Àpẹẹrẹ Àwọn Ìbéèrè Ìjíròrò lórí Àǹfààní Ìtọ́kasí Agbára Electrode Déédé
Pendahuluan
Ẹ̀rọ-ẹ̀rọ-ẹ̀rọ jẹ́ ẹ̀ka kẹ́mísírì tí ó ń ṣe àgbéyẹ̀wò ìbáṣepọ̀ láàárín àwọn ìhùwàpadà kẹ́mísírì àti àwọn ìṣẹ̀lẹ̀ iná mànàmáná. Ọ̀kan lára àwọn èrò pàtàkì nínú electrochemistry ni electrode potential. Elektrode potential jẹ́ ìwọ̀n ìtẹ̀sí electrode láti fa tàbí tú àwọn elektroni jáde.
Nínú electrochemistry, ìwọ̀n tí a sábà máa ń lò ni electrode hydrogen boṣewa (SHE). A túmọ̀ SHE gẹ́gẹ́ bí ẹni tí ó ní agbára odo volts ní gbogbo ìwọ̀n otutu. Ó ṣiṣẹ́ gẹ́gẹ́ bí ìtọ́kasí gbogbogbò fún wíwọ̀n àti fífi àwọn agbára electrode mìíràn wéra. Àpilẹ̀kọ yìí ní èrò láti pèsè àlàyé kíkún nípa àpẹẹrẹ àwọn ìṣòro tí ó ń jíròrò agbára electrode itọkasi boṣewa láti mú òye jíjinlẹ̀ wá.
Agbara Elekitirodu ati SHE
SHE náà ń ṣiṣẹ́ gẹ́gẹ́ bí ojú ìtọ́kasí pẹ̀lú agbára elekitirodu tí a ṣètò láìròtẹ́lẹ̀ sí 0 V. Ìgbékalẹ̀ fún ìṣesí elekitirodu hydrogen ni báyìí:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \ ọtun H_2 (g) \]
Ní ìṣe, ṣíṣe àfarawé àwọn ipò SHE ṣòro láti ṣẹ̀dá, ó sì wọ́pọ̀ láti lo àwọn elekitirodu ìtọ́kasí boṣewa mìíràn bíi Saturated Calomel Electrode (SCE) tàbí Silver/Silver Chloride (Ag/AgCl).
Àpẹẹrẹ Àwọn Ìbéèrè àti Ìjíròrò
Ìbéèrè 1: Pípín Àǹfààní Elektrode ti Sẹ́ẹ̀lì Elektrokemika kan
Ìbéèrè:
Gẹ́gẹ́ bí àpẹẹrẹ ìṣòro, a béèrè lọ́wọ́ wa láti mọ agbára sẹ́ẹ̀lì ti ìṣesí láàrín Zn(s) àti Cu^2+(aq). A mọ̀ pé agbára elektrodu boṣewa fún Zn^2+/Zn jẹ́ -0.76 V àti fún Cu^2+/Cu jẹ́ +0.34 V. Kí ni agbára sẹ́ẹ̀lì tí ó ń lo SHE gẹ́gẹ́ bí ìtọ́kasí?
Jawaban:
A nílò láti ṣírò agbára sẹ́ẹ̀lì \( E_{cell} \) nípa lílo agbára elektiroodu. Àpapọ̀ ìṣesí nínú sẹ́ẹ̀lì náà ni:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
A kọ agbara elekitirodu naa bi:
\[ E_{cell} = E_{cathode} – E_{anode} \]
Níbi tí katódì náà ti jẹ́ ìfàsẹ́yìn ìdínkù àti níbi tí anode náà ti jẹ́ ìfàsẹ́yìn oxidation. Dá lórí agbára ìpele tí a lè lò:
– O pọju boṣewa Cathode \ (E ^ 0_{cathode} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– Agbara boṣewa ti anode \( E^0_{anode} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
Àwọn iye tí ó ń rọ́pò:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{cell} = 1.10 \, \text{V} \]
Nitorinaa, agbara sẹẹli jẹ 1.10 V.
Ìbéèrè 2: Lílo Ìbáṣepọ̀ Nernst nínú Àwọn Àdéhùn Tí Kò Déédéé
Ìbéèrè:
Ṣírò agbára sẹ́ẹ̀lì (E) ní 298 K fún ìṣesí elektrokemika láàrin Zn(s) àti Cu^2+(aq) tí ìfojúsùn àwọn ions Cu^2+ bá jẹ́ 0.01 M àti ìfojúsùn àwọn ions Zn^2+ jẹ́ 1.00 M.
Jawaban:
Ìgbékalẹ̀ Nernst fún wa ní ọ̀nà láti ṣírò agbára sẹ́ẹ̀lì nígbà tí àwọn ipò kò bá jẹ́ déédé (tí kìí ṣe déédé). Ìgbékalẹ̀ Nernst ni:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
Di mana,
– \(E^0 \) ni agbara sẹẹli boṣewa
– \( R \) ni iduroṣinṣin gaasi (8.314 J/mol·K)
– \( T \) ni iwọn otutu ni Kelvin (298 K)
– \( n \) ni iye awọn moles ti awọn elekitironi ti a gbe ni iṣe deede (moles 2 ti elekitironi fun Zn/Cu)
– \( F \) ni iye Faraday ti o duro (96485 C/mol)
– \( Q \) ni ipin idahun:
\[ Q = \frac{[ọjà]}{[awọn ohun ti n ṣe atunṣe]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
Rọpo awọn iye sinu idogba Nernst:
Agbara boṣewa \(E^0 \) lati iṣoro ti tẹlẹ jẹ 1.10 V.
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
Ni akọkọ, ṣe iṣiro igba iwọn otutu ati ipin iṣe:
\[ \frac{8.314 \igba 298}{2 \igba 96485} = \frac{2476.652}{192970} \approx 0.0128 \, \text{V} \]
Maṣe gbagbe lati yi pada lati baamu J si Volts:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
Nítorí náà:
\[ E = 1.10 \, \ọ̀rọ̀{V} – 0.0128 \igba 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \ọrọ {V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \ọ̀rọ̀{V} \]
Nitorinaa, agbara sẹẹli labẹ awọn ipo ti kii ṣe deede jẹ 1.041 V.
Ipari
Ẹ̀rọ-ẹ̀rọ-ẹ̀rọ jẹ́ pápá pàtàkì pẹ̀lú ọ̀pọ̀lọpọ̀ ìlò nínú ìwádìí ilé-iṣẹ́ àti ìmọ̀ sáyẹ́ǹsì. Lílóye àwọn èrò ìpìlẹ̀ bíi agbára elektrodu àti lílo ìṣirò Nernst jẹ́ kí a lè ṣírò agbára sẹ́ẹ̀lì lábẹ́ onírúurú ipò. Nínú àpẹẹrẹ yìí, a ti rí bí a ṣe lè pinnu agbára sẹ́ẹ̀lì nípa lílo elektrodu ìtọ́kasí gbòòrò àti bí àwọn nǹkan bíi ìfọkànsí ṣe ní ipa lórí agbára sẹ́ẹ̀lì.
Ìjíròrò yìí fi hàn pé ó ṣe pàtàkì láti lóye àwọn ìlànà electrochemical dáadáa fún onírúurú ìlò, láti àwọn biosensors sí àwọn batteries. Ó tún pèsè ìpìlẹ̀ tó lágbára fún ẹnikẹ́ni tó bá nífẹ̀ẹ́ sí ìwádìí àti ìlò ìmọ̀ ẹ̀rọ electrochemical.
