විද්‍යුත් රසායන විද්‍යා සාකච්ඡා ප්‍රශ්න සඳහා උදාහරණ
විද්‍යුත් රසායන විද්‍යාව යනු රසායනික ප්‍රතික්‍රියා සහ විද්‍යුත් ශක්තියේ වෙනස්වීම් අතර සම්බන්ධතාවය අධ්‍යයනය කරන රසායන විද්‍යාවේ ශාඛාවකි. විද්‍යුත් රසායන විද්‍යාවේදී ප්‍රධාන සංකල්ප දෙකක් තිබේ: ඔක්සිකරණය (ඉලෙක්ට්‍රෝන මුදා හැරීම) සහ අඩු කිරීම (ඉලෙක්ට්‍රෝන ලබා ගැනීම). මෙම ක්‍රියාවලීන් විද්‍යුත් රසායනික සෛල වර්ග දෙකකින් නිරීක්ෂණය කළ හැකිය: වෝල්ටීය සෛල (ගැල්වනික් සෛල) සහ විද්‍යුත් විච්ඡේදක සෛල. විද්‍යුත් රසායන විද්‍යාව තේරුම් ගැනීමට ඔබට උපකාර කිරීම සඳහා උදාහරණ ගැටළු සහ ඒවායේ පැහැදිලි කිරීම් කිහිපයක් පහත දැක්වේ.
උදාහරණ ප්‍රශ්නය 1: වෝල්ටයික් කෝෂය
ප්‍රශ්නය:
ලුණු පාලමක් හරහා සම්බන්ධ කර ඇති සින්ක් (Zn) සහ තඹ (Cu) ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහිත වෝල්ටීය සෛලයක් ලබා දී ඇත. Zn 1 M ZnSO4 ද්‍රාවණයකට ගිල්වනු ලබන අතර Cu 1 M CuSO4 ද්‍රාවණයකට ගිල්වනු ලැබේ. සෑම ඉලෙක්ට්‍රෝඩයකම සිදුවන ප්‍රතික්‍රියා ලියා වෝල්ටීය සෛලයේ විභව වෙනස (EMF) ගණනය කරන්න. සම්මත ඉලෙක්ට්‍රෝඩ විභව දත්ත:
\[ E^o_{\පෙළ{Zn}^{2+}/\පෙළ{Zn}} = -0.76 \, \පෙළ{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
සාකච්ඡාව:
පළමු පියවර වන්නේ සිදුවන රෙඩොක්ස් ප්‍රතික්‍රියාව තීරණය කිරීමයි. වෝල්ටීය සෛලයක, ස්වයංසිද්ධ රෙඩොක්ස් ප්‍රතික්‍රියාවක් සිදුවන්නේ එහිදී
– සින්ක් (Zn) ඔක්සිකරණයට ලක් වේ:
\[ \පෙළ{Zn(s)} \දකුණු ඊතලය \පෙළ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– තඹ (Cu) අඩු කිරීමට භාජනය වේ:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
වෝල්ටීය සෛලයක මුළු රෙඩොක්ස් ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ \පෙළ{Zn(s)} + \පෙළ{Cu}^{2+} (aq) \දකුණු ඊතලය \පෙළ{Zn}^{2+} (aq) + \පෙළ{Cu(s)} \]
ඊළඟට, අපි සෛල විභව වෙනස ගණනය කරමු:
\[ E_{\පෙළ{සෛලය}} = E^o_{\පෙළ{කැතෝඩය}} – E^o_{\පෙළ{ඇනෝඩය}} \]
කොහෙද:
– කැතෝඩය යනු අඩු කිරීම (Cu) සිදුවන ඉලෙක්ට්‍රෝඩයයි.
– ඇනෝඩය යනු ඔක්සිකරණය (Zn) සිදුවන ඉලෙක්ට්‍රෝඩයයි.
