Elektrokemijske ćelije govore vam o tome kako se baterije pune u krugovima i kako se napajaju elektronički uređaji poput mobitela i digitalnih satova. Istražujući kemiju E stanica, potencijal elektrokemijskih stanica, pronaći ćete kemijske reakcije koje ih pokreću i šalju električnu struju kroz njihove krugove. PotencijalEstanice može vam reći kako se te reakcije javljaju.
Izračunavanje E ćelije
•••Syed Hussain Ather
Savjeti
Manipulirajte polovinom reakcija preslagivanjem, množenjem cjelobrojnim vrijednostima, okretanjem znaka elektrokemijskog potencijala i množenjem potencijala. Obavezno slijedite pravila redukcije i oksidacije. Zbrojite elektrokemijske potencijale za svaku polovicu reakcije u stanici da biste dobili ukupni elektrokemijski ili elektromotorni potencijal stanice.
Da bi se izračunaoelektromotorni potencijal, poznat i kao potencijal elektromotorne sile (EMF), od agalvanski, ili voltaična ćelija koja koristi formulu E Cell pri izračunavanju E Cell:
- Jednadžbu podijelite na pola reakcije ako već nije.
- Odredite koje se jednadžbe, ako postoje, moraju preokrenuti ili pomnožiti s cijelim brojem. To možete utvrditi tako da prvo shvatite koja će se polovina reakcija najvjerojatnije dogoditi u spontanoj reakciji. Što je manja veličina elektrokemijskog potencijala za reakciju, to je vjerojatnije da će se ona dogoditi. Međutim, ukupni potencijal reakcije mora ostati pozitivan.
- Na primjer, napola reakcija s elektrokemijskim potencijalom od-5 Vvjerojatnije je da će se dogoditi od one s potencijalnim1 V.
- Kad utvrdite koje će se reakcije najvjerojatnije dogoditi, one će činiti osnovu oksidacije i redukcije korištene u elektrokemijskoj reakciji.
- Preokrenite jednadžbe i pomnožite obje strane jednadžbi s cjelobrojnim brojevima dok se ne zbroje s ukupnom elektrokemijskom reakcijom i dok se elementi s obje strane ne ponište. Za bilo koju jednadžbu koju okrenete obrnite znak. Za svaku jednadžbu koju pomnožite s cijelim brojem pomnožite potencijal s istim cijelim brojem.
- Zbrojite elektrokemijske potencijale za svaku reakciju uzimajući u obzir negativne znakove.
Možete se sjetiti katodne anode jednadžbe E stanice s mnemotehnikom "Red Cat An Ox" koja vam govoriCrvenaUkcija se događa namačkahode i theanodavolidizira.
Izračunajte potencijale elektrode sljedećih polustanica
Na primjer, možemo imati galvansku ćeliju s istosmjernim izvorom električne energije. Koristi sljedeće jednadžbe u klasičnoj AA alkalnoj bateriji s odgovarajućim polovičnim reakcijskim elektrokemijskim potencijalima. Izračunavanje e ćelije je jednostavno pomoćuEjednadžba stanice za katodu i anodu.
- MnO2(s) + H2O + e− → MnOOH (s) + OH-(vodeno) Eo= +0,382 V
- Zn (s) + 2 OH -(vod.) → Zn (OH)2(s) + 2e-; Eo = +1,221 V
U ovom primjeru prva jednadžba opisuje voduH2Osmanjenjem gubitka protona (H+) kako bi se dobiloOH- dok magnezijev oksidMnO2oksidira dobivanjem protona (H+) da nastane manganov oksid-hidroksidMnOOH.Druga jednadžba opisuje cinkZnpostajući oksidirana s dva hidroksidna ionaOH - da nastane cink hidroksid Zn (OH)2 dok je oslobađao dva elektrona.
Da biste formirali ukupnu elektrokemijsku jednadžbu koju želimo, prvo primijetite da je jednadžba (1) vjerojatnije da će se dogoditi od jednadžbe (2) jer ima manju veličinu elektrokemijskog potencijala. Ova jednadžba je smanjenje vodeH2Oda nastane hidroksidOH-i oksidacija magnezijevog oksidaMnO2. To znači da odgovarajući postupak druge jednadžbe mora oksidirati hidroksidOH-da se vrati u voduH2O.Da biste to postigli, morate smanjiti cinkov hidroksidZn (OH)2natrag na cinkZn.
To znači da se druga jednadžba mora preokrenuti. Ako ga okrenete i promijenite znak elektrokemijskog potencijala, dobit ćeteZn (OH)2(s) + 2e- → Zn (s) + 2 OH -(vod.) s odgovarajućim elektrokemijskim potencijalomEo = -1,221 V.
