සම්මත යොමු ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය පිළිබඳ සාකච්ඡා ප්රශ්න සඳහා උදාහරණය
පෙන්ඩහුලුවන්
විද්යුත් රසායන විද්යාව යනු රසායනික ප්රතික්රියා සහ විද්යුත් සංසිද්ධි අතර සම්බන්ධතාවය අධ්යයනය කරන රසායන විද්යාවේ ශාඛාවකි. විද්යුත් රසායන විද්යාවේ මූලික සංකල්පවලින් එකක් වන්නේ ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවයයි. ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය යනු ඉලෙක්ට්රෝඩයක් ඉලෙක්ට්රෝන ආකර්ෂණය කර ගැනීමට හෝ මුදා හැරීමට ඇති ප්රවණතාවයේ මිනුමක් වේ.
විද්යුත් රසායන විද්යාවේදී, බහුලව භාවිතා වන ප්රමිතියක් වන්නේ සම්මත හයිඩ්රජන් ඉලෙක්ට්රෝඩය (SHE) ය. SHE යනු සියලු උෂ්ණත්වවලදී ශුන්ය වෝල්ට් විභවයක් ඇති බව අර්ථ දැක්වේ. එය අනෙකුත් ඉලෙක්ට්රෝඩවල විභවයන් මැනීම සහ සංසන්දනය කිරීම සඳහා විශ්වීය යොමුවක් ලෙස සේවය කරයි. ගැඹුරු අවබෝධයක් ඇති කිරීම සඳහා සම්මත යොමු ඉලෙක්ට්රෝඩයේ විභවය සාකච්ඡා කරන උදාහරණ ගැටළු හරහා සවිස්තරාත්මක පැහැදිලි කිරීමක් සැපයීම මෙම ලිපියේ අරමුණයි.
ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය සහ SHE
ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය අත්තනෝමතික ලෙස 0 V ලෙස සකසා ඇති SHE යොමු ලක්ෂ්යයක් ලෙස ක්රියා කරයි. හයිඩ්රජන් ඉලෙක්ට්රෝඩ ප්රතික්රියාව සඳහා සමීකරණය පහත පරිදි වේ:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \rightarrow H_2 (g) \]
ප්රායෝගිකව, SHE තත්වයන් අනුකරණය කිරීම නිර්මාණය කිරීම දුෂ්කර වන අතර සංතෘප්ත කැලොමෙල් ඉලෙක්ට්රෝඩය (SCE) හෝ රිදී/රිදී ක්ලෝරයිඩ් (Ag/AgCl) වැනි අනෙකුත් සම්මත යොමු ඉලෙක්ට්රෝඩ භාවිතා කිරීම වඩාත් සුලභ වේ.
නියැදි ප්රශ්න සහ සාකච්ඡා
ප්රශ්නය 1: විද්යුත් රසායනික සෛලයක ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය තීරණය කිරීම
ප්රශ්නය:
උදාහරණයක් ලෙස, Zn(s) සහ Cu^2+(aq) අතර ප්රතික්රියාවේ සෛල විභවය තීරණය කිරීමට අපෙන් ඉල්ලා සිටී. Zn^2+/Zn සඳහා සම්මත ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය -0.76 V වන අතර Cu^2+/Cu සඳහා +0.34 V බව දන්නා කරුණකි. SHE යොමුවක් ලෙස භාවිතා කරන සෛල විභවය කුමක්ද?
පිළිතුර:
ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවයන් භාවිතයෙන් අපි සෛල විභවය \( E_{ සෛලය} \) ගණනය කළ යුතුය. සෛලයේ මුළු ප්රතික්රියාව:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \දකුණු ඊතලය Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය මෙසේ ලියා ඇත:
\[ E_{cell} = E_{කැතෝඩය} – E_{anode} \]
කැතෝඩය අඩු කිරීමේ ප්රතික්රියාවක් වන අතර ඇනෝඩය ඔක්සිකරණ ප්රතික්රියාවක් වන විට. සම්මත විභවය මත පදනම්ව:
– කැතෝඩ සම්මත විභවය \( E^0_{cathode} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– ඇනෝඩයේ සම්මත විභවය \( E^0_{ඇනෝඩය} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
ආදේශන අගයන්:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \පෙළ{V} – (-0.76 \, \පෙළ{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \පෙළ{V} + 0.76 \, \පෙළ{V} \]
\[ E_{සෛලය} = 1.10 \, \පෙළ{V} \]
එබැවින්, සෛල විභවය 1.10 V වේ.
