Wie man E-Zelle berechnet

Elektrochemische Zellen informieren Sie darüber, wie Batterien Stromkreise aufladen und wie elektronische Geräte wie Mobiltelefone und Digitaluhren mit Strom versorgt werden. Wenn Sie sich die Chemie von E-Zellen ansehen, das Potenzial elektrochemischer Zellen, finden Sie chemische Reaktionen, die sie antreiben und elektrischen Strom durch ihre Schaltkreise senden. Das PotenzialEeiner Zelle kann Ihnen sagen, wie diese Reaktionen ablaufen.

•••Syed Hussain Ather

• Manipulieren Sie die Halbreaktionen, indem Sie sie neu anordnen, mit ganzzahligen Werten multiplizieren, das Vorzeichen des elektrochemischen Potenzials umkehren und das Potenzial multiplizieren. Stellen Sie sicher, dass Sie die Regeln der Reduktion und Oxidation befolgen. Summieren Sie die elektrochemischen Potenziale für jede Halbreaktion in einer Zelle, um das gesamte elektrochemische oder elektromotorische Potenzial einer Zelle zu erhalten.

Um die zu berechnenelektromotorisches Potenzial, auch bekannt als Potential der elektromotorischen Kraft (

1. Teilen Sie die Gleichung in halbe Reaktionen auf, falls dies nicht bereits der Fall ist.
2. Bestimmen Sie, welche Gleichung(en) gegebenenfalls umgedreht oder mit einer ganzen Zahl multipliziert werden müssen. Sie können dies feststellen, indem Sie zunächst herausfinden, welche Halbreaktionen bei einer spontanen Reaktion am wahrscheinlichsten auftreten. Je kleiner das elektrochemische Potential einer Reaktion ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie auftritt. Das Gesamtreaktionspotential muss jedoch positiv bleiben.
   1. Zum Beispiel eine Halbreaktion mit einem elektrochemischen Potential von-.5 Vist wahrscheinlicher als eine mit Potenzial one1 V.​
   2. Wenn Sie festgestellt haben, welche Reaktionen am wahrscheinlichsten ablaufen, bilden sie die Grundlage für die Oxidation und Reduktion, die bei der elektrochemischen Reaktion verwendet werden.
3. Drehen Sie Gleichungen um und multiplizieren Sie beide Seiten der Gleichungen mit ganzen Zahlen, bis sie sich zur gesamten elektrochemischen Reaktion summieren und die Elemente auf beiden Seiten sich aufheben. Für jede Gleichung, die Sie umdrehen, kehren Sie das Vorzeichen um. Multiplizieren Sie für jede Gleichung, die Sie mit einer ganzen Zahl multiplizieren, das Potenzial mit derselben ganzen Zahl.
4. Summieren Sie die elektrochemischen Potentiale für jede Reaktion unter Berücksichtigung negativer Vorzeichen.

Sie können sich an die Kathodenanode der E-Zell-Gleichung mit dem Merkzeichen "Red Cat An Ox" erinnern, das Ihnen sagtrotauktion erfolgt amKatzehode und dieeinOdeOchseidisiert.

Beispielsweise können wir eine galvanische Zelle mit einer Gleichstromquelle haben. Es verwendet die folgenden Gleichungen in einer klassischen AA-Alkalibatterie mit entsprechenden elektrochemischen Halbreaktionspotentialen. Die Berechnung der e-Zelle ist einfach mit demEZellgleichung für Kathode und Anode.

1. ​MnO₂(s) + H₂O + e⁻ → MnOOH(s) + OH^-(wässrig); E^Ö= +0,382 V​
2. ​Zn (s) + 2 OH ^-(wässrig) ​ → ​Zn (OH)₂(s) + 2e-; E^Ö = +1,221 V

In diesem Beispiel beschreibt die erste Gleichung WasserH₂Ödurch den Verlust eines Protons (H⁺) FormenOH​^- während MagnesiumoxidMnO₂wird durch Gewinnung eines Protons oxidiert (H⁺) um Manganoxid-Hydroxid zu bildenMnOOH.Die zweite Gleichung beschreibt ZinkZnwird mit zwei Hydroxidionen oxidiertOH ^-​ um Zinkhydroxid Zn (OH) zu bilden₂ während zwei Elektronen freigesetzt werden.​

Um die elektrochemische Gesamtgleichung zu bilden, die wir wollen, beachten Sie zunächst, dass Gleichung (1) wahrscheinlicher auftritt als Gleichung (2), da sie ein geringeres elektrochemisches Potenzial hat. Diese Gleichung ist eine Reduktion von WasserH₂ÖHydroxid bilden formOH​^-und Oxidation von MagnesiumoxidMnO₂. Dies bedeutet, dass der entsprechende Prozess der zweiten Gleichung Hydroxid oxidieren mussOH​^-um es wieder in Wasser umzuwandelnH₂Ö .Um dies zu erreichen, müssen Sie Zinkhydroxid reduzierenZn (OH)₂zurück zu ZinkZn​.

