වෝල්ටයික් සෛල සාකච්ඡා කරන උදාහරණ ප්රශ්න
පෙන්ඩහුලුවන්
ගැල්වනික් සෛලයක් ලෙසද හැඳින්වෙන වෝල්ටීය සෛලයක් යනු රෙඩොක්ස් (ඔක්සිකරණ-අඩු කිරීමේ) ප්රතික්රියාවක් හරහා රසායනික ශක්තිය විද්යුත් ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කරන උපකරණයකි. වෝල්ටීය සෛලයක් ඉලෙක්ට්රෝඩ දෙකකින් සමන්විත වන අතර ඒවා සාමාන්යයෙන් අසමාන ලෝහ වලින් සාදා ඇති අතර ඒවා ඉලෙක්ට්රෝලයක ගිල්වා ලුණු පාලමකින් සම්බන්ධ වේ. මෙම ලිපියෙන්, වෝල්ටීය සෛලවල ක්රියාකාරී මූලධර්ම සහ සෛල විභවය ගණනය කරන්නේ කෙසේද යන්න පිළිබඳ අපගේ අවබෝධය ගැඹුරු කිරීම සඳහා අපි ඒවාට අදාළ උදාහරණ කිහිපයක් සාකච්ඡා කරමු.
වෝල්ටයික් සෛල පිළිබඳ මූලික න්යාය
උදාහරණ ගැටළු වෙත යාමට පෙර, වෝල්ටයික් සෛලයක් සෑදෙන මූලික සංකල්ප සහ සංරචක තේරුම් ගැනීම වැදගත් වේ:
1. ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය: වෝල්ටයික් සෛලයක, ඇනෝඩය යනු ඔක්සිකරණය සිදුවන ඉලෙක්ට්රෝඩය වන අතර, කැතෝඩය යනු අඩු කිරීම සිදුවන ඉලෙක්ට්රෝඩයයි. ඇනෝඩයට සෘණ ආරෝපණයක් ඇති අතර, කැතෝඩයට ධන ආරෝපණයක් ඇත.
2. ඉලෙක්ට්රෝන මාර්ගය: ඉලෙක්ට්රෝන බාහිර පරිපථයක් හරහා ඇනෝඩයේ සිට කැතෝඩය දක්වා ගලා ගොස් විද්යුත් ධාරාවක් නිපදවයි.
3. සෛල විභවය (E°cell): සෛල විභවය යනු ඉලෙක්ට්රෝඩ දෙකක් අතර විභව වෙනසයි. සම්මත සෛල විභවය (E°cell) සූත්රය භාවිතයෙන් ගණනය කළ හැක:
\[
E° සෛලය = E° කැතෝඩය – E° ඇනෝඩය
\]
මෙහි \(E°කැතෝඩය\) සහ \(E°ඇනෝඩය\) යනු කැතෝඩයේ සහ ඇනෝඩයේ සම්මත අඩු කිරීමේ විභවයන් වේ.
4. ලුණු පාලම: මෙම පාලම අයන චලනය වීමට ඉඩ දීමෙන් ඉලෙක්ට්රෝලය ද්රාවණ දෙකෙහිම අයන ආරෝපණ සමතුලිත කරයි.
නියැදි ප්රශ්න සහ සාකච්ඡා
මෙම සංකල්ප පැහැදිලි කිරීම සඳහා, උදාහරණ ගැටළු කිහිපයක් සාකච්ඡා කරමු.
උදාහරණ ප්රශ්නය 1
ප්රශ්නය :
Zn | Zn²⁺ (aq) ඉලෙක්ට්රෝඩ සහ Cu | Cu²⁺ (aq) ඉලෙක්ට්රෝඩ වලින් සමන්විත වෝල්ටා සෛලයක සම්මත සෛල විභවය ගණනය කරන්න. Zn²⁺ | Zn සඳහා සම්මත අඩු කිරීමේ විභවය \(E°\) -0.76 V වන අතර Cu²⁺ | Cu සඳහා \(E°\) +0.34 V බව දන්නා කරුණකි.
සාකච්ඡාව :
පළමු පියවර වන්නේ ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය කුමක්ද යන්න තීරණය කිරීමයි.
Zn හි Cu (+0.34 V) ට වඩා සෘණ අඩු කිරීමේ විභවය (-0.76 V) වැඩි බැවින් Zn ඇනෝඩය (ඔක්සිකරණ ස්ථානය) ලෙසත් Cu කැතෝඩය (අඩු කිරීමේ ස්ථානය) ලෙසත් ක්රියා කරයි.
ඊළඟට, අපි සූත්රය භාවිතා කරමු:
\[
E° සෛලය = E° කැතෝඩය – E° ඇනෝඩය
\]
දන්නා අගයන් ආදේශ කරන්න:
\[
E°cell = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°cell = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°කෝෂය = 1.10 V
\]
එබැවින්, සම්මත සෛල විභවය 1.10 V වේ.
උදාහරණ ප්රශ්නය 2
ප්රශ්නය :
වෝල්ටීය සෛලයක් Fe | Fe²⁺ ඉලෙක්ට්රෝඩ සහ Ag | Ag⁺ ඉලෙක්ට්රෝඩ වලින් සෑදී ඇත. Fe²⁺ | Fe සඳහා සම්මත අඩු කිරීමේ විභවය -0.44 V වන අතර Ag⁺ | Ag සඳහා +0.80 V වේ. සම්මත සෛල විභවය ගණනය කර සෛල ප්රතික්රියාව ලියන්න.
