इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री छलफल प्रश्नहरूको उदाहरण
इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री रसायन विज्ञानको एक शाखा हो जसले रासायनिक प्रतिक्रियाहरू र विद्युतीय ऊर्जामा हुने परिवर्तनहरू बीचको सम्बन्धको अध्ययन गर्दछ। इलेक्ट्रोकेमिस्ट्रीमा, दुई मुख्य अवधारणाहरू छन्: अक्सिडेशन (इलेक्ट्रोनहरूको रिलीज) र रिडक्शन (इलेक्ट्रोनहरूको लाभ)। यी प्रक्रियाहरू दुई प्रकारका इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाहरूमा अवलोकन गर्न सकिन्छ: भोल्टेइक कोशिकाहरू (ग्याल्भेनिक कोशिकाहरू) र इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाहरू। तपाईंलाई इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री बुझ्न मद्दत गर्न तल केही उदाहरण समस्याहरू र तिनीहरूको व्याख्याहरू दिइएका छन्।
उदाहरण प्रश्न १: भोल्टेइक सेल
प्रश्न:
नुन पुल मार्फत जस्ता (Zn) र तामा (Cu) इलेक्ट्रोडहरू जोडिएको भोल्टेइक सेल दिइएको छ। Zn लाई 1 M ZnSO4 घोलमा डुबाइएको छ र Cu लाई 1 M CuSO4 घोलमा डुबाइएको छ। प्रत्येक इलेक्ट्रोडमा हुने प्रतिक्रियाहरू लेख्नुहोस् र भोल्टेइक सेलको सम्भाव्य भिन्नता (EMF) गणना गर्नुहोस्। मानक इलेक्ट्रोड सम्भाव्य डेटा:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -०.७६ \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
छलफल:
पहिलो चरण भनेको हुने रेडक्स प्रतिक्रिया निर्धारण गर्नु हो। भोल्टेइक सेलमा, एक सहज रेडक्स प्रतिक्रिया हुन्छ जहाँ
- जिंक (Zn) अक्सिडेशनबाट गुज्रन्छ:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– तामा (घन) मा कमी आउँछ:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
भोल्टेइक सेलमा कुल रेडक्स प्रतिक्रिया हो:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
अर्को, हामी सेल सम्भाव्य भिन्नता गणना गर्नेछौं:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]
कहाँ:
- क्याथोड त्यो इलेक्ट्रोड हो जहाँ रिडक्सन (Cu) हुन्छ।
- एनोड त्यो इलेक्ट्रोड हो जहाँ अक्सिडेशन (Zn) हुन्छ।
त्यसैले,
\[ E_{\text{sel}} = ०.३४ \, \text{V} – (-०.७६ \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = ०.३४ \, \text{V} + ०.७६ \, \text{V} = १.१० \, \text{V} \]
केसिम्पुलन:
– एनोड (Zn) मा हुने प्रतिक्रिया:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– क्याथोड (Cu) मा हुने प्रतिक्रिया:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
- कोशिका सम्भाव्य भिन्नता (EMF): १.१० V
-
उदाहरण प्रश्न २: इलेक्ट्रोलाइटिक सेल
प्रश्न:
NaCl घोलको इलेक्ट्रोलिसिसमा, प्लेटिनम (Pt) जस्ता निष्क्रिय इलेक्ट्रोड प्रयोग गर्दा क्याथोड र एनोडमा हुने प्रतिक्रियाहरू बताउनुहोस्। १ ग्राम Cl2 उत्पादन गर्न आवश्यक पर्ने कुल चार्ज गणना गर्नुहोस्। (Ar Cl = ३५.५)
छलफल:
पहिलो चरण भनेको NaCl नुन घोलमा प्रत्येक इलेक्ट्रोडमा हुने प्रतिक्रियाहरू लेख्नु हो।
– क्याथोडमा (घटाउ):
यस प्रक्रियामा, पानीबाट H+ आयनहरू घटाइनेछ:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
- एनोडमा (अक्सीकरण):
Cl- आयन Cl2 ग्यासमा परिणत हुन अक्सिडेशनबाट गुज्रनेछ:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
कुल प्रतिक्रिया:
त्यसैले NaCl घोलको इलेक्ट्रोलिसिसमा हुने कुल प्रतिक्रिया यो हो:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
