Πώς να υπολογίσετε το E Cell

Τα ηλεκτροχημικά κελιά σας λένε για το πώς φορτίζονται τα κυκλώματα οι μπαταρίες και πώς τροφοδοτούνται οι ηλεκτρονικές συσκευές όπως τα κινητά τηλέφωνα και τα ψηφιακά ρολόγια. Εξετάζοντας τη χημεία των κυττάρων Ε, το δυναμικό των ηλεκτροχημικών κυττάρων, θα βρείτε χημικές αντιδράσεις που τις τροφοδοτούν που στέλνουν ηλεκτρικό ρεύμα μέσω των κυκλωμάτων τους. Το δυναμικόμιενός κυττάρου μπορεί να σας πει πώς εμφανίζονται αυτές οι αντιδράσεις.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

• Χειριστείτε τις μισές αντιδράσεις αναδιατάσσοντάς τις, πολλαπλασιάζοντας τις με ακέραιες τιμές, αναστρέφοντας το σημάδι του ηλεκτροχημικού δυναμικού και πολλαπλασιάζοντας το δυναμικό. Βεβαιωθείτε ότι ακολουθείτε τους κανόνες μείωσης και οξείδωσης. Αθροίστε τα ηλεκτροχημικά δυναμικά για κάθε μισή αντίδραση σε ένα κελί για να λάβετε το συνολικό ηλεκτροχημικό ή ηλεκτροκινητικό δυναμικό ενός στοιχείου.

Για τον υπολογισμό τουηλεκτροκινητικό δυναμικό, επίσης γνωστό ως δυναμικό της ηλεκτροκινητικής δύναμης (

1. Χωρίστε την εξίσωση σε μισές αντιδράσεις, αν δεν είναι ήδη.
2. Προσδιορίστε ποιες εξισώσεις, εάν υπάρχουν, πρέπει να αναστραφούν ή να πολλαπλασιαστούν με έναν ακέραιο. Μπορείτε να το προσδιορίσετε, υπολογίζοντας πρώτα ποιες μισές αντιδράσεις είναι πιθανότερο να εμφανιστούν σε μια αυθόρμητη αντίδραση. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του ηλεκτροχημικού δυναμικού για μια αντίδραση, τόσο πιθανότερο είναι να συμβεί. Ωστόσο, το συνολικό δυναμικό αντίδρασης πρέπει να παραμείνει θετικό.
   1. Για παράδειγμα, μια μισή αντίδραση με ηλεκτροχημικό δυναμικό-5 Vείναι πιο πιθανό να συμβεί από ένα με πιθανό1 V.​
   2. Όταν καθορίσετε ποιες αντιδράσεις είναι πιο πιθανό να συμβούν, θα αποτελέσουν τη βάση της οξείδωσης και της μείωσης που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροχημική αντίδραση.
3. Ανατρέψτε τις εξισώσεις και πολλαπλασιάστε και τις δύο πλευρές των εξισώσεων με ακέραιους αριθμούς έως ότου αθροιστούν η συνολική ηλεκτροχημική αντίδραση και τα στοιχεία και στις δύο πλευρές ακυρώνονται. Για οποιαδήποτε εξίσωση που γυρίζετε, αντιστρέψτε το σύμβολο. Για οποιαδήποτε εξίσωση πολλαπλασιάζετε με ακέραιο, πολλαπλασιάστε το δυναμικό με τον ίδιο ακέραιο.
4. Συγκεντρώστε τις ηλεκτροχημικές δυνατότητες για κάθε αντίδραση, λαμβάνοντας υπόψη αρνητικά σημάδια.

Μπορείτε να θυμηθείτε την άνοδο καθόδου εξίσωσης E cell με το μνημονικό "Red Cat An Ox" που σας λέειτο κόκκινοuction συμβαίνει στοΓάταhode και τοέναωδήβόδιαναγνωρίζει.

Για παράδειγμα, ενδέχεται να έχουμε ένα γαλβανικό στοιχείο με πηγή ηλεκτρικής ενέργειας DC. Χρησιμοποιεί τις ακόλουθες εξισώσεις σε μια κλασική αλκαλική μπαταρία AA με αντίστοιχες ηλεκτροχημικές δυνατότητες μισής αντίδρασης. Ο υπολογισμός του e cell είναι εύκολος χρησιμοποιώντας τομιεξίσωση κελιού για την κάθοδο και την άνοδο.

