Саволҳои намунавӣ ва муҳокимаи потенсиали электроди стандартӣ
Пендахулуан
Потенсиали электроди стандартӣ як мафҳуми муҳим дар электрохимия аст, ки қобилияти электродро барои ҷалби электронҳо тавсиф мекунад. Ин мафҳум дар ҳисобҳои электрохимиявии ҳуҷайраҳо ва муайян кардани майл ба реаксияҳои оксиду барқароршавӣ истифода мешавад. Потенсиали электроди стандартӣ (E°) дар шароити стандартӣ, яъне дар консентратсияи 1 М, фишори 1 атм ва ҳарорати 25°C (298 К) чен карда мешавад. Дар ин мақола, мо якчанд мисолҳои мушкилоти потенсиали электроди стандартиро баррасӣ хоҳем кард ва онҳоро муфассал баррасӣ хоҳем кард.
Консепсияи асосии потенсиали электроди стандартӣ
Потенсиали стандартии электрод, ки бо номи E° ишора мешавад, майли як намуди кимиёвиро ба коҳишёбӣ (қабули электронҳо) тавсиф мекунад. Ҳар қадар арзиши E° мусбаттар бошад, майли як намуд ба коҳишёбӣ ҳамон қадар зиёд мешавад. Баръакс, ҳар қадар арзиши E° манфӣтар бошад, майли як намуд ба оксидшавӣ (аз даст додани электронҳо) ҳамон қадар зиёд мешавад.
Ҷадвали стандартии потенсиали электрод арзишҳои E°-ро барои реаксияҳои гуногуни оксиду барқароршавӣ нишон медиҳад ва ин арзишҳо барои ҳисоб кардани потенсиалҳои электрохимиявии ҳуҷайраҳо истифода мешаванд.
Намунаи саволи 1
Савол:
Бо назардошти ду нимреаксияи зерин ва потенсиалҳои электродии онҳо:
– Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(с), E° = +0.80 В
– Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s), E° = +0.34 В
Потенсиали ҳуҷайра (E°_cell)-ро барои ҳуҷайраи галваникӣ, ки дар натиҷаи ин ду нимреаксия ба вуҷуд омадааст, муайян кунед.
Муҳокима:
Барои муайян кардани потенсиали ҳуҷайра, мо бояд анод ва катодро муайян кунем. Дар элементи галваникӣ, элементе, ки потенсиали электроди стандартии мусбаттар дорад, ҳамчун катод (макони барқароршавӣ) ва элементе, ки дорои потенсиали манфӣтар аст, ҳамчун анод (макони оксидшавӣ) амал мекунад.
1. Анод ва катодро муайян кунед:
– Ag⁺ + e⁻ → Ag, E° = +0.80 В (мусбаттар, аз ин рӯ катод)
– Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E° = +0.34 В (манфӣ бештар, ҳамин тавр анод)
2. Реаксияҳои оксидшавӣ ва барқароршавиро муайян кунед:
– Катод (камшавӣ): Ag⁺ + e⁻ → Ag, E°_катод = +0.80 В
– Анод (оксидшавӣ): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, E°_анод = -0.34 V (самти реаксия ва аломати потенсиалро баръакс кунед)
3. Ҳисоб кардани E°_cell:
\[
E°_{ҳуҷайра} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} – (-0.34\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.80\, \text{V} + 0.34\, \text{V} = 1.14\, \text{V}
\]
Пас, потенсиали ҳуҷайра (E°_cell) +1.14 В аст.
Намунаи саволи 2
Савол:
Реаксияи зер бо потенсиали электродии он дода шудааст:
– Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq), E° = +0.77 V
– Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s), E° = -0.76 V
Потенсиали ҳуҷайра (E°_ҳуҷайра)-ро барои ҳуҷайраи галванӣ бо истифода аз ҳарду реаксияҳои ним-реаксия муайян кунед ва реаксияи пурраи ҳуҷайраро нависед.
Муҳокима:
Мисли пештара, мо бояд аввал анод ва катодро муайян кунем.
