విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రాన్ని చర్చించే ప్రశ్నలకు ఉదాహరణ

విద్యుత్ రసాయన శాస్త్ర చర్చా ప్రశ్నలకు ఉదాహరణ

విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రం అనేది రసాయన చర్యలకు మరియు విద్యుత్ శక్తిలో మార్పులకు మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేసే రసాయన శాస్త్ర విభాగం. విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రంలో రెండు ప్రధాన భావనలు ఉన్నాయి: ఆక్సీకరణం (ఎలక్ట్రాన్ల విడుదల) మరియు క్షయకరణం (ఎలక్ట్రాన్ల గ్రహణం). ఈ ప్రక్రియలను రెండు రకాల విద్యుత్ రసాయన కణాలలో గమనించవచ్చు: వోల్టాయిక్ కణాలు (గాల్వానిక్ కణాలు) మరియు విద్యుద్విశ్లేషణ కణాలు. విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రాన్ని అర్థం చేసుకోవడంలో మీకు సహాయపడటానికి, కింద కొన్ని ఉదాహరణ సమస్యలు మరియు వాటి వివరణలు ఇవ్వబడ్డాయి.

ఉదాహరణ ప్రశ్న 1: వోల్టాయిక్ సెల్

ప్రశ్న:
సాల్ట్ బ్రిడ్జ్ ద్వారా అనుసంధానించబడిన జింక్ (Zn) మరియు రాగి (Cu) ఎలక్ట్రోడ్‌లతో కూడిన ఒక వోల్టాయిక్ సెల్ ఇవ్వబడింది. Zn ను 1 M ZnSO4 ద్రావణంలో మరియు Cu ను 1 M CuSO4 ద్రావణంలో ముంచారు. ప్రతి ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద జరిగే చర్యలను వ్రాయండి మరియు వోల్టాయిక్ సెల్ యొక్క పొటెన్షియల్ భేదాన్ని (EMF) లెక్కించండి. ప్రామాణిక ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ డేటా:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]

చర్చ:
జరిగే రెడాక్స్ చర్యను నిర్ధారించడం మొదటి దశ. వోల్టాయిక్ సెల్‌లో, ఆకస్మిక రెడాక్స్ చర్య ఎక్కడ జరుగుతుందనే దాని ప్రకారం జరుగుతుంది.

– జింక్ (Zn) ఆక్సీకరణకు గురవుతుంది:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– రాగి (Cu) క్షయకరణకు గురవుతుంది:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

వోల్టాయిక్ సెల్‌లో మొత్తం రెడాక్స్ చర్య:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]

తరువాత, మనం సెల్ పొటెన్షియల్ వ్యత్యాసాన్ని లెక్కిస్తాము:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]

ఎక్కడ:

– కాథోడ్ అనేది క్షయకరణం (Cu) జరిగే ఎలక్ట్రోడ్.
– ఆనోడ్ అనేది ఆక్సీకరణ (Zn) జరిగే ఎలక్ట్రోడ్.

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

ముగింపు:
– యానోడ్ (Zn) వద్ద జరిగే చర్య:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]

– కాథోడ్ (Cu) వద్ద జరిగే చర్య:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]

– సెల్ పొటెన్షియల్ వ్యత్యాసం (EMF): 1.10 V

-

ఉదాహరణ ప్రశ్న 2: విద్యుద్విశ్లేషణ కణం

ప్రశ్న:
NaCl ద్రావణం యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణలో, ప్లాటినం (Pt) వంటి జడ ఎలక్ట్రోడ్‌ను ఉపయోగించినప్పుడు కాథోడ్ మరియు ఆనోడ్ వద్ద జరిగే చర్యలను పేర్కొనండి. 1 గ్రాము Cl2 ను ఉత్పత్తి చేయడానికి అవసరమైన మొత్తం ఆవేశాన్ని లెక్కించండి. (Ar Cl = 35.5)

చర్చ:
NaCl లవణ ద్రావణంలో ప్రతి ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద జరిగే చర్యలను రాసుకోవడం మొదటి దశ.

