Пример питања о волтаичним ћелијама
Пендахулуан
Галванска ћелија, позната и као ћелија, је уређај који претвара хемијску енергију у електричну енергију путем редокс (оксидационо-редукционе) реакције. Галванска ћелија се састоји од две електроде, обично направљене од различитих метала, уроњене у електролит и повезане соним мостом. У овом чланку ћемо размотрити неколико примера везаних за галванске ћелије како бисмо продубили наше разумевање њихових принципа рада и начина израчунавања ћелијског потенцијала.
Основна теорија волтаичних ћелија
Пре него што пређемо на примере проблема, важно је разумети основне концепте и компоненте које чине Волтину ћелију:
1. Анода и катода: У Волтиној ћелији, анода је електрода где се одвија оксидација, а катода је електрода где се одвија редукција. Анода има негативно наелектрисање, док катода има позитивно наелектрисање.
2. Путања електрона: Електрони теку од аноде до катоде кроз спољашње коло, производећи електричну струју.
3. Ћелијски потенцијал (Е°ћелија): Ћелијски потенцијал је потенцијална разлика између две електроде. Стандардни ћелијски потенцијал (Е°ћелија) може се израчунати помоћу формуле:
\[
Е°ћелија = Е°катода – Е°анода
\]
где су \(E°катоде\) и \(E°аноде\) стандардни редукциони потенцијали катоде и аноде.
4. Сољени мост: Овај мост уравнотежује јонска наелектрисања у оба раствора електролита омогућавајући кретање јона.
Цонтох Соал и Пембахасан
Да бисмо разјаснили ове концепте, размотримо неколико примера проблема.
Пример питања 1
Питање:
Израчунајте стандардни потенцијал Волтине ћелије која се састоји од Zn | Zn²⁺ (aq) електрода и Cu | Cu²⁺ (aq) електрода. Познато је да је стандардни редукциони потенцијал \(E°\) за Zn²⁺ | Zn -0.76 V и \(E°\) за Cu²⁺ | Cu +0.34 V.
Дискусија:
Први корак је одредити која је анода, а која катода.
Zn има негативнији редукциони потенцијал (-0.76 V) од Cu (+0.34 V), тако да ће Zn функционисати као анода (место оксидације), а Cu као катода (место редукције).
Даље, користимо формулу:
\[
Е°ћелија = Е°катода – Е°анода
\]
Замените познате вредности:
\[
E°ćelija = 0.34 V – (-0.76 V)
\]
\[
E°ćelija = 0.34 V + 0.76 V
\]
\[
E°ćelija = 1.10 V
\]
Дакле, стандардни потенцијал ћелије је 1.10 V.
Пример питања 2
Питање:
Волтина ћелија је направљена од Fe | Fe²⁺ електрода и Ag | Ag⁺ електрода. Стандардни редукциони потенцијал за Fe²⁺ | Fe је -0.44 V, а за Ag⁺ | Ag је +0.80 V. Израчунајте стандардни потенцијал ћелије и напишите ћелијску реакцију.
Дискусија:
Као и раније, потребно је да одредимо аноду и катоду. Пошто је редукциони потенцијал Fe²⁺/Fe негативнији од потенцијала Ag⁺/Ag, Fe ће деловати као анода, а Ag као катода.
Користите формулу:
\[
Е°ћелија = Е°катода – Е°анода
\]
\[
E°ćelija = 0.80 V – (-0.44 V)
\]
\[
E°ćelija = 0.80 V + 0.44 V
\]
\[
E°ćelija = 1.24 V
\]
Стандардни потенцијал ћелије је 1.24 V.
За целокупну ћелијску реакцију, комбинујемо реакције оксидације и редукције:
– Реакција на аноди: \( \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^- \)
– Реакција на катоди: \( \text{Ag}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag} \)
Уравнотежење броја електрона у обе реакције:
\[
\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}^-
\]
\[
2\text{Ag}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{Ag}
\]
Укупна ћелијска реакција:
\[
\text{Fe} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{Ag}
\]
Пример питања 3
Питање:
Израчунајте потенцијал ћелије на 25°C за Волтину ћелију која се састоји од Al | Al³⁺ електрода и Ni | Ni²⁺ електрода, ако је концентрација Al³⁺ 0.001 M, а концентрација Ni²⁺ 1 M. Познато је да је \(E°\) за Al³⁺ | Al -1.66 V и \(E°\) за Ni²⁺ | Ni -0.23 V.
Дискусија:
Прво, одредите аноду и катоду:
– Редукциони потенцијал Al³⁺/Al је негативнији (-1.66 V) него Ni²⁺/Ni (-0.23 V), тако да је Al анода, а Ni катода.
Стандардни ћелијски потенцијал се израчунава као:
\[
Е°ћелија = Е°катода – Е°анода
\]
\[
E°ћелија = -0.23 V – (-1.66 V)
\]
\[
E°ćelija = -0.23 V + 1.66 V
\]
\[
E°ćelija = 1.43 V
\]
Затим, користимо Нернстову једначину да израчунамо ћелијски потенцијал под нестандардним условима:
\[
E_{ћелија} = E°ћелија – (RT}{nF) ln Q
\]
Где је \( Q = \frac{[\text{Al}³⁺]}{[\text{Ni}²⁺]} \), R је гасна константа (8.314 J/mol·K), T је температура у Келвинима (298 K на 25°C), F је Фарадејева константа (96485 C/mol), а n је број електрона (6 за реакције које укључују Al³⁺ и Ni²⁺).
Унесите познате вредности у једначину:
\[
Q = \frac{0.001}{1} = 0.001
\]
\[
E_{ћелија} = 1.43 V – (8.314 пута 298}{6 пута 96485) ≥ 0.001
\]
\[
E_{ћелија} = 1.43 V – (2477.172}{578910) ≥ 0.001
\]
\[
E_{ћелија} = 1.43 V – (0.00428) ≥ 0.001
\]
\[
0.001 = -6.907
\]
\[
E_{ћелија} = 1.43 V – (0.00428 пута -6.907)
\]
\[
E_{ћелија} = 1.43 V + 0.0295
\]
\[
E_{ћелија} = 1.4595 V
\]
Дакле, потенцијал ћелије у овом стању је око 1.46 V.
Закључак
Волтинова ћелија је фундаментални концепт у електрохемији који претвара хемијску енергију у електричну енергију. Овај чланак је представио основе теорије Волтиних ћелија и пружио примере који помажу у разјашњавању процеса израчунавања ћелијског потенцијала. Са овим разумевањем, читаоци ће се надамо боље разумети Волтине ћелије и њихову примену у различитим контекстима.