Prije zbrajanja dviju jednadžbi morate pomnožiti svaki reaktant i umnožak prve jednadžbe cijeli broj 2 kako bi se osiguralo da 2 elektrona druge reakcije uravnoteže pojedinačni elektron iz prve jedan. To znači da naša prva jednadžba postaje 2MnO2(s) + 2H2O + 2e− → 2MnOOH (s) + 2OH-(vod.)s elektrokemijskim potencijalom odEo= +0,764 V
Zbrojite ove dvije jednadžbe i dva elektrokemijska potencijala kako biste dobili kombiniranu reakciju: 2MnO2(s) + 2H2O + Zn (OH)2(s) → Zn (s) + MNOOHs elektrokemijskim potencijalom-0,457 V. Imajte na umu da se 2 hidroksidna iona i 2 elektrona s obje strane poništavaju prilikom stvaranja ECell formule.
E Kemija stanica
Ove jednadžbe opisuju procese oksidacije i redukcije poluporoznom membranom odvojenom mostom soli. Thesolni mostizrađen je od materijala kao što je kalijev sulfat koji služi kao n inertni elektrolit koji omogućuje ionu da difuzira preko njegove površine.
Nakatode, dolazi do oksidacije ili gubitka elektrona i naanode, dolazi do smanjenja ili dobitka elektrona. Toga se možete sjetiti po mnemotehničkoj riječi "OILRIG". Kaže vam da "Oksidacija je gubitak" ("OIL") i "Smanjenje je dobit" ("RIG"). Elektrolit je tekućina koja pušta ione da prolaze kroz oba ova dijela stanice.
Ne zaboravite prioritet dati jednadžbama i reakcijama za koje je vjerojatnije da će se dogoditi jer imaju manju veličinu elektrokemijskog potencijala. Te reakcije čine osnovu za galvanske stanice i svu njihovu upotrebu, a slične reakcije mogu se dogoditi u biološkom kontekstu. Stanične membrane stvaraju transmembranski električni potencijal dok se ioni kreću kroz membranu i kroz elektromotorne kemijske potencijale.
Na primjer, konverzija reduciranog nikotinamid adenin dinukleotida (NADH) u prisutnosti protona (H+) i molekularni kisik (O2) proizvodi svoj oksidirani kolega (NAD+) uz vodu (H2O) kao dio lanca za transport elektrona. To se događa s protonomelektrokemijski gradijentuzrokovane potencijalom da dopusti da se oksidativna fosforilacija dogodi u mitohondrijima i proizvodi energiju.
Nernstova jednadžba
TheNernstova jednadžbaomogućuje vam izračunavanje elektrokemijskog potencijala pomoću koncentracija proizvoda i reaktanata u ravnoteži sa staničnim potencijalom u voltimaEstanica kao
E_ {ćelija} = E_ {ćelija} ^ - \ frac {RT} {zF} \ ln {Q}
u kojemE-stanica je potencijal redukcije na pola reakcije,Rje univerzalna plinska konstanta (8,31 J x K − 1 mol − 1), Tje temperatura u Kelvinima,zje broj elektrona prenesenih u reakciji, iPje kvocijent reakcije ukupne reakcije.
Kvocijent reakcijePje omjer koji uključuje koncentracije proizvoda i reaktanata. Za hipotetsku reakciju:aA + bB ⇌ cC + dDs reaktantimaAiB, proizvodiCiD, i odgovarajuće cjelobrojne vrijednostia, b, c, id, količnik reakcijePbilo biQ = [C]c[D]d / [A]a[B]bsa svakom zaobljenom vrijednošću kao koncentracijom, obično umol / L. U bilo kojem primjeru, reakcija mjeri ovaj omjer proizvoda prema reaktantima.
Potencijal elektrolitske ćelije
Elektrolitičke stanicerazlikuju se od galvanskih ćelija po tome što za pogon električne energije kroz krug koriste vanjski izvor baterije, a ne prirodni elektrokemijski potencijal. mogu koristiti elektrode unutar elektrolita u nespontanoj reakciji.
Te stanice također koriste vodeni ili rastopljeni elektrolit za razliku od solnog mosta galvanskih ćelija. Elektrode se podudaraju s pozitivnim priključkom, anodom i negativnim priključkom, katodom baterije. Dok galvanske ćelije imaju pozitivne vrijednosti EMF, elektrolitske ćelije imaju negativne, što znači da, za galvanskih ćelija, reakcije se javljaju spontano dok elektrolitskim ćelijama treba vanjski napon izvor.
Slično galvanskim ćelijama, možete manipulirati, preokretati, množiti i dodavati jednadžbe napola reakcije kako biste stvorili ukupnu jednadžbu elektrolitskih ćelija.