Ako vypočítať E bunku

Elektrochemické články vám povedia, ako batérie nabíjajú obvody a ako sú napájané elektronické zariadenia, ako sú mobilné telefóny a digitálne hodinky. Pri pohľade na chémiu E buniek, potenciál elektrochemických článkov, nájdete chemické reakcie, ktoré ich poháňajú a ktoré cez ich obvody vysielajú elektrický prúd. PotenciálEbunky vám môže povedať, ako sa tieto reakcie vyskytujú.

•••Syed Hussain Ather

• Manipulujte s polovičnými reakciami ich preskupením, vynásobením celočíselnými hodnotami, preklopením znamienka elektrochemického potenciálu a znásobením potenciálu. Uistite sa, že dodržiavate pravidlá redukcie a oxidácie. Sčítajte elektrochemické potenciály pre každú polovicu reakcie v článku, aby ste dostali celkový elektrochemický alebo elektromotorický potenciál článku.

Pre výpočetelektromotorický potenciál, známy tiež ako potenciál elektromotorickej sily (EMF), agalvanickéalebo voltaické bunky s použitím vzorca E Cell pri výpočte E Cell:

1. Ak to ešte nie je, rozdeľte rovnicu na polovicu reakcií.
2. Určte, ktoré rovnice, ak existujú, musia byť prevrátené alebo vynásobené celým číslom. Môžete to určiť tak, že najskôr zistíte, ktoré polovičné reakcie sa najpravdepodobnejšie vyskytnú pri spontánnej reakcii. Čím je veľkosť elektrochemického potenciálu pre reakciu menšia, tým je pravdepodobnejšia. Celkový reakčný potenciál však musí zostať pozitívny.
   1. Napríklad polovičná reakcia s elektrochemickým potenciálom-5 Vje pravdepodobnejšie ako u potenciálneho1 V.​
   2. Keď určíte, ktoré reakcie sa najpravdepodobnejšie vyskytnú, budú tvoriť základ oxidácie a redukcie použitej v elektrochemickej reakcii.
3. Obracajte rovnice a vynásobte obe strany rovníc celočíselnými číslami, kým sa nesčítajú s celkovou elektrochemickou reakciou a prvky na oboch stranách sa nezrušia. Pri akejkoľvek rovnici, ktorú otočíte, obráťte znamienko. Pre každú rovnicu, ktorú vynásobíte celým číslom, vynásobte potenciál rovnakým číslom.
4. Zhrňte elektrochemické potenciály pre každú reakciu a zohľadnite pritom negatívne znaky.

Môžete si spomenúť na katódovú anódu s E bunkovou rovnicou pomocou mnemotechniky „Red Cat An Ox“, ktorá vám to hovoríčervenánastáva ukathode aanódavôlidentifikuje.

Napríklad môžeme mať galvanický článok so zdrojom jednosmerného elektrického prúdu. Používa nasledujúce rovnice v klasickej alkalickej batérii AA so zodpovedajúcimi polovične reakčnými elektrochemickými potenciálmi. Výpočet e bunky je jednoduchý pomocouEbunková rovnica pre katódu a anódu.

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

V tomto príklade prvá rovnica popisuje voduH₂Osa redukuje stratou protónu (H⁺) formovaťOH​^- zatiaľ čo oxid horečnatýMnO₂sa oxiduje získaním protónu (H⁺) za vzniku oxidu-hydroxidu manganatéhoMnOOH.Druhá rovnica popisuje zinokZnoxiduje dvoma hydroxidovými iónmiOH ^-​ za vzniku hydroxidu zinočnatého Zn (OH)₂ pri uvoľňovaní dvoch elektrónov.​

Ak chcete vytvoriť celkovú požadovanú elektrochemickú rovnicu, najskôr si všimnite, že je pravdepodobnejšie, že sa vyskytne rovnica (1) ako rovnica (2), pretože má nižšiu veľkosť elektrochemického potenciálu. Táto rovnica predstavuje redukciu vodyH₂Oza vzniku hydroxiduOH​^-a oxidácia oxidu horečnatéhoMnO₂. To znamená, že zodpovedajúci proces druhej rovnice musí oxidovať hydroxidOH​^-vrátiť ho späť na voduH₂O.Aby ste to dosiahli, musíte znížiť hydroxid zinočnatýZn (OH)₂späť na zinokZn​.