සාකච්ඡාව :
පෙර මෙන්, අපි ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය තීරණය කළ යුතුයි. Fe²⁺/Fe හි අඩු කිරීමේ විභවය Ag⁺/Ag ට වඩා සෘණ බැවින්, Fe ඇනෝඩය ලෙසත් Ag කැතෝඩය ලෙසත් ක්රියා කරයි.
සූත්රය භාවිතා කරන්න:
\[
E° සෛලය = E° කැතෝඩය – E° ඇනෝඩය
\]
\[
E°cell = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°cell = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°කෝෂය = 1.24 V
\]
සම්මත සෛල විභවය 1.24 V වේ.
සමස්ත සෛල ප්රතික්රියාව සඳහා, අපි ඔක්සිකරණ සහ අඩු කිරීමේ ප්රතික්රියා ඒකාබද්ධ කරමු:
– ඇනෝඩයේ ප්රතික්රියාව: \( \text{Fe} \දකුණු ඊතලය \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– කැතෝඩයේ ප්රතික්රියාව: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \දකුණු ඊතලය \text{Ag} \)
ප්රතික්රියා දෙකෙහිම ඉලෙක්ට්රෝන ගණන තුලනය කිරීම:
\[
\text{Fe} \දකුණු ඊතලය \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\පෙළ{Ag}^+ + 2\පෙළ{e}^- \දකුණු ඊතලය 2\පෙළ{Ag}
\]
සමස්ත සෛල ප්රතික්රියාව:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \දකුණු ඊතලය \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
උදාහරණ ප්රශ්නය 3
ප්රශ්නය :
Al³⁺ හි සාන්ද්රණය 0.001 M සහ Ni²⁺ හි සාන්ද්රණය 1 M නම්, Al | Al³⁺ ඉලෙක්ට්රෝඩ සහ Ni | Ni²⁺ ඉලෙක්ට්රෝඩ වලින් සමන්විත වෝල්ටීය සෛලයක් සඳහා 25°C දී සෛල විභවය ගණනය කරන්න. Al³⁺ | Al සඳහා \(E°\) -1.66 V සහ Ni²⁺ | Ni සඳහා \(E°\) -0.23 V බව දන්නා කරුණකි.
සාකච්ඡාව :
පළමුව, ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය තීරණය කරන්න:
– Al³⁺/Al හි අඩු කිරීමේ විභවය Ni²⁺/Ni (-0.23 V) ට වඩා සෘණ (-1.66 V) වේ, එබැවින් Al යනු ඇනෝඩය වන අතර Ni යනු කැතෝඩයයි.
සම්මත සෛල විභවය ගණනය කරනු ලබන්නේ:
\[
E° සෛලය = E° කැතෝඩය – E° ඇනෝඩය
\]
\[
E°කෝෂය = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°කෝෂය = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°කෝෂය = 1.43 V
\]
ඊළඟට, සම්මත නොවන තත්වයන් යටතේ සෛල විභවය ගණනය කිරීම සඳහා අපි නර්න්ස්ට් සමීකරණය භාවිතා කරමු:
\[
E_{සෛලය} = E°සෛලය – \වම( \frac{RT}{nF} \දකුණ) \ln Q
\]
\( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R යනු වායු නියතය (8.314 J/mol·K), T යනු කෙල්වින් හි උෂ්ණත්වය (25°C දී 298 K), F යනු ෆැරඩේ නියතය (96485 C/mol), සහ n යනු ඉලෙක්ට්රෝන ගණන (Al³⁺ සහ Ni²⁺ ඇතුළත් ප්රතික්රියා සඳහා 6) මෙහි දැක්වේ.
දන්නා අගයන් සමීකරණයට ආදේශ කරන්න:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.43 V – \left( \frac{8.314 \times 298}{6 \times 96485} \right) \ln 0.001
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.43 V – \වම( \frac{2477.172}{578910} \දකුණ) \ln 0.001
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.43 V – (0.00428) \ln 0.001
\]
\[
\ln 0.001 = -6.907
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.43 V – (0.00428 \times -6.907)
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{සෛලය} = 1.4595 V
\]
ඉතින්, මෙම තත්වයේදී සෛල විභවය 1.46 V පමණ වේ.
නිගමනය
වෝල්ටීය සෛලයක් යනු රසායනික ශක්තිය විද්යුත් ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කරන විද්යුත් රසායන විද්යාවේ මූලික සංකල්පයකි. මෙම ලිපියෙන් වෝල්ටීය සෛල න්යායේ මූලික කරුණු හඳුන්වා දී ඇති අතර සෛල විභවය ගණනය කිරීමේ ක්රියාවලිය පැහැදිලි කිරීමට උපකාරී වන උදාහරණ සපයා ඇත. මෙම අවබෝධය සමඟින්, පාඨකයින්ට විවිධ සන්දර්භයන් තුළ වෝල්ටීය සෛල සහ ඒවායේ යෙදීම් පිළිබඳ වඩා හොඳ අවබෝධයක් ලැබෙනු ඇතැයි අපේක්ෂා කෙරේ.