1. Анод ва катодро муайян кунед:
– Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E° = +0.77 V (мусбаттар, аз ин рӯ катод)
– Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn, E° = -0.76 V (манфитар аст, бинобар ин анод)
2. Реаксияҳои оксидшавӣ ва барқароршавиро муайян кунед:
– Катод (камшавӣ): Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺, E°_катод = +0.77 В
– Анод (оксидшавӣ): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°_анод = -0.76 V (самти реаксия ва аломати потенсиалро баръакс кунед)
3. Мувозинати электронҳо:
Реаксияи умумӣ бояд шумораи электронҳоро мувозинат кунад:
\[
2(\text{Fe}^{3+} + e⁻ → \text{Fe}^{2+})
\]
\[
\text{Zn} → \text{Zn}^{2+} + 2e⁻
\]
Пас, реаксияи пурраи ҳуҷайра чунин аст:
\[
2\text{Fe}^{3+} + \text{Zn} → 2\text{Fe}^{2+} + \text{Zn}^{2+}
\]
4. Ҳисоб кардани E°_cell:
\[
E°_{ҳуҷайра} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} – (-0.76\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 0.77\, \text{V} + 0.76\, \text{V} = 1.53\, \text{V}
\]
Пас, потенсиали ҳуҷайра (E°_cell) +1.53 В аст.
Намунаи саволи 3
Савол:
Бо истифода аз реаксияи зерин, потенсиали ҳуҷайра ва реаксияи пурраи ҳуҷайраро барои ҳуҷайраи галваникӣ диҳед:
– MnO₂(s) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → Mn²⁺(aq) + 2H₂O(l), E° = +1.23 В
– Cr³⁺(aq) + e⁻ → Cr²⁺(aq), E° = -0.50 В
Муҳокима:
1. Анод ва катодро муайян кунед:
– MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E° = +1.23 В (мусбаттар, аз ин рӯ катод)
– Cr³⁺ + e⁻ → Cr²⁺, E° = -0.50 V (манфитар аст, бинобар ин анод)
2. Реаксияҳои оксидшавӣ ва барқароршавиро муайян кунед:
– Катод (камшавӣ): MnO₂ + 4H⁺ + 2e⁻ → Mn²⁺ + 2H₂O, E°_катод = +1.23 В
– Анод (оксидшавӣ): Cr²⁺ → Cr³⁺ + e⁻, E°_анод = +0.50 V (самти реаксия ва аломати потенсиалро баръакс кунед)
3. Мувозинати электронҳо:
Реаксияи умумӣ бояд шумораи электронҳоро мувозинат кунад:
\[
2(\text{Cr}^{3+} + e⁻ → \text{Cr}^{2+})
\]
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2e⁻ → \text{Mn}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
Пас, реаксияи пурраи ҳуҷайра чунин аст:
\[
\text{MnO}_2 + 4\text{H}^+ + 2\text{Cr}^{3+} → \text{Mn}^{2+} + 2\text{Cr}^{2+} + 2\text{H}_2\text{O}
\]
4. Ҳисоб кардани E°_cell:
\[
E°_{ҳуҷайра} = E°_{катод} – E°_{анод}
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} – (-0.50\, \text{V})
\]
\[
E°_{sel} = 1.23\, \text{V} + 0.50\, \text{V} = 1.73\, \text{V}
\]
Пас, потенсиали ҳуҷайра (E°_cell) +1.73 В аст.
Хулоса
Фаҳмидани потенсиалҳои электродҳои стандартӣ дар электрохимия барои муайян кардани тамоюлҳои реаксияи оксиду барқароршавӣ ва потенсиалҳои ҳуҷайраҳои электрохимиявӣ муҳим аст. Бо истифода аз қадамҳои дар боло муҳокимашуда, мо метавонем ба осонӣ потенсиали ҳуҷайраҳои реаксияи оксиду барқароршавии додашударо ҳисоб кунем. Потенсиалҳои электроди стандартӣ барои муайян кардани анод ва катод дар ҳуҷайраи галванӣ, инчунин барои ҳисоб кардани потенсиали умумии ҳуҷайра, ки самаранокӣ ва самти реаксияи оксиду барқароршавиро нишон медиҳад, истифода мешаванд.
