विद्युत रासायनिक पेशींवरील उदाहरणात्मक प्रश्न आणि चर्चा: उदाहरणात्मक प्रश्नांच्या माध्यमातून विद्युत रसायनशास्त्राची मूलतत्त्वे समजून घेणे
विद्युत रसायनशास्त्र ही रसायनशास्त्राची एक शाखा आहे, जी रासायनिक अभिक्रिया आणि विद्युत प्रवाह यांच्यातील संबंधांचा अभ्यास करते. विद्युत रसायनशास्त्रामध्ये, आपण अनेकदा दोन मुख्य प्रकारच्या पेशींबद्दल चर्चा करतो: गॅल्व्हॅनिक (किंवा व्होल्टेइक) पेशी आणि इलेक्ट्रोलाइटिक पेशी. दोन्ही प्रकारच्या पेशी वीज निर्माण करण्यासाठी किंवा वापरण्यासाठी रेडॉक्स अभिक्रियांचा उपयोग करतात.
या लेखात आपण इलेक्ट्रोकेमिकल सेलच्या काही उदाहरणांवर चर्चा करणार आहोत, ज्यामुळे या संकल्पनेबद्दलची आपली समज अधिक दृढ होण्यास मदत होईल.
१. प्रश्न: गॅल्व्हॅनिक सेल
उदाहरणार्थ, ZnSO₄ द्रावणात बुडवलेला जस्त (Zn) इलेक्ट्रोड आणि CuSO₄ द्रावणात बुडवलेला तांबे (Cu) इलेक्ट्रोड असलेली एक गॅल्व्हॅनिक सेल घेऊया. प्रत्येक इलेक्ट्रोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया, तसेच या गॅल्व्हॅनिक सेलमधील एकूण अभिक्रिया लिहा.
चर्चा:
१. झिंक इलेक्ट्रोडवरील अभिक्रिया (अनोड, ऑक्सिडेशन):
अभिक्रिया: \( Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^- \)
येथे, झिंकचे झिंक आयन (Zn²⁺) मध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि दोन इलेक्ट्रॉन बाहेर टाकले जातात.
२. तांब्याच्या इलेक्ट्रोडवरील अभिक्रिया (कॅथोड, क्षपण):
प्रतिक्रिया: \( Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s) \)
येथे, तांब्याचे आयन (Cu²⁺) दोन इलेक्ट्रॉन स्वीकारतात आणि घन तांब्यामध्ये (Cu) रूपांतरित होतात.
३. गॅल्व्हॅनिक सेलमधील एकूण अभिक्रिया:
एकूण अभिक्रिया मिळवण्यासाठी या दोन अर्ध-अभिक्रिया एकत्र करा:
\( Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \)
सर्वसाधारणपणे असा निष्कर्ष काढता येतो की, गॅल्व्हॅनिक पेशींमध्ये विद्युत प्रवाह निर्माण करण्यासाठी रेडॉक्स अभिक्रियांच्या उत्स्फूर्ततेचा उपयोग केला जातो.
२. प्रश्न: पेशी विभव
Zn²⁺/Zn साठी मानक क्षपण विभव -0,76 V आणि Cu²⁺/Cu साठी +0,34 V दिले आहे. पूर्वी चर्चा केलेल्या गॅल्व्हॅनिक सेलच्या सेल विभवाची गणना करा.
चर्चा:
सेल विभव (E°_cell) खालील समीकरण वापरून मोजता येतो:
\[
E°_{cell} = E°_{कॅथोड} – E°_{anode}
\]
कुठे:
– कॅथोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे क्षपण होते (Cu²⁺/Cu, E° = +0.34 V सह)
– अॅनोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे ऑक्सिडेशन होते (Zn²⁺/Zn, E° = -0.76 V सह)
\[
E°_{sel} = 0.34\, V – (-0.76\, V) = 0.34\, V + 0.76\, V = 1.10\, V
\]
अशाप्रकारे, गॅल्व्हॅनिक सेलचे सेल पोटेन्शियल 1,10 V आहे.
३. प्रश्न: इलेक्ट्रोलाइटिक सेल
विद्युत अपघटनी घटामध्ये, निष्क्रिय इलेक्ट्रोड असलेल्या विद्युत अपघटनी घटाच्या आत सोडियम क्लोराईड (NaCl) चे द्रावण तयार केले जाते. प्रत्येक इलेक्ट्रोडवर होणाऱ्या अभिक्रिया लिहा.
