Намунаҳои саволҳо ва муҳокимаи татбиқи электрохимиявӣ
Электрохимия як соҳаи химия аст, ки робитаи байни реаксияҳои кимиёвӣ ва барқро меомӯзад. Дар ҳаёти ҳаррӯза электрохимияро дар соҳаҳои гуногун, аз қабили батареяҳо, сенсорҳо, зангзанӣ ва равандҳои электроплиткунӣ пайдо кардан мумкин аст. Барои дарки бештари ин, мо якчанд мисолҳои масъалаҳо ва муҳокимаҳои марбут ба татбиқи электрохимияро пешниҳод менамоем.
Намунаи саволи 1: Батареяи галванӣ (элементи волтаикӣ)
Савол:
Як элементи галванӣ бо электродҳои Zn (руҳ) ва Cu (мис), ки мутаносибан ба маҳлулҳои ZnSO₄ ва CuSO₄ тар карда шудаанд, сохта шудааст. Потенсиали стандартии электрод барои Zn²⁺/Zn -0,76 В ва барои Cu²⁺/Cu +0,34 В аст. Шиддати элементи (элементи E°) элементи галваниро ҳисоб кунед.
Муҳокима:
1. Реаксияи нимҳуҷайраҳоро муайян кунед:
– Реаксияи нимҳуҷайравӣ барои руҳ (Zn):
\[
Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-
\]
– Реаксияи нимҳуҷайравӣ барои мис (Cu):
\[
Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu
\]
2. Муайян кардани анод ва катод:
– Анод (оксидшавӣ): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (манфитар, -0.76 В)
– Катод (камшавӣ): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (мусбаттар, +0.34 В)
3. Ҳисоб кардани шиддати ҳуҷайра (E° ҳуҷайра):
– Формулаи стандартии шиддати ҳуҷайра:
\[
E°_{\text{cell}} = E°_{\text{катод}} – E°_{\text{анод}}
\]
Бо:
\[
E°_{\text{катод}} = +0,34 \text{ V}
\]
\[
E°_{\text{анод}} = -0,76 \text{ V}
\]
– Пас, шиддати ҳуҷайра:
\[
E°_{\text{sel}} = 0.34 \text{ V} – (-0.76 \text{ V}) = 1.10 \text{ V}
\]
Намунаи саволи 2: Электролизи маҳлули NaCl
Савол:
Ҳангоми электролизи маҳлули NaCl (aq) бо истифода аз электродҳои инертӣ, газҳои ҳосилшударо дар анод ва катод муайян кунед. Инчунин, реаксияҳоеро, ки дар ҳар як электрод ба амал меоянд, нависед.
Муҳокима:
1. Реаксия дар электрод:
– Катод (камшавӣ):
Ионҳое, ки метавонанд дар онҳо иштирок кунанд, Na⁺ ва H₂O мебошанд.
Реаксияҳои коҳишдиҳӣ, ки одатан ба амал меоянд, инҳоянд:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
Пас, газе, ки дар катод ҳосил мешавад, \(H_2 \) аст.
– Анод (оксидшавӣ):
Ионҳое, ки метавонанд дар онҳо иштирок кунанд, Cl⁻ ва H₂O мебошанд.
Реаксияҳои оксидшавӣ, ки одатан ба амал меоянд, инҳоянд:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
Пас, газе, ки дар анод ҳосил мешавад, \(Cl_2 \) аст.
2. Реаксияи умумӣ:
– Реаксия дар катод:
\[
2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^-
\]
– Реаксия дар анод:
\[
2Cl^- \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
\]
– Реаксияи умумӣ:
\[
2H_2O + 2Cl^- \rightarrow H_2 (г) + Cl_2 (г) + 2OH^-
\]
Намунаи саволи 3: Раванди электроплиткунӣ
Савол:
Массаи нуқраро (Ag), ки бо истифода аз ҷараёни электрикии 0,5 А барои 2 соат дар маҳлули AgNO₃ ба катод гузошта шудааст, ҳисоб кунед. Массаи молярии нуқра 107,87 г/мол ва 1 Фарадей ба 96.485 C/mol e⁻ баробар аст.
Муҳокима:
1. Заряди умумии барқро (Q) муайян кунед:
– Ҷараён (I) = 0.5 A
– Вақт (t) = 2 соат = 2 × 3600 сония = 7200 сония
– Заряди умумии барқӣ (Q) бо истифода аз формулаи зерин ҳисоб карда мешавад:
\[
Q = I маротиба t
\]
- Пас:
\[
Q = 0.5 \text{ A} \times 7200 \text{ s} = 3600 \text{ C}
\]
2. Ҳисоб кардани шумораи молҳои электронҳо (n):
– 1 мол электрон = 96.485 C
– Шумораи молҳои электронҳои додашуда:
\[
n = \frac{3600 \text{ C}}{96.485 \text{ C/mol}} \approx 0.0373 \text{ mol}
\]
3. Муайян кардани массаи нуқраи гузошташуда:
– Реаксияи барқароркунӣ дар катод:
\[
Ag^+ + e^- \rightarrow Ag \text{ (s)}
\]
– 1 мол электрон 1 мол Ag-ро ба вуҷуд меорад
– Шумораи молҳои Ag, ки ҷамъ шудаанд:
\[
0.0373 \text{ мол Ag}
\]
– Бо истифода аз массаи молярии Ag (107,87 г/мол):
\[
\text{Массаи Аг} = 0.0373 \text{ мол} \вақт 107.87 \text{ г/мол} \тақрибан 4.02 \text{ г}
\]
Ҳамин тариқ, массаи нуқраи дар катод гузошташуда тақрибан 4.02 граммро ташкил медиҳад.
Намунаи саволи 4: Зангзанӣ
Савол:
Раванди зангзании оҳанро дар муҳити намнок тавсиф кунед ва реаксияҳои кимиёвии ба амаломадаро нависед.
Муҳокима:
1. Марҳилаҳои зангзанӣ:
– Реаксия дар анод:
Оҳан ба ионҳои оҳан оксид мешавад:
\[
Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-
\]
– Реаксия дар катод:
Оксиген дар ҳаво бо об ва электронҳои анод реаксия мекунад:
\[
O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O
\]
Дар муҳити бетараф ва ғайритуршӣ, эҳтимолияти бештари аксуламал чунин аст:
\[
O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-
\]
2. Ташаккули гидроксиди оҳан:
– Ионҳои Fe²⁺ бо ионҳои OH⁻ якҷоя шуда, Fe(OH)₂-ро ташкил медиҳанд:
\[
Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2
\]
3. Ташаккули занг:
– Оксидшавии минбаъдаи Fe(OH)₂ Fe(OH)₃-ро ба вуҷуд меорад, ки хушк шуда занг (Fe₂O₃.nH₂O)-ро ташкил медиҳад:
\[
4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3
\]
– Fe(OH)₃ метавонад бо аз даст додани об ба Fe₂O₃ табдил ёбад:
\[
2Fe(OH)_3 \rightarrow Fe_2O_3 + 3H_2O
\]
Ин раванд нишон медиҳад, ки чӣ тавр оҳан тавассути як қатор аксуламалҳои электрохимиявӣ занг мезанад. Донистани зангзанӣ барои нигоҳ доштани устувории маводҳои металлӣ дар биноҳо ва инфрасохтор муҳим аст.
Бо дарки саволҳои намунавӣ ва муҳокимаҳои дар боло овардашуда, умедворем, ки хонандагон метавонанд тасвири равшантари татбиқи амалии принсипҳои электрохимиявӣ дар ҳаёти ҳаррӯзаро ба даст оранд.
