Как рассчитать E Cell

Электрохимические элементы рассказывают вам о том, как батареи заряжают цепи и как питаются электронные устройства, такие как сотовые телефоны и цифровые часы. Изучая химию E-клеток, потенциал электрохимических ячеек, вы обнаружите, что в них работают химические реакции, которые пропускают электрический ток через свои цепи. ПотенциалEклетки может сказать вам, как происходят эти реакции.

•••Сайед Хуссейн Атер

• Управляйте половинными реакциями, переставляя их, умножая на целые значения, меняя знак электрохимического потенциала и умножая потенциал. Убедитесь, что вы соблюдаете правила восстановления и окисления. Суммируйте электрохимические потенциалы для каждой половины реакции в ячейке, чтобы получить общий электрохимический или электродвижущий потенциал ячейки.

Для расчетаэлектродвижущий потенциал, также известный как потенциал электродвижущей силы (ЭДС), изгальванический, или гальваническая, ячейка с использованием формулы E Cell при вычислении E Cell:

1. Разделите уравнение на половину реакций, если это еще не сделано.
2. Определите, какое уравнение (а), если есть, нужно перевернуть или умножить на целое число. Вы можете определить это, сначала выяснив, какая половина реакций с наибольшей вероятностью возникнет при спонтанной реакции. Чем меньше величина электрохимического потенциала реакции, тем больше вероятность, что она произойдет. Однако общий потенциал реакции должен оставаться положительным.
   1. Например, полуреакция с электрохимическим потенциалом-,5 Вболее вероятен, чем тот, у которого есть потенциал1 В.​
   2. Когда вы определили, какие реакции наиболее вероятны, они станут основой окисления и восстановления, используемого в электрохимической реакции.
3. Переверните уравнения и умножьте обе части уравнений на целые числа, пока они не дойдут до общей электрохимической реакции, а элементы с обеих сторон не уменьшатся. Для любого уравнения, которое вы переворачиваете, переверните знак. Для любого уравнения, которое вы умножаете на целое число, умножьте потенциал на такое же целое число.
4. Суммируйте электрохимические потенциалы для каждой реакции с учетом отрицательных знаков.

Вы можете вспомнить катодный анод по уравнению E-ячейки с мнемоническим символом "Red Cat An Ox", который говорит вамкрасныйдействие происходит вКотХод ианодабыкидизирует.

Например, у нас может быть гальванический элемент с источником питания постоянного тока. Он использует следующие уравнения для классической щелочной батареи AA с соответствующими электрохимическими потенциалами полуреакции. Вычислить электронную ячейку легко, используяEуравнение ячейки для катода и анода.

1. ​MnO₂(s) + H₂О + е⁻ → MnOOH (s) + ОН^-(водн.); E^о= +0,382 В​
2. ​Zn (т) + 2 ОН ^-(водн.) ​ → ​Zn (OH)₂(s) + 2e-; E^о = +1,221 В

В этом примере первое уравнение описывает водуЧАС₂Oуменьшается за счет потери протона (ЧАС⁺) сформироватьОЙ​^- в то время как оксид магнияMnO₂окисляется, приобретая протон (ЧАС⁺) с образованием оксида-гидроксида марганцаМнООХ.Второе уравнение описывает цинкZnокисляется двумя гидроксид-ионамиОЙ ^-​ с образованием гидроксида цинка Zn (OH)₂ при выпуске двух электронов.​

Чтобы сформировать общее электрохимическое уравнение, которое мы хотим, вы сначала заметите, что уравнение (1) более вероятно, чем уравнение (2), потому что оно имеет меньшую величину электрохимического потенциала. Это уравнение представляет собой уменьшение количества водыЧАС₂Oобразовывать гидроксидОЙ​^-и окисление оксида магнияMnO₂. Это означает, что соответствующий процесс второго уравнения должен окислять гидроксид.ОЙ​^-вернуть его обратно в водуЧАС₂О.Для этого необходимо уменьшить количество гидроксида цинка.Zn (OH)₂вернуться к цинкуZn​.