चर्चा:
विद्युत अपघटनी घटामध्ये, स्वयंस्फूर्त नसलेली अभिक्रिया घडवून आणण्यासाठी विजेचा वापर केला जातो. NaCl द्रावण असलेल्या विद्युत अपघटनी घटामध्ये, खालीलप्रमाणे घडते:
१. कॅथोडवरील अभिक्रिया (क्षपण):
\[
2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
बहुतेक विरल NaCl द्रावणांमध्ये, सोडियमच्या आधी पाण्याचे क्षपण होईल कारण पाण्याचे क्षपण विभव (-0.83 V) हे सोडियमपेक्षा (-2.71 V) जास्त धन आहे.
२. ॲनोडवरील अभिक्रिया (ऑक्सिडीकरण):
\[
2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-
\]
अॅनोडवर, क्लोराईड आयनांचे ऑक्सिडीकरण होऊन क्लोरीन वायू तयार होतो.
३. एकूण प्रतिक्रिया:
एकूण अभिक्रियेसाठी कॅथोड आणि ॲनोडवरील अभिक्रिया एकत्र करा:
\[
2H_2O(l) + 2Cl^-(aq) \rightarrow H_2(g) + Cl_2(g) + 2OH^-(aq)
\]
या क्षारजल विद्युत अपघटनामध्ये, द्रावणातील आयनांच्या आंतरक्रियेमुळे बेस द्रावणासोबत (NaOH) हायड्रोजन वायू आणि क्लोरीन वायू तयार होतात.
४. प्रश्न: फॅराडेचे विद्युत अपघटनाचे नियम
CuSO₄ द्रावणातून २ फॅराडे विद्युत प्रवाह जाऊ दिल्यास, किती ग्रॅम तांब्याचा अवक्षेप तयार होईल?
चर्चा:
फॅरेडेच्या नियमानुसार, विद्युत अपघटनादरम्यान इलेक्ट्रोडवर जमा होणाऱ्या पदार्थाचे प्रमाण हे त्यातून जाणाऱ्या विद्युत प्रवाहाच्या प्रमाणाशी समानुपाती असते. पदार्थाचे वस्तुमान (m) खालील समीकरणाने मोजता येते:
\[
m = \frac{M \cdot Q}{n \cdot F}
\]
कुठे:
– \(m\) हे जमा झालेल्या पदार्थाचे वस्तुमान आहे
– \(M\) हे पदार्थाचे मोलर वस्तुमान आहे (तांब्यासाठी, M = 63.5 ग्रॅम/मोल)
– \(Q\) म्हणजे विद्युत प्रभाराचे प्रमाण (कुलॉम्बमध्ये, ज्याची गणना \(Q = n \cdot F\) या सूत्राने केली जाते, जिथे n म्हणजे फॅरेडेची संख्या आहे)
– \(n\) ही अभिक्रियेत सहभागी होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनच्या मोलची संख्या आहे (Cu²⁺/Cu साठी, n = 2)
– \(F\) हा फॅराडेचा स्थिरांक आहे (९६५०० अंश सेल्सियस/मोल)
२ फॅराडे विद्युत प्रवाहासह:
\[
m = \frac{63.5\, g/mol \cdot 2 \cdot 96500\, C}{2 \cdot 96500\, C/mol}
\]
समीकरण सोपे करा:
\[
m = ६३.५ ग्रॅम
\]
याचा परिणाम असा झाला की या विद्युत अपघटनाद्वारे ६३.५ ग्रॅम तांबे जमा झाले.
निष्कर्ष
इलेक्ट्रोकेमिकल सेल समजून घेण्यासाठी रेडॉक्स अभिक्रिया, सेल पोटेन्शिअलची गणना आणि इलेक्ट्रोकेमिकल स्टॉइकिओमेट्री यांचे ज्ञान आवश्यक आहे. वरील उदाहरणासारखी समस्या समजून घेणे, मूलभूत संकल्पना आणि विविध प्रकारच्या इलेक्ट्रोकेमिकल सेलमध्ये त्यांचा वापर स्पष्ट करण्यासाठी उपयुक्त ठरते. शेवटी, ही समज अधिक दृढ करण्यासाठी, विशेषतः विज्ञान आणि उद्योगाच्या विविध क्षेत्रांतील सैद्धांतिक आणि व्यावहारिक उपयोगांसाठी, विविध समस्यांचा सराव करत रहा.
