Elektrokimyasal hücreler, pillerin devreleri nasıl şarj ettiğini ve cep telefonları ve dijital saatler gibi elektronik cihazların nasıl çalıştırıldığını anlatır. E hücre kimyasına, elektrokimyasal hücrelerin potansiyeline bakıldığında, devreleri aracılığıyla elektrik akımı gönderen, onlara güç veren kimyasal reaksiyonlar bulacaksınız. PotansiyelEbir hücre, bu reaksiyonların nasıl meydana geldiğini size söyleyebilir.
E Hücresinin Hesaplanması
•••Seyit Hüseyin Ather
İpuçları
Yarı reaksiyonları yeniden düzenleyerek, tamsayı değerleriyle çarparak, elektrokimyasal potansiyelin işaretini çevirerek ve potansiyeli çarparak manipüle edin. İndirgeme ve oksidasyon kurallarına uyduğunuzdan emin olun. Bir hücrenin toplam elektrokimyasal veya elektromotor potansiyelini elde etmek için bir hücredeki her bir yarı reaksiyon için elektrokimyasal potansiyelleri toplayın.
hesaplamak içinelektromotor potansiyel, elektromotor kuvvetin potansiyeli olarak da bilinir (EMF), birgalvanik, veya voltaik hücre, E Hücresini hesaplarken E Hücre formülünü kullanarak:
- Henüz değilse, denklemi yarı reaksiyonlara bölün.
- Varsa hangi denklemin/denklemlerin bir tamsayı ile çevrilmesi veya çarpılması gerektiğini belirleyin. Bunu, önce kendiliğinden bir reaksiyonda hangi yarı reaksiyonların meydana gelme olasılığının daha yüksek olduğunu bularak belirleyebilirsiniz. Bir reaksiyon için elektrokimyasal potansiyelin büyüklüğü ne kadar küçükse, meydana gelme olasılığı o kadar fazladır. Bununla birlikte, genel reaksiyon potansiyeli pozitif kalmalıdır.
- Örneğin, elektrokimyasal potansiyeli olan bir yarı reaksiyon-.5 Vpotansiyeli olan birinden daha olasıdır1 V.
- Hangi reaksiyonların meydana gelme olasılığının en yüksek olduğunu belirlediğinizde, bunlar elektrokimyasal reaksiyonda kullanılan oksidasyon ve indirgemenin temelini oluşturacaktır.
- Denklemleri ters çevirin ve denklemlerin her iki tarafını da toplam elektrokimyasal reaksiyonu toplayana ve her iki taraftaki elementler birbirini götürene kadar tam sayılarla çarpın. Çevirdiğiniz herhangi bir denklem için işareti tersine çevirin. Bir tamsayı ile çarptığınız herhangi bir denklem için, potansiyeli aynı tamsayı ile çarpın.
- Negatif işaretleri hesaba katarak her reaksiyon için elektrokimyasal potansiyelleri toplayın.
Size şunu söyleyen anımsatıcı "Red Cat An Ox" ile E hücre denklemi katot anodunu hatırlayabilirsiniz.kırmızıuction meydana gelirkedikaporta vebirkasideöküzidizeler.
Aşağıdaki Yarım Hücrelerin Elektrot Potansiyellerini Hesaplayın
Örneğin, DC elektrik güç kaynağına sahip bir galvanik hücremiz olabilir. Karşılık gelen yarım reaksiyon elektrokimyasal potansiyelleri ile klasik bir AA alkalin pilde aşağıdaki denklemleri kullanır. e hücresini hesaplamak kolaydır.Ekatot ve anot için hücre denklemi.
- MnO2(ler) + H2O + e− → MnOOH(ler) + OH-(sulu); EÖ= +0.382V
- Zn(s)+ 2OH -(sulu) → Zn (OH)2(ler) + 2e-; EÖ = +1.221V
Bu örnekte, ilk denklem suyu tanımlarH2Öbir proton kaybederek indirgenir (H+) oluşturmak üzereOH- magnezyum oksit ikenMnO2bir proton kazanarak oksitlenir (H+) manganez oksit-hidroksit oluşturmak içinMnOOH.İkinci denklem çinkoyu tanımlarçinkoiki hidroksit iyonu ile oksitlenmekOH - çinko hidroksit oluşturmak için Zn (OH)2 iki elektronu serbest bırakırken.