ඉතින් එතකොට,
\[ E_{\පෙළ{sel}} = 0.34 \, \පෙළ{V} – (-0.76 \, \පෙළ{V}) \]
\[ E_{\පෙළ{sel}} = 0.34 \, \පෙළ{V} + 0.76 \, \පෙළ{V} = 1.10 \, \පෙළ{V} \]
කේසිපුලන්:
– ඇනෝඩයේ (Zn) සිදුවන ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ \පෙළ{Zn(s)} \දකුණු ඊතලය \පෙළ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– කැතෝඩයේ (Cu) සිදුවන ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– සෛල විභව වෙනස (EMF): 1.10 V
-
උදාහරණ ප්‍රශ්නය 2: විද්‍යුත් විච්ඡේදක සෛලය
ප්‍රශ්නය:
NaCl ද්‍රාවණයක විද්‍යුත් විච්ඡේදනයේදී, ප්ලැටිනම් (Pt) වැනි නිෂ්ක්‍රීය ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් භාවිතා කළහොත් කැතෝඩයේ සහ ඇනෝඩයේ සිදුවන ප්‍රතික්‍රියා සඳහන් කරන්න. Cl2 ග්‍රෑම් 1 ක් නිපදවීමට අවශ්‍ය මුළු ආරෝපණය ගණනය කරන්න. (Ar Cl = 35.5)
සාකච්ඡාව:
පළමු පියවර වන්නේ NaCl ලුණු ද්‍රාවණයේ එක් එක් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ සිදුවන ප්‍රතික්‍රියා ලියා තැබීමයි.
– කැතෝඩයේදී (අඩු කිරීම):
මෙම ක්‍රියාවලියේදී, ජලයෙන් H+ අයන අඩු වනු ඇත:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– ඇනෝඩයේදී (ඔක්සිකරණය):
Cl- අයනය ඔක්සිකරණය වී Cl2 වායුව බවට පත්වේ:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
මුළු ප්‍රතිචාරය:
එබැවින් NaCl ද්‍රාවණයේ විද්‍යුත් විච්ඡේදනයේදී සිදුවන මුළු ප්‍රතික්‍රියාව වන්නේ:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
Cl2 ග්‍රෑම් 1 ක් නිපදවීමට අවශ්‍ය ආරෝපණය ගණනය කිරීම සඳහා, අපි Cl2 මවුල ගණන තීරණය කළ යුතුය:
\[ \පෙළ{Cl හි ස්කන්ධය}_2 = 1 \පෙළ{ ග්‍රෑම්} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ ග්‍රෑම්/මෝල්} \]
\[ \text{Cl}_2 හි මවුල ගණන = \frac{1}{71} \text{ mol} \]
ඇනෝඩයේ ප්‍රතික්‍රියා සමීකරණය මත පදනම්ව, ඉලෙක්ට්‍රෝන 2 mol වලින් Cl2 mol 1 ක් නිපදවනු ලැබේ:
\[ 2Cl^- \දකුණු ඊතලය Cl_2 + 2e^- \]
වෙනත් වචන වලින් කිවහොත්, Cl2 මවුලයක් සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල 2 ක් අවශ්‍ය වේ.
ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල ගණන:
\[ \text{ඉලෙක්ට්‍රෝන මවුල ගණන} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ mol} \]
අවශ්‍ය ආරෝපණය ෆැරඩේ අගය (F = 96485 C/mol e^-) භාවිතයෙන් ගණනය කළ හැක:
\[ Q = n \වරක් F \]
\[ Q = \වම(\frac{2}{71} \පෙළ{ mol}\දකුණ) \times 96485 \පෙළ{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \පෙළ{ C} \]
කේසිපුලන්:
- කැතෝඩයේ ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– ඇනෝඩයේ ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– Cl2 ග්‍රෑම් 1ක් නිපදවීමට අවශ්‍ය මුළු ආරෝපණය 2718C වේ.
