर्शवते की ही अभिक्रिया उत्स्फूर्त आहे.
निष्कर्ष
मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा हा रेडॉक्स अभिक्रिया कोणत्या दिशेने पुढे जाईल, ती होण्याची शक्यता किती आहे आणि गिब्स मुक्त उर्जेतील बदलाशी तिचा काय संबंध आहे, याचे भाकीत करण्याचा एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करतो. वरील उदाहरणातील समस्या हे स्पष्ट करते की, रेडॉक्स अभिक्रियेची उत्स्फूर्तता आणि संबंधित ऊर्जा गणना निश्चित करण्यासाठी या डेटाचा उपयोग कसा केला जाऊ शकतो. रसायनशास्त्राचा अभ्यास करणाऱ्या विद्यार्थ्यांसाठी किंवा कोणासाठीही, मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा आणि त्याचे उपयोग समजून घेणे, हे अधिक जटिल विद्युत रासायनिक अभिक्रिया समजून घेण्यासाठी एक आवश्यक पाया आहे.