१ ग्राम Cl2 उत्पादन गर्न आवश्यक पर्ने चार्ज गणना गर्न, हामीले Cl2 को मोलहरूको संख्या निर्धारण गर्न आवश्यक छ:
\[ \text{Cl को पिण्ड}_2 = १ \text{ग्राम} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = २ \गुणा ३५.५ = ७१ \text{ ग्राम/मोल} \]
\[ \text{Cl को मोलहरूको संख्या}_2 = \frac{1}{71} \text{ मोल} \]
एनोडमा प्रतिक्रिया समीकरणको आधारमा, २ मोल इलेक्ट्रोनबाट १ मोल Cl2 उत्पादन हुन्छ:
\[ २Cl^- \दायाँ तीर Cl_2 + २e^- \]
अर्को शब्दमा, Cl2 को १ मोललाई २ मोल इलेक्ट्रोन चाहिन्छ।
इलेक्ट्रोनहरूको मोलहरूको संख्या:
\[ \text{इलेक्ट्रोनहरूको मोलहरूको संख्या} = २ \गुणा \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ मोल} \]
आवश्यक चार्ज फाराडे मान (F = 96485 C/mol e^-) प्रयोग गरेर गणना गर्न सकिन्छ:
\[ प्रश्न = n \ गुणा एफ \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ प्रश्न = २७१८ \पाठ{ C} \]
केसिम्पुलन:
- क्याथोडमा प्रतिक्रिया:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
- एनोडमा प्रतिक्रिया:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
- १ ग्राम Cl2 उत्पादन गर्न आवश्यक पर्ने कुल चार्ज २७१८ सेल्सियस हुन्छ।
-
उदाहरण ३: नर्न्स्ट सम्बन्ध र गैर-मानक अवस्थाहरू
प्रश्न:
०.१ M को चाँदीको आयन सांद्रता भएका Ag/Ag+ इलेक्ट्रोडहरू र ०.०१ M को सांद्रता भएका Zn/Zn2+ इलेक्ट्रोडहरूबाट बनेको भोल्टेइक सेलको क्षमता गणना गर्नुहोस्। मानक इलेक्ट्रोड क्षमता यस प्रकार छ:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +०.८० \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -०.७६ \, \text{V} \]
छलफल:
पहिलो चरण भनेको हुने प्रतिक्रियाहरू लेख्नु हो:
- एनोडमा अक्सिडेशन (Zn):
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
- क्याथोडमा कमी (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag(s)} \]
कुल प्रतिक्रिया:
\[ \text{Zn(s)} + २\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + २\text{Ag(s)} \]
नर्नस्ट समीकरणमा आधारित:
\[ E_{\text{सेल}} = E^o_{\text{सेल}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{उत्पादन}]}{[\text{प्रतिक्रियाशील}]} \right) \]
कहाँ:
\[ n = २ \]
पहिले, E^o_{\text{Sel}} गणना गर्नुहोस्:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = ०.८० \, \text{V} – (-०.७६ \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{सेल}} = १.५६ \, \text{V} \]
अर्को, दिइएको सांद्रतामा वास्तविक सेल क्षमता गणना गर्नुहोस्:
\[ E_{\text{Sel}} = १.५६ \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = १.५६ \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = १.५६ \, \text{V} – ०.०२९६ \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{सेल}} = १.५६ \, \text{V} \]
केसिम्पुलन:
- एनोड र क्याथोडमा हुने प्रतिक्रियाहरू उस्तै रहन्छन्।
- दिइएको सांद्रता भएको कोशिका क्षमता १.५६ V छ।
यस लेखले इलेक्ट्रोकेमिस्ट्रीमा धेरै प्रकारका समस्याहरू कसरी समाधान गर्ने भनेर देखाउँछ, जसमा भोल्टेइक कोशिकाहरू, इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाहरू, र नर्नस्ट समीकरण प्रयोग गरेर गणना गर्ने समस्याहरू समावेश छन्। यी प्रकारका समस्याहरू समाधान गर्न सफलताको लागि रेडक्स प्रतिक्रियाहरू पछाडिका सिद्धान्तहरूको पूर्ण बुझाइ र इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा प्रयोग गर्ने क्षमता आवश्यक छ।