-
උදාහරණය 3: නර්න්ස්ට් සම්බන්ධතාවය සහ සම්මත නොවන කොන්දේසි
ප්‍රශ්නය:
0.1 M රිදී අයන සාන්ද්‍රණයක් සහිත Ag/Ag+ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහ 0.01 M සාන්ද්‍රණයක් සහිත Zn/Zn2+ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ වලින් සාදන ලද වෝල්ටීය සෛලයක විභවය ගණනය කරන්න. සම්මත ඉලෙක්ට්‍රෝඩ විභවය වන්නේ:
\[ E^o_{\පෙළ{Ag}^{+}/\පෙළ{Ag}} = +0.80 \, \පෙළ{V} \]
\[ E^o_{\පෙළ{Zn}^{2+}/\පෙළ{Zn}} = -0.76 \, \පෙළ{V} \]
සාකච්ඡාව:
පළමු පියවර වන්නේ සිදුවන ප්‍රතික්‍රියා ලිවීමයි:
– ඇනෝඩයේ ඔක්සිකරණය (Zn):
\[ \පෙළ{Zn(s)} \දකුණු ඊතලය \පෙළ{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– කැතෝඩයේ අඩු කිරීම (Ag):
\[ \පෙළ{Ag}^{+} (aq) + e^- \දකුණු ඊතලය \පෙළ{Ag(s)} \]
මුළු ප්‍රතික්‍රියාව:
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \දකුණු ඊතලය \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag(s)} \]
නර්න්ස්ට් සමීකරණය මත පදනම්ව:
\[ E_{\පෙළ{සෛලය}} = E^o_{\පෙළ{සෛලය}} – \වම( \frac{0.0592}{n} \දකුණ) \log \වම( \frac{[\පෙළ{නිෂ්පාදනය}]}{[\පෙළ{ප්‍රතික්‍රියාකාරකය}]} \දකුණ) \]
කොහෙද:
\[ n = 2 \]
පළමුව, E^o_{\text{Sel}} ගණනය කරන්න:
\[ E^o_{\පෙළ{Sel}} = E^o_{\පෙළ{Ag}^{+}/\පෙළ{Ag}} – E^o_{\පෙළ{Zn}^{2+}/\පෙළ{Zn}} \]
\[ E^o_{\පෙළ{V}} = 0.80 \, \පෙළ{V} – (-0.76 \, \පෙළ{V}) \]
\[ E^o_{\පෙළ{සෛලය}} = 1.56 \, \පෙළ{V} \]
ඊළඟට, දී ඇති සාන්ද්‍රණයේදී සත්‍ය සෛල විභවය ගණනය කරන්න:
\[ E_{\පෙළ{Sel}} = 1.56 \, \පෙළ{V} – \වම( \frac{0.0592}{2} \දකුණ) \log \වම( \frac{[\පෙළ{Zn}^{2+}]}{[\පෙළ{Ag}^{+}]^2} \දකුණ) \]
\[ E_{\පෙළ{අලෙවිය}} = 1.56 \, \පෙළ{V} – \වම( \frac{0.0592}{2} \දකුණ) \ලොගය \වම( \frac{0.01}{(0.1)^2} \දකුණ) \]
\[ E_{\පෙළ{අලෙවිය}} = 1.56 \, \පෙළ{V} – 0.0296 \ලොගය \වම( \frac{0.01}{0.01} \දකුණ) \]
\[ E_{\පෙළ{සෛලය}} = 1.56 \, \පෙළ{V} \]
කේසිපුලන්:
– ඇනෝඩයේ සහ කැතෝඩයේ සිදුවන ප්‍රතික්‍රියා එලෙසම පවතී.
– දී ඇති සාන්ද්‍රණයක් සහිත සෛල විභවය 1.56 V වේ.
මෙම ලිපියෙන් විද්‍යුත් රසායන විද්‍යාවේ ගැටළු කිහිපයක් විසඳන්නේ කෙසේද යන්න පෙන්වනු ලැබේ, ඒවාට වෝල්ටීය සෛල, විද්‍යුත් විච්ඡේදක සෛල සහ නර්න්ස්ට් සමීකරණය භාවිතා කරන ගණනය කිරීම් ඇතුළත් වේ. රෙඩොක්ස් ප්‍රතික්‍රියා පිටුපස ඇති මූලධර්ම පිළිබඳ ගැඹුරු අවබෝධයක් සහ විද්‍යුත් රසායනික දත්ත භාවිතා කිරීමේ හැකියාව මෙම ආකාරයේ ගැටළු විසඳීමේ සාර්ථකත්වය සඳහා අත්‍යවශ්‍ය වේ.
