Kuidas arvutada E-rakku

Elektrokeemilised elemendid räägivad teile, kuidas akud laadivad vooluringe ja kuidas toite saavad elektroonilised seadmed, näiteks mobiiltelefonid ja digitaalsed kellad. Vaadates E-rakkude keemiat, elektrokeemiliste rakkude potentsiaali, leiate neid toidetavaid keemilisi reaktsioone, mis saadavad oma vooluahelate kaudu elektrivoolu. PotentsiaalEraku abil saate teada, kuidas need reaktsioonid tekivad.

•••Syed Hussain Ather

• Poolreaktsioonidega manipuleerige neid ümber korraldades, korrutades need täisarvu väärtustega, pöörates elektrokeemilise potentsiaali märgi ja korrutades potentsiaali. Järgige kindlasti redutseerimise ja oksüdeerimise reegleid. Koguge kokku iga raku poole reaktsiooni elektrokeemilised potentsiaalid, et saada raku kogu elektrokeemiline või elektromotoorne potentsiaal.

Et arvutadaelektromotoorne potentsiaal, tuntud ka kui elektromotoorjõu potentsiaal (EMF),galvaanilinevõi voltaic-lahter, kasutades E-lahtri arvutamiseks valemit E Cell:

1. Jagage võrrand pooleks reaktsiooniks, kui see pole veel nii.
2. Tehke kindlaks, milline võrrand (id) tuleb ümber pöörata või korrutada täisarvuga. Selle saate kindlaks teha kõigepealt välja selgitades, millised poolreaktsioonid esinevad kõige tõenäolisemalt spontaanse reaktsiooni korral. Mida väiksem on reaktsiooni elektrokeemilise potentsiaali suurus, seda tõenäolisem on selle esinemine. Kuid üldine reaktsioonipotentsiaal peab jääma positiivseks.
   1. Näiteks poolreaktsioon elektrokeemilise potentsiaaliga-5 Von tõenäolisem kui potentsiaalne1 V.​
   2. Kui olete kindlaks teinud, millised reaktsioonid on kõige tõenäolisemad, moodustavad need elektrokeemilises reaktsioonis kasutatava oksüdatsiooni ja redutseerimise aluse.
3. Pöörake võrrandid ja korrutage võrrandite mõlemad pooled täisarvudega, kuni need summeeruvad kogu elektrokeemilise reaktsioonini ja mõlema külje elemendid kustuvad. Kõigi võrrandite korral, mille klappite, pöörake märk ümber. Mis tahes võrrandi korral, mille korrutate täisarvuga, korrutage potentsiaal sama täisarvuga.
4. Võtke kokku iga reaktsiooni elektrokeemilised potentsiaalid, võttes samas arvesse negatiivseid märke.

Mäletate teile E-raku võrrandi katoodanoodi koos mnemoonilise "Red Cat An Ox" -gapunanereaktsioon toimubkasshode jaanoodhärgidiseerib.

Näiteks võib meil olla alalisvooluallikaga galvaanielement. See kasutab järgmisi võrrandeid klassikalises AA leelispatareis, millel on vastavad reaktsiooni elektrokeemilised potentsiaalid pooleldi. E-lahtri arvutamine on nupu abil lihtneEraku võrrand katoodile ja anoodile.

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

Selles näites kirjeldab esimene võrrand vettH₂Ovähendada prootoni kaotamise kaudu (H⁺) moodustamiseksOH​^- samas magneesiumoksiidMnO₂oksüdeeritakse prootoni saamiseks (H⁺), et moodustada mangaanoksiid-hüdroksiidMnOOH.Teine võrrand kirjeldab tsinkiZnoksüdeerub kahe hüdroksiidioonigaOH ^-​ tsinkhüdroksiidi moodustamiseks Zn (OH)₂ vabastades samal ajal kaks elektroni.​

Soovitud üldise elektrokeemilise võrrandi moodustamiseks peate kõigepealt märkima, et võrrand (1) esineb tõenäolisemalt kui võrrand (2), kuna sellel on väiksem elektrokeemilise potentsiaali suurus. See võrrand on vee redutseerimineH₂Ohüdroksiidi moodustamiseksOH​^-ja magneesiumoksiidi oksüdeerimineMnO₂. See tähendab, et teise võrrandi vastav protsess peab hüdroksiidi oksüdeerimaOH​^-et see uuesti vette tagasi viiaH₂O.Selle saavutamiseks peate vähendama tsinkhüdroksiidiZn (OH)₂tagasi tsingi juurdeZn​.

