Kaip apskaičiuoti E ląstelę

Elektrocheminiai elementai pasakoja apie tai, kaip baterijos įkrauna grandines ir kaip maitinami elektroniniai prietaisai, pvz., Mobilieji telefonai ir skaitmeniniai laikrodžiai. Pažvelgus į E ląstelių chemiją, elektrocheminių elementų potencialą, rasite jas valdančių cheminių reakcijų, kurios savo grandinėmis siunčia elektros srovę. PotencialasEląstelės gali pasakyti, kaip šios reakcijos vyksta.

•••Syedas Hussainas Atheris

• Manipuliuokite pusinėmis reakcijomis jas pertvarkydami, padauginę iš sveikųjų skaičių, apversdami elektrocheminio potencialo ženklą ir padauginę potencialą. Būtinai laikykitės redukcijos ir oksidacijos taisyklių. Apibendrinkite kiekvienos pusės ląstelės reakcijos elektrocheminius potencialus, kad gautumėte bendrą ląstelės elektrocheminį arba elektromotyvinį potencialą.

Norėdami apskaičiuotielektromotorinis potencialas, taip pat žinomas kaip elektromotorinės jėgos potencialas (EML), išgalvaninisarba voltaic ląstelė, naudojant E ląstelių formulę apskaičiuojant E ląstelę:

1. Padalinkite lygtį į pusę reakcijos, jei ji dar nėra.
2. Nustatykite, kuri (-os) lygtis (-os) turi būti apversta arba padauginta iš sveiko skaičiaus. Tai galite nustatyti pirmiausia išsiaiškinę, kurios pusės reakcijos greičiausiai atsiras spontaniškos reakcijos metu. Kuo mažesnis reakcijos elektrocheminio potencialo dydis, tuo didesnė jo tikimybė. Tačiau bendras reakcijos potencialas turi išlikti teigiamas.
   1. Pavyzdžiui, pusė reakcijos su elektrocheminiu potencialu-5 Vyra didesnė tikimybė, nei turintis potencialą1 V.​
   2. Kai nustatysite, kurios reakcijos greičiausiai atsiras, jos bus oksidacijos ir redukcijos, naudojamos elektrocheminėje reakcijoje, pagrindas.
3. Apverskite lygtis ir padauginkite abi lygčių puses iš sveikųjų skaičių, kol jos susumuos bendrą elektrocheminę reakciją ir elementai iš abiejų pusių išnyks. Norėdami pakeisti bet kokią lygtį, pakeiskite ženklą. Bet kuriai lygčiai, kurią padauginsite iš sveiko skaičiaus, padauginkite potencialą iš to paties sveiko skaičiaus.
4. Apibendrinkite kiekvienos reakcijos elektrocheminius potencialus, atsižvelgdami į neigiamus ženklus.

Galite prisiminti E ląstelių lygties katodo anodą su mnemoniniu „Raudonasis katinas ir jautis“raudonareakcija įvykstakatėHode iranodėJautisįsivaizduoja.

Pavyzdžiui, mes galime turėti galvaninį elementą su nuolatinės srovės elektros energijos šaltiniu. Jis naudoja šias lygtis klasikinėje AA šarminėje baterijoje su atitinkamais pusės reakcijos elektrocheminiais potencialais. Skaičiuoti e langelį lengva naudojantEląstelių katodo ir anodo lygtis.

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

Šiame pavyzdyje pirmoji lygtis apibūdina vandenįH₂Osumažėja prarandant protoną (H⁺) suformuotiOI​^- o magnio oksidasMnO₂yra oksiduojamas gaunant protoną (H⁺), kad susidarytų mangano oksido-hidroksidoMnOOH.Antroji lygtis apibūdina cinkąZnoksiduojasi dviem hidroksido jonaisOI ^-​ susidaryti cinko hidroksidui Zn (OH)₂ išlaisvindamas du elektronus.​

Norėdami suformuoti bendrą norimą elektrocheminę lygtį, pirmiausia atkreipkite dėmesį, kad (1) lygtis yra didesnė tikimybė nei (2) lygtis, nes ji turi mažesnį elektrocheminio potencialo dydį. Ši lygtis yra vandens redukcijaH₂Okad susidarytų hidroksidasOI​^-ir magnio oksido oksidacijaMnO₂. Tai reiškia, kad atitinkamas antrosios lygties procesas turi oksiduoti hidroksidąOI​^-kad jis grįžtų į vandenįH₂O.Norėdami tai pasiekti, turite sumažinti cinko hidroksidąZn (OH)₂atgal į cinkąZn​.