ප්රශ්නය 2: සම්මත නොවන තත්වයන් යටතේ නර්න්ස්ට් සමීකරණය භාවිතා කිරීම
ප්රශ්නය:
Cu^2+ අයනවල සාන්ද්රණය 0.01 M සහ Zn^2+ අයනවල සාන්ද්රණය 1.00 M නම්, Zn(s) සහ Cu^2+(aq) අතර විද්යුත් රසායනික ප්රතික්රියාව සඳහා 298 K දී සෛල විභවය (E) ගණනය කරන්න.
පිළිතුර:
තත්වයන් සම්මත නොවන විට (සම්මත නොවන) සෛල විභවය ගණනය කිරීමට නර්න්ස්ට් සමීකරණය අපට ක්රමයක් සපයයි. නර්න්ස්ට් සමීකරණය:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
කොහෙද,
– \( E^0 \) යනු සම්මත සෛල විභවයයි
– \( R \) යනු වායු නියතය (8.314 J/mol·K) වේ.
– \( T \) යනු කෙල්වින් (298 K) හි උෂ්ණත්වයයි.
– \( n \) යනු සමාන ප්රතික්රියාවකදී මාරු කරන ලද ඉලෙක්ට්රෝන මවුල ගණනයි (Zn/Cu සඳහා ඉලෙක්ට්රෝන මවුල 2)
– \( F \) යනු ෆැරඩේ නියතය (96485 C/mol) වේ.
– \( Q \) යනු ප්රතික්රියා ප්රතිශතයයි:
\[ Q = \frac{[නිෂ්පාදන]}{[ප්රතික්රියාකාරක]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
නර්න්ස්ට් සමීකරණයට අගයන් ආදේශ කරන්න:
පෙර ගැටලුවේ සම්මත විභවය \( E^0 \) 1.10 V වේ.
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\දකුණ) \]
පළමුව, උෂ්ණත්ව පදය සහ ප්රතික්රියා ප්රමාණය ගණනය කරන්න:
\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \ආසන්න වශයෙන් 0.0128 \, \text{V} \]
එය J ට ගැලපෙන පරිදි වෝල්ට් බවට පරිවර්තනය කිරීමට අමතක නොකරන්න:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
ඒ නිසා:
\[ E = 1.10 \, \පෙළ{V} – 0.0128 \වරක් 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \පෙළ{V} \]
එබැවින්, සම්මත නොවන තත්වයන් යටතේ සෛල විභවය 1.041 V වේ.
නිගමනය
විද්යුත් රසායන විද්යාව යනු කර්මාන්ත හා විද්යාත්මක පර්යේෂණවල බොහෝ යෙදීම් සහිත ඉතා වැදගත් ක්ෂේත්රයකි. ඉලෙක්ට්රෝඩ විභවය වැනි මූලික සංකල්ප තේරුම් ගැනීම සහ නර්න්ස්ට් සමීකරණය භාවිතා කිරීම විවිධ තත්වයන් යටතේ සෛල විභවයන් ගණනය කිරීමට අපට ඉඩ සලසයි. මෙම උදාහරණයේදී, සම්මත යොමු ඉලෙක්ට්රෝඩයක් භාවිතයෙන් සෛල විභවය තීරණය කරන්නේ කෙසේද සහ සාන්ද්රණය වැනි සාධක සෛල විභවයට බලපාන්නේ කෙසේද යන්න අපි දැක ඇත්තෙමු.
ජෛව සංවේදකවල සිට බැටරි දක්වා පුළුල් පරාසයක යෙදුම් සඳහා විද්යුත් රසායනික මූලධර්ම පිළිබඳ ගැඹුරු අවබෝධයක් ලබා ගැනීමේ වැදගත්කම මෙම සාකච්ඡාවෙන් පෙන්නුම් කෙරේ. විද්යුත් රසායනික තාක්ෂණ පර්යේෂණ සහ යෙදුම් කෙරෙහි උනන්දුවක් දක්වන ඕනෑම කෙනෙකුට එය ශක්තිමත් පදනමක් සපයයි.