1. ​ΜΝΟ₂(ες) + Η₂Ο + ε⁻ → MnOOH (ες) + OH^-(υδ); μι^ο= +0.382 V​
2. ​Zn (ες) + 2 OH ^-(υδ) ​ → ​Zn (ΟΗ)₂(ες) + 2e-; μι^ο = +1.221 V

Σε αυτό το παράδειγμα, η πρώτη εξίσωση περιγράφει το νερόΗ₂Ομειώνεται χάνοντας ένα πρωτόνιο (Η⁺) σχηματίζωΟΗ​^- ενώ το οξείδιο του μαγνησίουΜΝΟ₂οξειδώνεται κερδίζοντας ένα πρωτόνιο (Η⁺) για να σχηματίσει οξείδιο-υδροξείδιο του μαγγανίουMnOOH.Η δεύτερη εξίσωση περιγράφει τον ψευδάργυροΖνοξειδώνεται με δύο ιόντα υδροξειδίουΟΗ ^-​ για να σχηματίσει υδροξείδιο του ψευδαργύρου Zn (OH)₂ απελευθερώνοντας δύο ηλεκτρόνια.​

Για να σχηματίσουμε τη συνολική ηλεκτροχημική εξίσωση που θέλουμε, πρέπει πρώτα να σημειώσετε ότι η εξίσωση (1) είναι πιο πιθανό να συμβεί από την εξίσωση (2) επειδή έχει χαμηλότερο μέγεθος ηλεκτροχημικού δυναμικού. Αυτή η εξίσωση είναι μια μείωση του νερούΗ₂Ογια να σχηματίσει υδροξείδιοΟΗ​^-και οξείδωση του οξειδίου του μαγνησίουΜΝΟ₂. Αυτό σημαίνει ότι η αντίστοιχη διαδικασία της δεύτερης εξίσωσης πρέπει να οξειδώσει το υδροξείδιοΟΗ​^-για να το επαναφέρετε στο νερόΗ₂Ο.Για να το επιτύχετε αυτό, πρέπει να μειώσετε το υδροξείδιο του ψευδαργύρουZn (ΟΗ)₂πίσω στο ψευδάργυροΖν​.

Αυτό σημαίνει ότι η δεύτερη εξίσωση πρέπει να αναστραφεί. Εάν το αναποδογυρίσετε και αλλάξετε το σημάδι του ηλεκτροχημικού δυναμικού, αποκτάτεZn (ΟΗ)₂(ες) + 2e- ​​→​ ​Zn (ες) + 2 OH ^-(υδ) ​ με αντίστοιχο ηλεκτροχημικό δυναμικόμι^ο = -1.221 V.​

Πριν αθροίσετε τις δύο εξισώσεις, πρέπει να πολλαπλασιάσετε κάθε αντιδραστήριο και προϊόν της πρώτης εξίσωσης με ο ακέραιος 2 για να βεβαιωθείτε ότι τα 2 ηλεκτρόνια της δεύτερης αντίδρασης εξισορροπούν το απλό ηλεκτρόνιο από το πρώτο ένας. Αυτό σημαίνει ότι η πρώτη μας εξίσωση γίνεται 2ΜΝΟ₂(ες) + 2 Ω₂Ο + 2ε⁻ → 2MnOOH (ες) + 2OH^-(υδ)με ηλεκτροχημικό δυναμικόμι^ο= +0.764 V​

Προσθέστε αυτές τις δύο εξισώσεις μαζί και τις δύο ηλεκτροχημικές δυνατότητες μαζί για να πάρετε μια συνδυασμένη αντίδραση: 2ΜΝΟ₂(ες) + 2 Ω₂Ο +​ ​Zn (ΟΗ)₂(μικρό) ​​→​ ​ ​​Zn (ες) + ​​MnOOH (ες)με ηλεκτροχημικό δυναμικό-0.457 V.. Σημειώστε ότι τα 2 ιόντα υδροξειδίου και τα 2 ηλεκτρόνια και στις δύο πλευρές ακυρώνονται κατά τη δημιουργία του τύπου ECell.

Αυτές οι εξισώσεις περιγράφουν τις διαδικασίες οξείδωσης και αναγωγής με μια ημι-πορώδη μεμβράνη που διαχωρίζεται από μια γέφυρα αλατιού. ογέφυρα αλατιούείναι κατασκευασμένο από υλικό όπως θειικό κάλιο που χρησιμεύει ως αδρανής ηλεκτρολύτης που επιτρέπει στο ιόν να διαχέεται σε ολόκληρη την επιφάνειά του.

Στοκάθοδοι, οξείδωση ή απώλεια ηλεκτρονίων, συμβαίνει και, στοάνοδοι, μείωση, ή κέρδος ηλεκτρονίων. Μπορείτε να το θυμηθείτε με τη μνημονική λέξη "OILRIG." Σας λέει ότι "Η οξείδωση είναι απώλεια" ("ΛΑΔΙ") και "Η μείωση είναι κέρδος" ("RIG"). Ο ηλεκτρολύτης είναι το υγρό που επιτρέπει στα ιόντα να ρέουν και στα δύο αυτά μέρη του κελιού.