Tai reiškia, kad antroji lygtis turi būti apversta. Jei jį apversite ir pakeisite elektrocheminio potencialo ženklą, gausiteZn (OH)₂(-ai) + 2e- ​​→​ ​Zn (s) + 2 OH ^-(aq) ​ turintis atitinkamą elektrocheminį potencialąE^o = -1,221 V.​

Prieš sumuodami abi lygtis, turite padauginti kiekvieną reagentą ir pirmosios lygties sandaugą iš sveikasis skaičius 2, kad įsitikintumėte, jog 2 antrosios reakcijos elektronai subalansuoja vienintelį elektroną iš pirmojo vienas. Tai reiškia, kad mūsų pirmoji lygtis tampa 2MnO₂(s) + 2 H₂O + 2e⁻ → 2MnOOH (-ai) + 2OH^-(aq)kurių elektrocheminis potencialas yraE^o= +0,764 V​

Sudarykite šias dvi lygtis ir du elektrocheminius potencialus, kad gautumėte bendrą reakciją:MnO₂(s) + 2 H₂O +​ ​Zn (OH)₂s ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH (-ai)turintis elektrocheminį potencialą-0,457 V. Atkreipkite dėmesį, kad kuriant ECell formulę 2 hidroksido jonai ir 2 elektronai iš abiejų pusių išnyksta.

Šios lygtys apibūdina oksidacijos ir redukcijos procesus su pusiau porėta membrana, atskirta druskos tiltu. Thedruskos tiltasyra pagamintas iš tokios medžiagos kaip kalio sulfatas, kuris tarnauja kaip n inertinis elektrolitas, leidžiantis jonui difunduoti visame jo paviršiuje.

Priekatodai, vyksta oksidacija arba elektronų nuostoliai, iranodaiatsiranda elektronų redukcija arba padidėjimas. Tai galite prisiminti mnemonišku žodžiu „OILRIG“. Jame sakoma, kad „Oksidacija yra nuostolis“ („ALIEJUS“) ir „Redukcija yra pelnas“ („RIG“). Elektrolitas yra skystis, leidžiantis jonams tekėti per abi šias ląstelės dalis.

Nepamirškite teikti pirmenybės lygtims ir reakcijoms, kurios labiau tikėtinos, nes jų elektrocheminis potencialas yra mažesnis. Šios reakcijos yra pagrindas galvaninėms ląstelėms ir visoms jų paskirtims, ir panašios reakcijos gali pasireikšti biologiniame kontekste. Ląstelių membranos generuoja transmembraninį elektrinį potencialą, kai jonai juda per membraną ir per elektromotorinius cheminius potencialus.

Pavyzdžiui, redukuoto nikotinamido adenino dinukleotido (NADH) esant protonams (H⁺) ir molekulinis deguonis (O₂) gamina oksiduotą atitikmenį (NAD⁺) kartu su vandeniu (H₂O) kaip elektronų perdavimo grandinės dalį. Tai įvyksta su protonuelektrocheminis gradientassukelia potencialas leisti oksidacinei fosforilacijai vykti mitochondrijose ir gaminti energiją.

TheNernsto lygtisleidžia apskaičiuoti elektrocheminį potencialą, naudojant pusiausvyroje esančių produktų ir reagentų koncentracijas su ląstelių potencialu voltaisE​_ląstelė kaip

kuriameE​^-_ląstelė yra pusinės redukcijos reakcijos galimybė,Ryra universali dujų konstanta (8,31 J x K − 1 mol − 1​), ​Tyra temperatūra Kelvinuose,zyra per reakciją perduodamų elektronų skaičius irKlausimasyra visos reakcijos reakcijos koeficientas.

Reakcijos koeficientasKlausimasyra santykis, apimantis produktų ir reagentų koncentracijas. Dėl hipotetinės reakcijos:aA + bB ⇌ cC + dDsu reagentaisAirB, ProduktaiCirDir atitinkamos sveiko skaičiaus reikšmėsa​, ​b​, ​cird, reakcijos koeficientasKlausimasbūtųQ = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^bkiekviena skliaustuose esanti reikšmė yra koncentracija, paprastaimol / l. Bet kokiu atveju reakcija matuoja šį produktų ir reagentų racioną.

​Elektrolitiniai elementaiskiriasi nuo galvaninių elementų tuo, kad elektros srovei per grandinę naudoti išorinį akumuliatoriaus šaltinį, o ne natūralų elektrocheminį potencialą. gali naudoti elektrolito viduje esančius elektrodus nespecifinėje reakcijoje.

Šios ląstelės taip pat naudoja vandeninį arba išlydytą elektrolitą, priešingai nei galvaninių elementų druskos tiltas. Elektrodai atitinka teigiamą akumuliatoriaus gnybtą, anodą ir neigiamą gnybtą - katodą. Nors galvaninių elementų EMF vertės yra teigiamos, elektrolitinių elementų neigiamos, o tai reiškia, kad galvaninių elementų, reakcijos vyksta savaime, o elektrolitinėms ląstelėms reikalinga išorinė įtampa šaltinis.

Panašiai kaip galvaninių elementų, galite valdyti, apversti, padauginti ir pridėti pusės reakcijos lygtis, kad gautumėte bendrą elektrolitinių elementų lygtį.