תאים אלקטרוכימיים מספרים לכם כיצד סוללות נטענות מעגלים וכיצד פועלים מכשירים אלקטרוניים כמו טלפונים סלולריים ושעונים דיגיטליים. כשמסתכלים על הכימיה של תאי E, הפוטנציאל של תאים אלקטרוכימיים, תמצאו תגובות כימיות שמפעילות אותם ששולחים זרם חשמלי במעגלים שלהם. הפוטנציאלהשל תא יכול להגיד לך איך התגובות האלה מתרחשות.
חישוב תא E
•••סייד חוסיין את'ר
טיפים
נהל את מחצית התגובות על ידי סידורן מחדש, הכפלתן בערכים שלמים, הפוך את סימן הפוטנציאל האלקטרוכימי והכפל את הפוטנציאל. הקפד לפעול לפי כללי הפחתה וחמצון. סכם את הפוטנציאלים האלקטרוכימיים לכל חצי תגובה בתא כדי לקבל את הפוטנציאל הכולל של האלקטרוכימיה או האלקטרו-מנוע.
כדי לחשב אתפוטנציאל אלקטרומוטורי, המכונה גם פוטנציאל של הכוח האלקטרומטיבי (EMF), של אגלווניאו תא וולטאי המשתמש בנוסחת תא E בחישוב תא E:
- פצל את המשוואה לחצי תגובות אם זה כבר לא.
- קבע איזו משוואה (ים), אם בכלל, חייבים להיות הופכים או מוכפלים במספר שלם. אתה יכול לקבוע זאת על ידי תחילה לבדוק אילו מחצית תגובות צפויות להתרחש בתגובה ספונטנית. ככל שגודל הפוטנציאל האלקטרוכימי לתגובה קטן יותר, כך הסיכוי שהוא יתרחש. עם זאת, פוטנציאל התגובה הכללי חייב להישאר חיובי.
- לדוגמא, חצי תגובה עם פוטנציאל אלקטרוכימי של-5.5 וולטנוטה יותר להתרחש מאשר בעל פוטנציאל1 V.
- כשתקבע אילו תגובות צפויות להתרחש, הן יהוו את הבסיס לחמצון ולהפחתה המשמשים בתגובה האלקטרוכימית.
- הפוך משוואות והכפל את שני צידי המשוואות במספרים שלמים עד שהם מסכמים את התגובה הכללית-כימית והאלמנטים משני הצדדים מבוטלים. עבור כל משוואה שאתה הופך, הפוך את השלט. עבור כל משוואה שתכפיל במספר שלם, הכפל את הפוטנציאל באותו מספר שלם.
- נסכם את הפוטנציאלים האלקטרוכימיים לכל תגובה תוך התחשבות בסימנים שליליים.
אתה יכול לזכור את האנודה הקתודית של משוואת תאי E עם "החתול האדום שור" המנומני שאומר לךאָדוֹםהפעולה מתרחשת בחתולhode ו-anשיר הללשׁוֹרמזהה.
חשב את פוטנציאל האלקטרודה של חצאי התאים הבאים
לדוגמא, יתכן שיש לנו תא גלווני עם מקור כוח חשמלי DC. הוא משתמש במשוואות הבאות בסוללת אלקליין AA קלאסית עם פוטנציאל אלקטרוכימי למחצה התגובה. חישוב תא אלקטרוני קל באמצעות ה-המשוואת תאים לקתודה ולאנודה.
- MnO2(ים) + H2O + e− → MnOOH (ים) + OH-(aq); הo= +0.382 וולט
- Zn (s) + 2 OH -(aq) → Zn (OH)2(ים) + 2e-; הo = +1.221 וולט
בדוגמה זו, המשוואה הראשונה מתארת מיםה2אומצטמצם על ידי איבוד פרוטון (ה+) כדי ליצוראה- ואילו תחמוצת המגנזיוםMnO2מחומצן על ידי השגת פרוטון (ה+) ליצירת תחמוצת מנגן-הידרוקסידMnOOH.המשוואה השנייה מתארת אבץZnמתחמצן עם שני יונים של הידרוקסידאה - ליצירת אבץ הידרוקסיד Zn (OH)2 תוך כדי שחרור שני אלקטרונים.
כדי ליצור את המשוואה האלקטרוכימית הכוללת שאנחנו רוצים, ראשית שימו לב כי משוואה (1) נוטה יותר להתרחש מאשר משוואה (2) מכיוון שיש לה פוטנציאל אלקטרוכימי בעוצמה נמוכה יותר. משוואה זו היא הפחתה של מיםה2אוליצירת הידרוקסידאה-וחמצון של תחמוצת מגנזיוםMnO2. משמעות הדבר היא כי התהליך המקביל של המשוואה השנייה חייב להתחמצן הידרוקסידאה-להחזיר אותו למיםה2או.כדי להשיג זאת, עליך להפחית את אבץ ההידרוקסידZn (OH)2בחזרה לאבץZn.
המשמעות היא שיש להפוך את המשוואה השנייה. אם אתה הופך אותו ומשנה את סימן הפוטנציאל האלקטרוכימי, אתה משיגZn (OH)2(ים) + 2e- → Zn (s) + 2 OH -(aq) עם פוטנציאל אלקטרוכימי מקבילהo = -1.221 V.