Θυμηθείτε να δώσετε προτεραιότητα σε εξισώσεις και αντιδράσεις που είναι πιο πιθανό να συμβούν επειδή έχουν μικρότερο μέγεθος ηλεκτροχημικού δυναμικού. Αυτές οι αντιδράσεις αποτελούν τη βάση για τα γαλβανικά κύτταρα και όλες τις χρήσεις τους, και παρόμοιες αντιδράσεις μπορούν να συμβούν σε βιολογικά πλαίσια. Οι κυτταρικές μεμβράνες δημιουργούν διαμεμβρανικό ηλεκτρικό δυναμικό καθώς τα ιόντα κινούνται κατά μήκος της μεμβράνης και μέσω ηλεκτροκινητικών χημικών δυνατοτήτων.

Για παράδειγμα, η μετατροπή του μειωμένου δινουκλεοτιδίου νικοτιναμιδίου αδενίνης (ΝΑΝΤ) στην παρουσία πρωτονίων (Η⁺) και μοριακό οξυγόνο (Ο₂) παράγει το οξειδωμένο αντίστοιχο (NAD⁺) δίπλα στο νερό (Η₂Ο) ως μέρος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτό συμβαίνει με ένα πρωτόνιοηλεκτροχημική κλίσηπροκαλείται από την πιθανότητα να αφήσει την οξειδωτική φωσφορυλίωση στα μιτοχόνδρια και να παράγει ενέργεια.

οNernst εξίσωσησας επιτρέπει να υπολογίσετε το ηλεκτροχημικό δυναμικό χρησιμοποιώντας τις συγκεντρώσεις των προϊόντων και των αντιδρώντων σε ισορροπία με το δυναμικό των κυττάρων σε βολτμι​_{κύτταρο} όπως και

στο οποίομι​^-_{κύτταρο} είναι η δυνατότητα μείωσης της μισής αντίδρασης,Ρείναι η καθολική σταθερά αερίου (8.31 J x K − 1 mol − 1​), ​Τείναι η θερμοκρασία σε Kelvins,ζείναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται στην αντίδραση, καιΕρείναι το πηλίκο της αντίδρασης της συνολικής αντίδρασης.

Το πηλίκο της αντίδρασηςΕρείναι μια αναλογία που περιλαμβάνει συγκεντρώσεις προϊόντων και αντιδρώντων. Για την υποθετική αντίδραση:aA + bB ⇌ cC + dDμε αντιδραστήριαΕΝΑκαισι, προϊόνταντοκαιρε, και αντίστοιχες ακέραιες τιμέςένα​, ​σι​, ​ντο, καιρε, το πηλίκο της αντίδρασηςΕρεπιθυμών να είναιΕ = [Γ]^ντο[ΡΕ]^ρε / [ΕΝΑ]^ένα[ΣΙ]^σιμε κάθε παρένθεση ως τη συγκέντρωση, συνήθως σεφίλη αλήτη. Για οποιοδήποτε παράδειγμα, η αντίδραση μετρά αυτήν την αναλογία προϊόντων σε αντιδραστήρια.

​Ηλεκτρολυτικά κύτταραδιαφέρουν από τα γαλβανικά στοιχεία στο ότι χρησιμοποιούν μια εξωτερική πηγή μπαταρίας, όχι το φυσικό ηλεκτροχημικό δυναμικό, για να οδηγήσουν την ηλεκτρική ενέργεια μέσω του κυκλώματος. μπορεί να χρησιμοποιήσει ηλεκτρόδια μέσα στον ηλεκτρολύτη σε μια μη αυθόρμητη αντίδραση.

Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν επίσης έναν υδατικό ή τετηγμένο ηλεκτρολύτη σε αντίθεση με τη γέφυρα αλατιού των γαλβανικών κυττάρων. Τα ηλεκτρόδια ταιριάζουν με το θετικό τερματικό, την άνοδο και τον αρνητικό ακροδέκτη, την κάθοδο, της μπαταρίας. Ενώ τα γαλβανικά κύτταρα έχουν θετικές τιμές EMF, τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα έχουν αρνητικά, πράγμα που σημαίνει ότι, για γαλβανικά κύτταρα, οι αντιδράσεις εμφανίζονται αυθόρμητα, ενώ τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα απαιτούν εξωτερική τάση πηγή.

Παρόμοια με τα γαλβανικά κελιά, μπορείτε να χειριστείτε, να αναστρέψετε, να πολλαπλασιάσετε και να προσθέσετε τις εξισώσεις μισής αντίδρασης για να δημιουργήσετε τη συνολική εξίσωση ηλεκτρολυτικών κυττάρων.