Dies bedeutet, dass die zweite Gleichung umgedreht werden muss. Wenn Sie es umdrehen und das Vorzeichen des elektrochemischen Potentials ändern, erhalten SieZn (OH)₂(s) + 2e- ​​→​ ​Zn (s) + 2 OH ^-(wässrig) ​ mit entsprechendem elektrochemischem PotentialE^Ö = -1,221 V.​

Bevor Sie die beiden Gleichungen zusammensummieren, müssen Sie jeden Reaktanten und jedes Produkt der ersten Gleichung mit. multiplizieren die ganze Zahl 2, um sicherzustellen, dass die 2 Elektronen der zweiten Reaktion das einzelne Elektron der ersten ausgleichen einer. Dies bedeutet, dass unsere erste Gleichung 2. wirdMnO₂(s) + 2 H₂O + 2e⁻ → 2MnOOH(s) + 2OH^-(wässrig)mit einem elektrochemischen Potential vonE^Ö= +0,764 V​

Addieren Sie diese beiden Gleichungen zusammen und die beiden elektrochemischen Potentiale zusammen, um eine kombinierte Reaktion zu erhalten: 2MnO₂(s) + 2 H₂O +​ ​Zn (OH)₂(s) ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH(s)mit elektrochemischem Potential-0,457 V. Beachten Sie, dass sich die 2 Hydroxidionen und die 2 Elektronen auf beiden Seiten beim Erstellen der ECell-Formel aufheben.

Diese Gleichungen beschreiben die Oxidations- und Reduktionsprozesse mit einer halbporösen Membran, die durch eine Salzbrücke getrennt ist. DasSalzbrückebesteht aus einem Material wie Kaliumsulfat, das als inerter Elektrolyt dient, der Ionen über seine Oberfläche diffundieren lässt.

Bei derKathoden, Oxidation oder Elektronenverlust, auftritt, undAnoden, Reduktion oder Gewinnung von Elektronen, auftritt. Sie können sich dies mit dem mnemonischen Wort "OILRIG" merken. Es sagt Ihnen, dass "Oxidation Is Loss" ("OIL") und "Reduction Is Gain" ("RIG") ist. Der Elektrolyt ist die Flüssigkeit, die Ionen durch diese beiden Teile der Zelle fließen lässt.

Denken Sie daran, Gleichungen und Reaktionen zu priorisieren, die mit größerer Wahrscheinlichkeit auftreten, da sie ein geringeres elektrochemisches Potenzial haben. Diese Reaktionen bilden die Grundlage für galvanische Zellen und all ihre Anwendungen, und ähnliche Reaktionen können in biologischen Zusammenhängen auftreten. Zellmembranen erzeugen ein elektrisches Transmembranpotential, wenn sich Ionen durch die Membran und durch elektromotorische chemische Potentiale bewegen.

Zum Beispiel die Umwandlung von reduziertem Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) in Gegenwart von Protonen (H⁺) und molekularer Sauerstoff (Ö₂) produziert sein oxidiertes Gegenstück (NAD⁺) neben Wasser (H₂Ö) als Teil der Elektronentransportkette. Dies geschieht mit einem Protonelektrochemischer Gradientverursacht durch das Potenzial, oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien ablaufen zu lassen und Energie zu produzieren.

DasNernst-Gleichungermöglicht die Berechnung des elektrochemischen Potentials anhand der Konzentrationen von Produkten und Reaktanten im Gleichgewicht mit dem Zellpotential in VoltE​_Zelle wie

in welchemE​^-_Zelle ist das Potential für die Reduktionshalbreaktion,Rist die universelle Gaskonstante (8,31 J x K−1 mol−1​), ​Tist die Temperatur in Kelvin,zdie Anzahl der bei der Reaktion übertragenen Elektronen ist, undQist der Reaktionsquotient der Gesamtreaktion.

Der ReaktionsquotientQist ein Verhältnis, das die Konzentrationen von Produkten und Reaktanten umfasst. Zur hypothetischen Reaktion:aA + bB ⇌ cC + dDmit ReaktantenEINundB, ProdukteCundD, und entsprechende ganzzahlige Werteein​, ​b​, ​c, undd, der ReaktionsquotientQwäreQ = [C]^c[D]^d / [EIN]^ein[B]^bmit jedem eingeklammerten Wert als Konzentration, normalerweise inmol/L. Für jedes Beispiel misst die Reaktion dieses Verhältnis von Produkten zu Reaktanten.

​Elektrolytische Zellenunterscheiden sich von galvanischen Zellen dadurch, dass sie eine externe Batteriequelle verwenden, nicht das natürliche elektrochemische Potenzial, um Elektrizität durch den Stromkreis zu leiten. können Elektroden innerhalb des Elektrolyten in einer nicht spontanen Reaktion verwenden.

Auch diese Zellen verwenden im Gegensatz zur Salzbrücke galvanischer Zellen einen wässrigen oder geschmolzenen Elektrolyten. Die Elektroden entsprechen dem Pluspol, der Anode, und dem Minuspol, der Kathode, der Batterie. Während galvanische Zellen positive EMF-Werte haben, haben elektrolytische Zellen negative, was bedeutet, dass z galvanische Zellen, die Reaktionen laufen spontan ab, während elektrolytische Zellen eine externe Spannung benötigen Quelle.

Ähnlich wie bei den galvanischen Zellen können Sie die Halbreaktionsgleichungen manipulieren, spiegeln, multiplizieren und addieren, um die Gesamtgleichung der Elektrolysezelle zu erstellen.