לפני שתסכם את שתי המשוואות יחד, עליכם להכפיל כל מגיב ותוצר של המשוואה הראשונה ב המספר השלם 2 כדי לוודא ששני האלקטרונים של התגובה השנייה מאזנים את האלקטרון היחיד מהראשון אחד. המשמעות היא שהמשוואה הראשונה שלנו הופכת ל -2MnO2(ים) + 2 ח '2O + 2e− → 2MnOOH (s) + 2OH-(aq)עם פוטנציאל אלקטרוכימי שלהo= +0.764 וולט
הוסף את שתי המשוואות הללו יחד ואת שני הפוטנציאלים האלקטרוכימיים יחד כדי לקבל תגובה משולבת: 2MnO2(ים) + 2 ח '2O + Zn (OH)2(ים) → Zn (s) + MnOOHעם פוטנציאל אלקטרוכימי-0.457 V. שים לב ששני יוני ההידרוקסיד ושני האלקטרונים משני הצדדים מתבטלים בעת יצירת הנוסחה של ה- ECell.
כימיה של תאים
משוואות אלה מתארות את תהליכי החמצון וההפחתה עם קרום נקבובי למחצה המופרד על ידי גשר מלח. הגשר מלחעשוי מחומר כגון אשלגן גופרתי המשמש n אלקטרוליט אינרטי המאפשר ליון להתפזר על פניו.
בקתודות, חמצון, או אובדן אלקטרונים, מתרחש, ובמקוםאנודות, צמצום או רווח של אלקטרונים מתרחש. אתה יכול לזכור זאת במילה הממונית "OILRIG". זה אומר לך ש"חמצון הוא אובדן "(" שמן ") ו"הפחתה היא רווח" ("RIG"). האלקטרוליט הוא הנוזל המאפשר ליונים לזרום בשני חלקי התא הללו.
זכור לתעדף משוואות ותגובות בעלות סיכוי גבוה יותר להתרחש מכיוון שיש להן פוטנציאל אלקטרוכימי בעוצמה נמוכה יותר. תגובות אלו מהוות בסיס לתאים גלווניים ולכל השימושים בהם, ותגובות דומות יכולות להתרחש בהקשרים ביולוגיים. ממברנות תאים מייצרות פוטנציאל חשמלי טרנסממברני כאשר יונים נעים על פני הקרום ודרך פוטנציאלים כימיים אלקטרומוטוריים.
לדוגמא, ההמרה של ניוקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד (NADH) בנוכחות פרוטונים (ה+) וחמצן מולקולרי (או2) מייצר את מקבילו המחומצן (נאד+) לצד מים (ה2או) כחלק משרשרת הובלת האלקטרונים. זה קורה עם פרוטוןשיפוע אלקטרוכימינגרמת על ידי הפוטנציאל לאפשר זרחון חמצוני להתרחש במיטוכונדריה ולייצר אנרגיה.
משוואת נרנסט
המשוואת נרנסטמאפשר לך לחשב את הפוטנציאל האלקטרוכימי באמצעות ריכוזי המוצרים והמגיבים בשיווי משקל עם פוטנציאל התא בוולטיםהתָא כפי ש
E_ {cell} = E_ {cell} ^ - \ frac {RT} {zF} \ ln {Q}
בוה-תָא הוא הפוטנציאל לתגובת מחצית ההפחתה,רהוא קבוע הגז האוניברסלי (8.31 J x K − 1 mol − 1), טהטמפרטורה בקלווינס,zהוא מספר האלקטרונים המועברים בתגובה, ושהוא מנת התגובה של התגובה הכוללת.
מנת התגובהשהוא יחס הכולל ריכוזים של מוצרים ומגיבים. לתגובה ההיפותטית:aA + bB ⇌ cC + dDעם מגיביםאוב, מוצריםגוד, וערכי מספרים שלמים תואמיםא, ב, ג, וד, מנת התגובהשיהיהש = [ג]ג[D]ד / [A]א[B]בעם כל ערך בסוגריים כריכוז, בדרך כלל בפְּרוּצָה. לכל דוגמה, התגובה מודדת את מנת המוצרים הזו למגיבים.
פוטנציאל של תא אלקטרוליטי
תאים אלקטרוליטייםנבדלים מתאים גלווניים בכך שהם משתמשים במקור סוללה חיצוני, ולא בפוטנציאל האלקטרוכימי הטבעי, בכדי להעביר חשמל במעגל. יכול להשתמש באלקטרודות בתוך האלקטרוליט בתגובה לא ספונטנית.
תאים אלה משתמשים גם באלקטרוליט מימי או מותך בניגוד לגשר המלח של תאים גלווניים. האלקטרודות תואמות את המסוף החיובי, את האנודה ואת המסוף השלילי, הקתודה, של הסוללה. בעוד שלתאים גלווניים יש ערכי EMF חיוביים, יש לתאים אלקטרוליטיים תאים שליליים, כלומר תאים גלווניים, התגובות מתרחשות באופן ספונטני ואילו תאים אלקטרוליטיים דורשים מתח חיצוני מָקוֹר.
בדומה לתאים הגלווניים, ניתן לתפעל, להפוך, להכפיל ולהוסיף את משוואות חצי התגובה כדי לייצר את משוואת התאים האלקטרוליטית הכוללת.