Это означает, что второе уравнение необходимо перевернуть. Если вы перевернете его и измените знак электрохимического потенциала, вы получитеZn (OH)₂(s) + 2e- ​​→​ ​Zn (т) + 2 ОН ^-(водн.) ​ с соответствующим электрохимическим потенциаломE^о = -1,221 В.​

Перед суммированием двух уравнений необходимо умножить каждый реагент и произведение первого уравнения на целое число 2, чтобы убедиться, что 2 электрона второй реакции уравновешивают один электрон из первой один. Это означает, что наше первое уравнение становится 2MnO₂(s) + 2 H₂O + 2e⁻ → 2MnOOH (т) + 2OH^-(водн.)с электрохимическим потенциаломE^о= +0,764 В​

Сложите эти два уравнения вместе и два электрохимических потенциала вместе, чтобы получить комбинированную реакцию: 2MnO₂(s) + 2 H₂O +​ ​Zn (OH)₂(s) ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH (s)с электрохимическим потенциалом-0,457 В. Обратите внимание, что 2 гидроксид-иона и 2 электрона с обеих сторон уравновешиваются при создании формулы ECell.

Эти уравнения описывают процессы окисления и восстановления с полупористой мембраной, разделенной солевым мостиком. Всоляной мостИзготовлен из такого материала, как сульфат калия, который служит инертным электролитом, позволяющим ионам диффундировать по его поверхности.

Накатодыпроисходит окисление или потеря электронов, ианодыпроисходит уменьшение или усиление электронов. Вы можете запомнить это с помощью мнемонического слова «ОЙЛРИГ». Он сообщает вам, что «Окисление - это потеря» («НЕФТЬ») и «Снижение - это усиление» («RIG»). Электролит - это жидкость, которая позволяет ионам проходить через обе эти части ячейки.

Не забывайте отдавать предпочтение уравнениям и реакциям, которые с большей вероятностью произойдут, потому что они имеют меньшую величину электрохимического потенциала. Эти реакции составляют основу гальванических элементов и всех их применений, и аналогичные реакции могут происходить в биологических контекстах. Клеточные мембраны генерируют трансмембранный электрический потенциал, когда ионы перемещаются через мембрану и через электродвижущие химические потенциалы.

Например, преобразование восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) в присутствии протонов (ЧАС⁺) и молекулярный кислород (O₂) образует окисленный аналог (НАД⁺) рядом с водой (ЧАС₂O) как часть цепи переноса электронов. Это происходит с протономэлектрохимический градиентвызвано способностью окислительного фосфорилирования происходить в митохондриях и производить энергию.

ВУравнение Нернстапозволяет рассчитать электрохимический потенциал, используя концентрации продуктов и реагентов в равновесии с потенциалом ячейки в вольтах.E​_клетка в виде

в которомE​^-_клетка потенциал для полуреакции восстановления,р- универсальная газовая постоянная (8.31 Дж x K − 1 моль − 1​), ​Ттемпература в Кельвинах,z- количество электронов, перенесенных в реакции, иQ- коэффициент реакции от общей реакции.

Коэффициент реакцииQпредставляет собой соотношение концентраций продуктов и реагентов. Для гипотетической реакции:aA + bB ⇌ cC + dDс реагентамиАа такжеB, продуктыCа такжеD, и соответствующие целочисленные значенияа​, ​б​, ​c, а такжеd, коэффициент реакцииQбыло быQ = [C]^c[D]^d / [A]^а[B]^бгде каждое значение в скобках обозначает концентрацию, обычно вМолл. Для любого примера реакция измеряет это отношение продуктов к реагентам.

​Электролитические ячейкиотличаются от гальванических элементов тем, что они используют внешний аккумуляторный источник, а не естественный электрохимический потенциал, для передачи электричества через цепь. может использовать электроды внутри электролита в неспонтанной реакции.

В этих элементах также используется водный или расплавленный электролит, в отличие от солевого моста гальванических элементов. Электроды соответствуют положительной клемме, аноду и отрицательной клемме, катоду, батареи. В то время как гальванические элементы имеют положительные значения ЭДС, электролитические ячейки имеют отрицательные значения, что означает, что для гальванические ячейки, реакции происходят самопроизвольно, в то время как электролитические ячейки требуют внешнего напряжения источник.

Подобно гальваническим элементам, вы можете манипулировать, переворачивать, умножать и складывать уравнения половинных реакций, чтобы получить общее уравнение электролитической ячейки.