– కాథోడ్ వద్ద (క్షయకరణం):
ఈ ప్రక్రియలో, నీటిలోని H+ అయాన్లు క్షయకరణం చెందుతాయి:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– యానోడ్ వద్ద (ఆక్సీకరణం):
Cl- అయాన్ ఆక్సీకరణకు గురై Cl2 వాయువుగా మారుతుంది:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

మొత్తం ప్రతిచర్య:
కాబట్టి NaCl ద్రావణం యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణలో జరిగే మొత్తం చర్య:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]

1 గ్రాము Cl2 ను ఉత్పత్తి చేయడానికి అవసరమైన ఆవేశాన్ని లెక్కించడానికి, మనం Cl2 మోల్‌ల సంఖ్యను కనుగొనాలి:
\[ Cl}_2 ద్రవ్యరాశి = 1 గ్రాము \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ గ్రాములు/మోల్} \]
\[ Cl₂ మోల్‌ల సంఖ్య = 1/71 మోల్ ]

యానోడ్ వద్ద జరిగే చర్య సమీకరణం ప్రకారం, 2 మోల్ ఎలక్ట్రాన్‌ల నుండి 1 మోల్ Cl2 ఉత్పత్తి అవుతుంది:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
మరో మాటలో చెప్పాలంటే, 1 మోల్ Cl2 కు 2 మోల్స్ ఎలక్ట్రాన్లు అవసరం.

ఎలక్ట్రాన్ల మోల్‌ల సంఖ్య:
\[ ఎలక్ట్రాన్ల మోల్‌ల సంఖ్య = 2 × 1/71 = 2/71 మోల్ ]

ఫారడే విలువను (F = 96485 C/mol e^-) ఉపయోగించి అవసరమైన చార్జ్‌ను లెక్కించవచ్చు:
[ Q = n × F ]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]

ముగింపు:
– కాథోడ్ వద్ద చర్య:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]

– యానోడ్ వద్ద ప్రతిచర్య:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]

– 1 గ్రాము Cl2 ను ఉత్పత్తి చేయడానికి అవసరమైన మొత్తం ఆవేశం 2718 C.

-

ఉదాహరణ 3: నెర్న్‌స్ట్ సంబంధం మరియు ప్రామాణికం కాని పరిస్థితులు

ప్రశ్న:
0.1 M వెండి అయాన్ గాఢత కలిగిన Ag/Ag+ ఎలక్ట్రోడ్‌లు మరియు 0.01 M గాఢత కలిగిన Zn/Zn2+ ఎలక్ట్రోడ్‌లతో తయారు చేయబడిన వోల్టాయిక్ సెల్ యొక్క పొటెన్షియల్‌ను లెక్కించండి. ప్రామాణిక ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]

చర్చ:
జరిగే ప్రతిచర్యలను రాసుకోవడం మొదటి దశ:

– యానోడ్ (Zn) వద్ద ఆక్సీకరణం:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– కాథోడ్ వద్ద క్షయకరణం (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]

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

నెర్న్‌స్ట్ సమీకరణం ఆధారంగా:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
ఎక్కడ:
[n = 2]

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

తరువాత, ఇచ్చిన గాఢత వద్ద వాస్తవ సెల్ పొటెన్షియల్‌ను లెక్కించండి:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]

ముగింపు:
– ఆనోడ్ మరియు కాథోడ్ వద్ద జరిగే చర్యలు ఒకే విధంగా ఉంటాయి
– ఇచ్చిన గాఢత వద్ద సెల్ పొటెన్షియల్ 1.56 V

ఈ వ్యాసం ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీలోని అనేక రకాల సమస్యలను ఎలా పరిష్కరించాలో చూపిస్తుంది, వీటిలో వోల్టాయిక్ కణాలు, ఎలక్ట్రోలైటిక్ కణాలు మరియు నెర్న్‌స్ట్ సమీకరణాన్ని ఉపయోగించి చేసే గణనలకు సంబంధించిన సమస్యలు కూడా ఉన్నాయి. ఈ రకమైన సమస్యలను విజయవంతంగా పరిష్కరించడానికి, రెడాక్స్ చర్యల వెనుక ఉన్న సూత్రాలపై పూర్తి అవగాహన మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్ డేటాను ఉపయోగించగల సామర్థ్యం చాలా అవసరం.