மின்வேதியியலைப் பற்றி விவாதிக்கும் கேள்விகளுக்கான எடுத்துக்காட்டு

மின்வேதியியல் கலந்துரையாடல் கேள்விகளுக்கான எடுத்துக்காட்டு

மின்வேதியியல் என்பது வேதி வினைகளுக்கும் மின் ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களுக்கும் இடையிலான தொடர்பைப் பற்றி ஆய்வு செய்யும் வேதியியலின் ஒரு பிரிவாகும். மின்வேதியியலில், ஆக்சிஜனேற்றம் (எலக்ட்ரான்களை வெளியிடுதல்) மற்றும் ஒடுக்கம் (எலக்ட்ரான்களைப் பெறுதல்) என இரண்டு முக்கியக் கருத்துக்கள் உள்ளன. இந்த செயல்முறைகளை இரண்டு வகையான மின்வேதியியல் மின்கலங்களில் காணலாம்: வோல்டா மின்கலங்கள் (கால்வனிக் மின்கலங்கள்) மற்றும் மின்பகுப்பு மின்கலங்கள். மின்வேதியியலைப் புரிந்துகொள்ள உங்களுக்கு உதவும் வகையில், சில எடுத்துக்காட்டுக் கணக்குகளும் அவற்றின் விளக்கங்களும் கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ளன.

எடுத்துக்காட்டு கேள்வி 1: வோல்டாயிக் மின்கலம்

கேள்வி:
உப்புப் பாலம் மூலம் இணைக்கப்பட்ட துத்தநாகம் (Zn) மற்றும் தாமிரம் (Cu) மின்முனைகளைக் கொண்ட ஒரு வோல்டாயிக் மின்கலம் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. Zn ஆனது 1 M ZnSO4 கரைசலிலும், Cu ஆனது 1 M CuSO4 கரைசலிலும் அமிழ்த்தப்பட்டுள்ளது. ஒவ்வொரு மின்முனையிலும் நிகழும் வினைகளை எழுதி, வோல்டாயிக் மின்கலத்தின் மின்னழுத்த வேறுபாட்டை (EMF) கணக்கிடுங்கள். திட்ட மின்முனை மின்னழுத்தத் தரவுகள்:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]

கலந்துரையாடல்:
நிகழும் ஆக்சிஜன் ஒடுக்க வினையைக் கண்டறிவதே முதல் படியாகும். ஒரு வோல்டாயிக் கலத்தில், தன்னிச்சையான ஆக்சிஜன் ஒடுக்க வினை நிகழும் இடம்...

– துத்தநாகம் (Zn) ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கு உள்ளாகிறது:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– தாமிரம் (Cu) ஒடுக்கத்திற்கு உள்ளாகிறது:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

ஒரு வோல்டாயிக் கலத்தில் நிகழும் மொத்த ஆக்சிஜன் ஒடுக்க வினை:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]

அடுத்து, மின்கல மின்னழுத்த வேறுபாட்டைக் கணக்கிடுவோம்:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]

எங்கே:

எதிர்மின்வாய் என்பது ஒடுக்கம் (Cu) நிகழும் மின்முனை ஆகும்.
– ஆனோடு என்பது ஆக்சிஜனேற்றம் (துத்தநாகம்) நிகழும் மின்முனை ஆகும்.

அதனால்,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]

கேசிம்புலன்:
– ஆனோடில் (துத்தநாகம்) நிகழும் வினை:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– எதிர்மின்வாயில் (Cu) நிகழும் வினை:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

– மின்கல மின்னழுத்த வேறுபாடு (EMF): 1.10 V

-

எடுத்துக்காட்டு கேள்வி 2: மின்பகுப்பு மின்கலம்

கேள்வி:
NaCl கரைசலின் மின்பகுப்பு வினையில், பிளாட்டினம் (Pt) போன்ற ஒரு மந்த மின்முனை பயன்படுத்தப்பட்டால், எதிர்மின்முனை மற்றும் நேர்மின்முனையில் நிகழும் வினைகளைக் குறிப்பிடுக. 1 கிராம் Cl2-ஐ உற்பத்தி செய்யத் தேவைப்படும் மொத்த மின்னூட்டத்தைக் கணக்கிடுக. (Ar Cl = 35.5)

கலந்துரையாடல்:
NaCl உப்பு கரைசலில் உள்ள ஒவ்வொரு மின்முனையிலும் நிகழும் வினைகளைக் குறித்து வைப்பதே முதல் படியாகும்.