See tähendab, et teine ​​võrrand tuleb ümber pöörata. Kui keerate selle ümber ja muudate elektrokeemilise potentsiaali märki, saateZn (OH)₂s) + 2e- ​​→​ ​Zn (s) + 2 OH ^-(aq) ​ vastava elektrokeemilise potentsiaaligaE^o = -1,221 V.​

Enne kahe võrrandi kokkuvõtmist peate korrutama iga reaktandi ja esimese võrrandi korrutise täisarv 2, et veenduda, et teise reaktsiooni 2 elektroni tasakaalustavad ühest elektronist esimese üks. See tähendab, et meie esimeseks võrrandiks saab 2MnO₂(s) + 2H₂O + 2e⁻ → 2MnOOH (s) + 2OH^-(aq)elektrokeemilise potentsiaaligaE^o= +0,764 V​

Kombineeritud reaktsiooni saamiseks lisage need kaks võrrandit ja kaks elektrokeemilist potentsiaali kokku:MnO₂(s) + 2H₂O +​ ​Zn (OH)₂s) ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH (id)elektrokeemilise potentsiaaliga-0,457 V. Pange tähele, et 2 hüdroksiidi iooni ja 2 elektroni mõlemal küljel kustuvad ECelli valemi loomisel.

Need võrrandid kirjeldavad oksüdatsiooni- ja redutseerimisprotsesse poorsest membraanist, mis on eraldatud soolasillaga. Thesoolasildon valmistatud materjalist nagu kaaliumsulfaat, mis toimib n inertse elektrolüüdina, mis laseb ioonil kogu oma pinnal hajuda.

Juureskatoodid, toimub oksüdeerumine või elektronide kadu jaanoodidtoimub elektronide reduktsioon või võimendus. Seda saate meenutada mälusõnaga "OILRIG". See ütleb teile, et "Oksüdeerumine on kadu" ("OIL") ja "Reduction Is Gain" ("RIG"). Elektrolüüt on vedelik, mis laseb ioonidel raku mõlemast osast läbi voolata.

Ärge unustage seada esikohale võrrandid ja reaktsioonid, mis tekivad tõenäolisemalt, kuna neil on väiksem elektrokeemilise potentsiaali suurus. Need reaktsioonid on galvaaniliste rakkude ja kõigi nende kasutusalade alus ning sarnased reaktsioonid võivad esineda ka bioloogilises kontekstis. Rakumembraanid tekitavad transmembraanset elektrilist potentsiaali, kui ioonid liiguvad üle membraani ja läbi elektromotoorsete keemiliste potentsiaalide.

Näiteks redutseeritud nikotiinamiidadeniindininukleotiidi (NADH) prootonite juuresolekul (H⁺) ja molekulaarne hapnik (O₂) toodab oksüdeeritud vastet (NAD⁺) kõrvuti veega (H₂O) elektronide transpordiahela osana. See juhtub prootonigaelektrokeemiline gradientpõhjustatud potentsiaalist lasta oksüdatiivsel fosforüülimisel mitokondrites toimuda ja energiat toota.

TheNernsti võrrandvõimaldab teil arvutada elektrokeemilise potentsiaali, kasutades rakkude potentsiaaliga tasakaalus olevate toodete ja reagentide kontsentratsioone voltidesE​_kamber as

millesE​^-_kamber on redutseerimise poolreaktsiooni potentsiaal,Ron universaalne gaasikonstant (8,31 J x K − 1 mol − 1​), ​Ton temperatuur kelvinites,zon reaktsioonis ülekantud elektronide arv jaQon kogu reaktsiooni reaktsiooni jagatis.

Reaktsiooni jagatisQon suhe, mis hõlmab toodete ja reagentide kontsentratsioone. Hüpoteetilise reaktsiooni korral:aA + bB ⇌ cC + dDreageerijategaAjaB, tootedCjaDja vastavad täisarvu väärtuseda​, ​b​, ​cjad, reaktsiooni jagatisQoleksQ = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^biga sulgudes olev väärtus on kontsentratsioon, tavaliseltmol / l. Näiteks võib reaktsioonis mõõta seda toodete ja reagentide suhet.

​Elektrolüütilised elemendiderinevad galvaanielementidest selle poolest, et nad kasutavad vooluahela juhtimiseks välist akuallikat, mitte looduslikku elektrokeemilist potentsiaali. saab elektrolüüdi sees olevaid elektroode kasutada mittepunktsionaalses reaktsioonis.

Need rakud kasutavad vastupidiselt galvaaniliste rakkude soolasillale ka vesilahust või sula elektrolüüdi. Elektroodid sobivad aku positiivse klemmi, anoodi ja negatiivse klemmi, katoodi külge. Kui galvaanielementidel on positiivsed elektromagnetvälja väärtused, on elektrolüütilistel rakkudel negatiivsed, mis tähendab, et galvaanielementide korral toimuvad reaktsioonid spontaanselt, samal ajal kui elektrolüütilised elemendid vajavad välist pinget allikas.

Sarnaselt galvaanielementidega saate üldise elektrolüütilise võrrandi saamiseks koostada poolreaktsioonivõrrandid, neid ümber pöörata, korrutada ja lisada.