Намунаи саволҳои баҳсӣ оид ба электрохимия
Электрохимия як соҳаи химия аст, ки робитаи байни реаксияҳои кимиёвӣ ва тағйирот дар энергияи барқро меомӯзад. Дар электрохимия ду мафҳуми асосӣ мавҷуданд: оксидшавӣ (озодшавии электронҳо) ва барқароршавӣ (ба даст овардани электронҳо). Ин равандҳоро дар ду намуди ҳуҷайраҳои электрохимиявӣ мушоҳида кардан мумкин аст: ҳуҷайраҳои волтаӣ (ҳуҷайраҳои галванӣ) ва ҳуҷайраҳои электролитӣ. Дар зер баъзе мисолҳои масъалаҳо ва шарҳҳои онҳо оварда шудаанд, ки ба шумо дар фаҳмидани электрохимия кӯмак мекунанд.
Намунаи саволи 1: Ҳуҷайраи волтаикӣ
Савол:
Як элементи волтаӣ бо электродҳои руҳ (Zn) ва мис (Cu), ки тавассути пули намак пайваст карда шудаанд, дода шудааст. Zn ба маҳлули 1 М ZnSO4 ва Cu ба маҳлули 1 М CuSO4 тар карда мешавад. Реаксияҳоеро, ки дар ҳар як электрод ба амал меоянд, нависед ва фарқи потенсиалҳо (EMF)-и элементи волтаиро ҳисоб кунед. Маълумоти потенсиали стандартии электрод:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
Муҳокима:
Қадами аввал муайян кардани реаксияи оксиду барқароршавӣ мебошад, ки ба амал меояд. Дар ҳуҷайраи волтаикӣ, реаксияи оксиду барқароршавии худсарона дар ҷое рух медиҳад, ки дар он ҷо
– Руҳ (Zn) оксид мешавад:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Мис (Cu) ба барқароршавӣ дучор мешавад:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
Реаксияи умумии оксиду барқароршавӣ дар ҳуҷайраи волтаӣ чунин аст:
\[ \text{Zn(s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu(s)} \]
Баъдан, мо фарқи потенсиали ҳуҷайраро ҳисоб мекунем:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{катод}} – E^o_{\text{анод}} \]
Дар куҷо:
– Катод электродест, ки дар он барқароршавӣ (Cu) ба амал меояд.
– Анод электродест, ки дар он оксидшавӣ (Zn) ба амал меояд.
Бино бар ин,
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
Касимпулан:
– Реаксияе, ки дар анод (Zn) ба амал меояд:
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Реаксияе, ки дар катод (Cu) ба амал меояд:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– Фарқи потенсиалҳои ҳуҷайра (ЭМҲ): 1.10 В
-
Намунаи саволи 2: Ҳуҷайраи электролитӣ
Савол:
Ҳангоми электролизи маҳлули NaCl, реаксияҳоеро, ки дар катод ва анод ба амал меоянд, агар электроди инертӣ, ба монанди платина (Pt) истифода шавад, нишон диҳед. Заряди умумии заруриро барои ҳосил кардани 1 грамм Cl2 ҳисоб кунед. (Ar Cl = 35.5)
Муҳокима:
Қадами аввал ин навиштани реаксияҳое мебошад, ки дар ҳар як электрод дар маҳлули намаки NaCl ба амал меоянд.
– Дар катод (камшавӣ):
Дар ин раванд, ионҳои H+ аз об кам мешаванд:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Дар анод (оксидшавӣ):
Иони Cl2 ба оксидшавӣ дучор шуда, ба гази Cl2 табдил меёбад:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
Реаксияи умумӣ:
Пас, реаксияи умумӣ, ки ҳангоми электролизи маҳлули NaCl ба амал меояд, чунин аст:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \тирчаи рост 2NaOH(aq) + H_2(г) + Cl_2(г) \]
Барои ҳисоб кардани заряди зарурӣ барои истеҳсоли 1 грамм Cl2, мо бояд шумораи молҳои Cl2-ро муайян кунем:
\[ \text{Массаи Cl}_2 = 1 \text{ грамм} \]
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ грамм/мол} \]
\[ \text{Шумораи молҳои Cl}_2 = \frac{1}{71} \text{mol} \]
Бар асоси муодилаи реаксия дар анод, аз 2 мол электрон 1 мол Cl2 ҳосил мешавад:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
Ба ибораи дигар, барои 1 мол Cl2 2 мол электрон лозим аст.
Шумораи молҳои электронҳо:
\[ \text{Шумораи молҳои электронҳо} = 2 \times \frac{1}{71} = \frac{2}{71} \text{mol} \]
Заряди заруриро бо истифода аз арзиши Фарадей (F = 96485 C/mol e^-) ҳисоб кардан мумкин аст:
\[ Q = n \ маротиба F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
Касимпулан:
– Реаксия дар катод:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– Реаксия дар анод:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– Заряди умумии зарурӣ барои ҳосил шудани 1 грамм Cl2 2718°C аст.
-
Мисоли 3: Муносибати Нернст ва шароити ғайристандартӣ
Савол:
Потенсиали элементи волтаиро, ки аз электродҳои Ag/Ag+ бо консентратсияи ионҳои нуқраи 0.1 М ва электродҳои Zn/Zn2+ бо консентратсияи 0.01 М сохта шудааст, ҳисоб кунед. Потенсиали стандартии электрод чунин аст:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
Муҳокима:
Қадами аввал ин навиштани реаксияҳое мебошад, ки ба амал меоянд:
– Оксидшавӣ дар анод (Zn):
\[ \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– Редуксия дар катод (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag(s)} \]
Реаксияи умумӣ:
\[ \text{Zn(s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag(s)} \]
Бар асоси муодилаи Нернст:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
Дар куҷо:
\[ n = 2 \]
Аввалан, E^o_{\text{Sel}}-ро ҳисоб кунед:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Сипас, потенсиали воқеии ҳуҷайраро дар консентратсияи додашуда ҳисоб кунед:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
Касимпулан:
– Реаксияҳое, ки дар анод ва катод ба амал меоянд, бетағйир мемонанд.
– Потенсиали ҳуҷайра бо консентратсияи додашуда 1.56 В аст
Дар ин мақола тарзи ҳалли якчанд намуди масъалаҳо дар электрохимия, аз ҷумла масъалаҳое, ки бо ҳуҷайраҳои волтаикӣ, ҳуҷайраҳои электролитӣ ва ҳисобҳо бо истифода аз муодилаи Нернст алоқаманданд, нишон дода шудааст. Фаҳмиши пурраи принсипҳои реаксияҳои оксиду барқароршавӣ ва қобилияти истифодаи маълумоти электрохимиявӣ барои муваффақият дар ҳалли ин намуди масъалаҳо муҳим аст.