– எதிர்மின்வாயில் (ஒடுக்கம்):
இந்தச் செயல்முறையில், நீரிலிருந்து வரும் H+ அயனிகள் ஒடுக்கப்படும்:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– ஆனோடில் (ஆக்சிஜனேற்றம்):
Cl- அயனி ஆக்ஸிஜனேற்றத்திற்கு உட்பட்டு Cl2 வாயுவாக மாறும்:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

மொத்த எதிர்வினை:
எனவே, NaCl கரைசலின் மின்பகுப்பில் நிகழும் மொத்த வினை பின்வருமாறு:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]

1 கிராம் Cl2-ஐ உற்பத்தி செய்யத் தேவையான மின்னூட்டத்தைக் கணக்கிட, நாம் Cl2-இன் மோல்களின் எண்ணிக்கையைத் தீர்மானிக்க வேண்டும்:
\[ \text{Cl}_2 இன் நிறை = 1 \text{ கிராம்} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ கிராம்/மோல்} \]
\[ \text{Cl}_2 இன் மோல்களின் எண்ணிக்கை = \frac{1}{71} \text{ மோல்} \]

ஆனோடில் உள்ள வினைச் சமன்பாட்டின் அடிப்படையில், 2 மோல் எலக்ட்ரான்களிலிருந்து 1 மோல் Cl2 உருவாகிறது:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
வேறுவிதமாகக் கூறினால், 1 மோல் Cl2-க்கு 2 மோல் எலக்ட்ரான்கள் தேவைப்படுகின்றன.

எலக்ட்ரான்களின் மோல்களின் எண்ணிக்கை:
\[ \text{எலக்ட்ரான்களின் மோல்களின் எண்ணிக்கை} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{ மோல்} \]

ஃபாரடே மதிப்பைப் (F = 96485 C/mol e^-) பயன்படுத்தித் தேவையான மின்னூட்டத்தைக் கணக்கிடலாம்:
\[ Q = n \times F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]

கேசிம்புலன்:
– எதிர்மின்வாயில் ஏற்படும் வினை:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– ஆனோடில் ஏற்படும் வினை:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

1 கிராம் Cl2 ஐ உற்பத்தி செய்யத் தேவைப்படும் மொத்த மின்னூட்டம் 2718 C ஆகும்.

-

எடுத்துக்காட்டு 3: நெர்ன்ஸ்ட் தொடர்பு மற்றும் திட்டமற்ற நிபந்தனைகள்

கேள்வி:
0.1 M வெள்ளி அயனிச் செறிவு கொண்ட Ag/Ag+ மின்முனைகள் மற்றும் 0.01 M செறிவு கொண்ட Zn/Zn2+ மின்முனைகளால் செய்யப்பட்ட ஒரு வோல்டாயிக் கலத்தின் மின்னழுத்தத்தைக் கணக்கிடுக. திட்ட மின்முனை மின்னழுத்தம்:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]

கலந்துரையாடல்:
ஏற்படும் எதிர்வினைகளை எழுதி வைப்பதே முதல் படியாகும்:

– ஆனோடில் ஆக்சிஜனேற்றம் (துத்தநாகம்):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– எதிர்மின்வாயில் ஒடுக்கம் (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]

மொத்த எதிர்வினை:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]

நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டின் அடிப்படையில்:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
எங்கே:
\[ n = 2 \]

முதலில், E^o_{\text{Sel}} ஐக் கணக்கிடுங்கள்:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]

அடுத்து, கொடுக்கப்பட்ட செறிவில் உண்மையான மின்கல மின்னழுத்தத்தைக் கணக்கிடுங்கள்:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]

கேசிம்புலன்:
– ஆனோடு மற்றும் கேத்தோடில் நிகழும் வினைகள் ஒரே மாதிரியாகவே இருக்கும்.
– கொடுக்கப்பட்ட செறிவில் மின்கலத்தின் மின்னழுத்தம் 1.56 V ஆகும்.

வோல்டா மின்கலங்கள், மின்பகுப்பு மின்கலங்கள் மற்றும் நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தும் கணக்கீடுகள் உள்ளிட்ட மின்வேதியியலில் உள்ள பல வகையான சிக்கல்களை எவ்வாறு தீர்ப்பது என்பதை இந்தக் கட்டுரை விளக்குகிறது. இவ்வகைச் சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதில் வெற்றிபெற, ஆக்சிஜன் ஒடுக்க வினைகளின் பின்னணியில் உள்ள கோட்பாடுகளைப் பற்றிய முழுமையான புரிதலும், மின்வேதியியல் தரவுகளைப் பயன்படுத்தும் திறனும் அவசியமானவை.