व्होल्टेइक सेलवर चर्चा करणारे नमुना प्रश्न

व्होल्टेइक सेलवर चर्चा करणारे नमुना प्रश्न

पेंडाहुलुआन

व्होल्टेइक सेल, ज्याला गॅल्व्हॅनिक सेल असेही म्हणतात, हे एक असे उपकरण आहे जे रेडॉक्स (ऑक्सिडेशन-रिडक्शन) अभिक्रियेद्वारे रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करते. व्होल्टेइक सेलमध्ये दोन इलेक्ट्रोड असतात, जे सामान्यतः भिन्न धातूंपासून बनवलेले असतात, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये बुडवलेले असतात आणि सॉल्ट ब्रिजने जोडलेले असतात. या लेखात, आपण व्होल्टेइक सेलशी संबंधित अनेक उदाहरणांवर चर्चा करणार आहोत, जेणेकरून त्यांच्या कार्यतत्त्वांची आणि सेल पोटेन्शिअलची गणना कशी करायची याची आपली समज अधिक दृढ होईल.

व्होल्टेइक सेलचा मूलभूत सिद्धांत

उदाहरणादाखल प्रश्नांकडे जाण्यापूर्वी, व्होल्टेइक सेल बनवणाऱ्या मूलभूत संकल्पना आणि घटक समजून घेणे महत्त्वाचे आहे:

१. ॲनोड आणि कॅथोड: व्होल्टेइक सेलमध्ये, ॲनोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे ऑक्सिडेशन होते आणि कॅथोड हा तो इलेक्ट्रोड आहे जिथे रिडक्शन होते. ॲनोडवर ऋण प्रभार असतो, तर कॅथोडवर धन प्रभार असतो.

२. इलेक्ट्रॉनचा मार्ग: इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथातून ॲनोडपासून कॅथोडकडे वाहतात, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.

३. सेल पोटेन्शिअल (E°cell): सेल पोटेन्शिअल म्हणजे दोन इलेक्ट्रोडमधील विभवांतर होय. स्टँडर्ड सेल पोटेन्शिअल (E°cell) खालील सूत्राने मोजता येते:
\[
E°cell = E°कॅथोड - E°anode
\]
येथे \(E°cathode\) आणि \(E°anode\) हे कॅथोड आणि ॲनोडचे मानक क्षपण विभव आहेत.

४. सॉल्ट ब्रिज: हा ब्रिज आयनांच्या हालचालीस परवानगी देऊन दोन्ही इलेक्ट्रोलाइट द्रावणांमधील आयन चार्ज संतुलित करतो.

नमुना प्रश्न आणि चर्चा

या संकल्पना स्पष्ट करण्यासाठी, आपण काही उदाहरणांवर चर्चा करूया.

उदाहरण प्रश्न १

प्रश्न :
Zn | Zn²⁺ (aq) इलेक्ट्रोड आणि Cu | Cu²⁺ (aq) इलेक्ट्रोड असलेल्या व्होल्टा सेलच्या मानक सेल विभवाची गणना करा. हे ज्ञात आहे की Zn²⁺ | Zn साठी मानक क्षपण विभव \(E°\) -0.76 V आहे आणि Cu²⁺ | Cu साठी \(E°\) +0.34 V आहे.

चर्चा :
पहिली पायरी म्हणजे अ‍ॅनोड आणि कॅथोड कोणता आहे हे ठरवणे.

Zn चा रिडक्शन पोटेन्शियल (-0.76 V) हा Cu च्या (+0.34 V) पेक्षा जास्त नकारात्मक आहे, म्हणून Zn ॲनोड (ऑक्सिडेशन साइट) म्हणून आणि Cu कॅथोड (रिडक्शन साइट) म्हणून कार्य करेल.

पुढे, आपण हे सूत्र वापरतो:
\[
E°cell = E°कॅथोड - E°anode
\]
ज्ञात मूल्ये ठेवा:
\[
E°cell = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°cell = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°cell = 1.10 V
\]

म्हणून, मानक सेल विभवांतर 1.10 V आहे.