To znamená, že druhá rovnica musí byť prevrátená. Ak ho preklopíte a zmeníte znamienko elektrochemického potenciálu, získateZn (OH)₂s + 2e- ​​→​ ​Zn (s) + 2 OH ^-(aq) ​ so zodpovedajúcim elektrochemickým potenciálomE^o = -1,221 V.​

Pred sčítaním týchto dvoch rovníc musíte vynásobiť každý reaktant a produkt prvej rovnice celé číslo 2, aby sa zabezpečilo, že 2 elektróny druhej reakcie vyvážia jeden elektrón z prvého jeden. To znamená, že naša prvá rovnica bude 2MnO₂(s) + 2 H₂O + 2e⁻ → 2 MnOOH (s) + 2OH^-(aq)s elektrochemickým potenciálomE^o= +0,764 V​

Spojením týchto dvoch rovníc a dvoch elektrochemických potenciálov získate kombinovanú reakciu: 2MnO₂(s) + 2 H₂O +​ ​Zn (OH)₂s ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH (s)s elektrochemickým potenciálom-0,457 V. Upozorňujeme, že 2 hydroxidové ióny a 2 elektróny na oboch stranách sa pri vytváraní vzorca ECell rušia.

Tieto rovnice popisujú oxidačné a redukčné procesy s semi-pórovitou membránou oddelenou soľným mostíkom. Thesoľný mostje vyrobený z materiálu, ako je síran draselný, ktorý slúži ako inertný elektrolyt, ktorý umožňuje difúzii iónov cez jeho povrch.

Nakatódydochádza k oxidácii alebo strate elektrónov a naanódy, dochádza k redukcii alebo zisku elektrónov. Môžete si to zapamätať pomocou mnemotechnického slova „OILRIG“. Hovorí vám, že „Oxidácia je stratová“ („OIL“) a „Redukcia je zisk“ („RIG“). Elektrolyt je kvapalina, ktorá umožňuje prúdenie iónov cez obe tieto časti bunky.

Nezabudnite uprednostniť rovnice a reakcie, ktoré sa vyskytnú s väčšou pravdepodobnosťou, pretože majú nižšiu veľkosť elektrochemického potenciálu. Tieto reakcie tvoria základ pre galvanické články a všetky ich použitia a podobné reakcie môžu prebiehať v biologických kontextoch. Bunkové membrány generujú transmembránový elektrický potenciál pri pohybe iónov cez membránu a cez elektromotorické chemické potenciály.

Napríklad konverzia redukovaného nikotínamidu adeníndinukleotidu (NADH) v prítomnosti protónov (H⁺) a molekulárny kyslík (O₂) vyrába svoj oxidovaný náprotivok (NAD⁺) popri vode (H₂O) ako súčasť reťazca transportu elektrónov. K tomu dochádza u protónuelektrochemický gradientspôsobené potenciálom nechať v mitochondriách dôjsť k oxidatívnej fosforylácii a produkovať energiu.

TheNernstova rovnicaumožňuje vypočítať elektrochemický potenciál pomocou koncentrácií produktov a reaktantov v rovnováhe s bunkovým potenciálom vo voltochE​_bunka ako

v ktoromE​^-_bunka je potenciál pre redukčnú polovičnú reakciu,Rje univerzálna plynová konštanta (8,31 J x K − 1 mol − 1​), ​Tje teplota v Kelvinoch,zje počet elektrónov prenesených v reakcii aQje reakčný kvocient celkovej reakcie.

Reakčný kvocientQje pomer zahŕňajúci koncentrácie produktov a reaktantov. Pre hypotetickú reakciu:aA + bB ⇌ cC + dDs reaktantmiAaB, ProduktyC.aDa zodpovedajúce celočíselné hodnotya​, ​b​, ​cad, reakčný kvocientQbolo byQ = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^bs každou zátvorkou ako koncentráciou, obvykle vmol / l. Pri každom príklade sa pri reakcii meria táto dávka produktov k reaktantom.

​Elektrolytické článkysa od galvanických článkov líšia tým, že na pohon elektriny obvodom používajú externý batériový zdroj, nie prirodzený elektrochemický potenciál. môže používať elektródy vo vnútri elektrolytu v spontánnej reakcii.

Tieto články tiež používajú vodný alebo roztavený elektrolyt na rozdiel od soľného mostíka galvanických článkov. Elektródy sa zhodujú s kladným pólom batérie, anódou a záporným pólom batérie, s katódou. Zatiaľ čo galvanické články majú pozitívne hodnoty EMF, elektrolytické články majú negatívne, čo znamená, že napr galvanické články, reakcie prebiehajú spontánne, zatiaľ čo elektrolytické články vyžadujú externé napätie zdroj.

Podobne ako u galvanických článkov môžete manipulovať, preklápať, vynásobiť a pridať polovičné reakčné rovnice, aby ste vytvorili celkovú rovnicu elektrolytického článku.