उदाहरण प्रश्न १

प्रश्न :
एक व्होल्टेइक सेल Fe | Fe²⁺ इलेक्ट्रोड आणि Ag | Ag⁺ इलेक्ट्रोडपासून बनलेला आहे. Fe²⁺ | Fe साठी मानक क्षपण विभव -0.44 V आहे आणि Ag⁺ | Ag साठी +0.80 V आहे. मानक सेल विभव काढा आणि सेल अभिक्रिया लिहा.

चर्चा :
पूर्वीप्रमाणेच, आपल्याला अ‍ॅनोड आणि कॅथोड निश्चित करणे आवश्यक आहे. Fe²⁺/Fe चे रिडक्शन पोटेन्शिअल Ag⁺/Ag पेक्षा अधिक ऋणात्मक असल्यामुळे, Fe अ‍ॅनोड म्हणून आणि Ag कॅथोड म्हणून कार्य करेल.

खालील सूत्र वापरा:
\[
E°cell = E°कॅथोड - E°anode
\]
\[
E°cell = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°cell = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°cell = 1.24 V
\]

मानक सेल विभवांतर १.२४ व्होल्ट आहे.

एकूण पेशी अभिक्रियेसाठी, आपण ऑक्सिडीकरण आणि क्षपण अभिक्रिया एकत्र करतो:
– अ‍ॅनोडवरील अभिक्रिया: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– कॅथोडवरील अभिक्रिया: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)

दोन्ही अभिक्रियांमधील इलेक्ट्रॉनची संख्या संतुलित करणे:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]

एकूण पेशी प्रतिक्रिया:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]

उदाहरण प्रश्न १

प्रश्न :
Al | Al³⁺ इलेक्ट्रोड आणि Ni | Ni²⁺ इलेक्ट्रोड असलेल्या व्होल्टेइक सेलसाठी 25°C तापमानावर सेल पोटेन्शिअलची गणना करा, जर Al³⁺ ची सांद्रता 0.001 M आणि Ni²⁺ ची सांद्रता 1 M असेल. हे ज्ञात आहे की Al³⁺ | Al साठी \(E°\) हे -1.66 V आहे आणि Ni²⁺ | Ni साठी \(E°\) हे -0.23 V आहे.

चर्चा :
सर्वप्रथम, अ‍ॅनोड आणि कॅथोड निश्चित करा:
– Al³⁺/Al चे रिडक्शन पोटेंशियल (-1.66 V) हे Ni²⁺/Ni (-0.23 V) पेक्षा जास्त निगेटिव्ह आहे, म्हणून Al हा ॲनोड आणि Ni हा कॅथोड आहे.

मानक सेल विभवाची गणना खालीलप्रमाणे केली जाते:
\[
E°cell = E°कॅथोड - E°anode
\]
\[
E°cell = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°cell = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°cell = 1.43 V
\]

पुढे, आपण गैर-मानक परिस्थितीत सेल विभवाची गणना करण्यासाठी नेर्न्स्ट समीकरणाचा वापर करतो:
\[
E_{cell} = E°cell – \left( \frac{RT}{nF} \right) \ln Q
\]
येथे \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R हा वायू स्थिरांक (8.314 J/mol·K) आहे, T हे केल्विनमधील तापमान (25°C वर 298 K) आहे, F हा फॅराडे स्थिरांक (96485 C/mol) आहे आणि n ही इलेक्ट्रॉनची संख्या (Al³⁺ आणि Ni²⁺ असलेल्या अभिक्रियांसाठी 6) आहे.

समीकरणात ज्ञात किमती ठेवा:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – \left( \frac{2477.172}{578910} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]

\[
\ln 0.001 = -6.907
\]

\[
E_{cell} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]

\[
E_{cell} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{cell} = 1.4595 V
\]

म्हणून, या स्थितीत सेलचे विभव सुमारे १.४६ व्होल्ट आहे.

निष्कर्ष

व्होल्टेइक सेल ही विद्युत-रसायनशास्त्रातील एक मूलभूत संकल्पना आहे, जी रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करते. या लेखात व्होल्टेइक सेल सिद्धांताची मूलतत्त्वे सादर केली आहेत आणि सेल विभवाची गणना करण्याची प्रक्रिया स्पष्ट होण्यास मदत करण्यासाठी उदाहरणे दिली आहेत. या समजामुळे, वाचकांना व्होल्टेइक सेल आणि विविध संदर्भांमधील त्यांच्या उपयोगांची अधिक चांगली समज येईल अशी आशा आहे.