İstediğimiz genel elektrokimyasal denklemi oluşturmak için, önce denklem (1)'in daha düşük bir elektrokimyasal potansiyel büyüklüğüne sahip olduğu için denklem (2)'den daha olası olduğunu not edin. Bu denklem suyun bir azalmasıdır.H2Öhidroksit oluşturmakOH-ve magnezyum oksit oksidasyonuMnO2. Bu, ikinci denklemin karşılık gelen işleminin hidroksiti oksitlemesi gerektiği anlamına gelir.OH-suya geri döndürmek içinH2Ö .Bunu başarmak için çinko hidroksiti azaltmalısınız.Zn (OH)2çinkoya geri dönçinko.
Bu, ikinci denklemin ters çevrilmesi gerektiği anlamına gelir. Çevirir ve elektrokimyasal potansiyelin işaretini değiştirirseniz, elde edersiniz.Zn (OH)2(ler) + 2e- → Zn(s)+ 2OH -(sulu) karşılık gelen bir elektrokimyasal potansiyele sahipEÖ = -1.221 V.
İki denklemi birlikte toplamadan önce, ilk denklemin her bir reaktanı ve ürünü ile çarpmanız gerekir. ikinci reaksiyonun 2 elektronunun birinciden tek elektronu dengelediğinden emin olmak için 2 tamsayı bir. Bu, ilk denklemimizin 2 olduğu anlamına gelir.MnO2(ler) + 2 H2O + 2e− → 2MnOOH(ler) + 2OH-(sulu)elektrokimyasal potansiyeli olanEÖ= +0.764V
Kombine bir reaksiyon elde etmek için bu iki denklemi ve iki elektrokimyasal potansiyeli birlikte ekleyin: 2MnO2(ler) + 2 H2+ Zn (OH)2(ler) → Zn (ler) + MnOOH(ler)elektrokimyasal potansiyele sahip-0.457V. ECell formülü oluşturulurken her iki taraftaki 2 hidroksit iyonunun ve 2 elektronun birbirini götürdüğüne dikkat edin.
E Hücre Kimyası
Bu denklemler, bir tuz köprüsü ile ayrılmış yarı gözenekli bir zar ile oksidasyon ve indirgeme işlemlerini tanımlar.tuz köprüsüiyonun yüzeyi boyunca yayılmasını sağlayan n atıl elektrolit olarak işlev gören potasyum sülfat gibi bir malzemeden yapılmıştır.
dekatotlar, oksidasyon veya elektron kaybı meydana gelir veanotlarelektronların indirgenmesi veya kazanılması meydana gelir. Bunu "OILRIG" anımsatıcı kelimesiyle hatırlayabilirsiniz. Size "Oksidasyon Kayıptır" ("OIL") ve "Reduction Is Gain" ("RIG") olduğunu söyler. Elektrolit, iyonların hücrenin bu iki bölümünden akmasına izin veren sıvıdır.
Daha düşük bir elektrokimyasal potansiyel büyüklüğüne sahip oldukları için meydana gelme olasılığı daha yüksek olan denklemlere ve reaksiyonlara öncelik vermeyi unutmayın. Bu reaksiyonlar, galvanik hücrelerin ve tüm kullanımlarının temelini oluşturur ve biyolojik bağlamlarda benzer reaksiyonlar meydana gelebilir. Hücre zarları, iyonlar zar boyunca ve elektromotor kimyasal potansiyeller boyunca hareket ederken zar ötesi elektrik potansiyeli üretir.
Örneğin, indirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotidin dönüştürülmesi (NADH) varlığında protonlar (H+) ve moleküler oksijen (Ö2) oksitlenmiş karşılığını üretir (NAD+) su yanında (H2Ö) elektron taşıma zincirinin bir parçası olarak. Bu bir proton ile olurelektrokimyasal gradyanoksidatif fosforilasyonun mitokondride meydana gelmesine ve enerji üretmesine izin verme potansiyelinden kaynaklanır.
Nernst Denklemi
Nernst denklemivolt cinsinden hücre potansiyeli ile dengede bulunan ürünlerin ve reaktanların konsantrasyonlarını kullanarak elektrokimyasal potansiyeli hesaplamanıza olanak tanırEhücre gibi
E_{hücre}=E_{hücre}^--\frac{RT}{zF}\ln{Q}
hangisindeE-hücre indirgeme yarı reaksiyonunun potansiyeli,$evrensel gaz sabitidir (8.31 J x K-1 mol-1), TKelvin cinsinden sıcaklık,zreaksiyonda transfer edilen elektron sayısıdır veSgenel reaksiyonun reaksiyon bölümüdür.
reaksiyon katsayısıSürünlerin ve reaktanların konsantrasyonlarını içeren bir orandır. Varsayımsal reaksiyon için:aA + bB ⇌ cC + dDreaktanlarlabirveB, Ürün:% sCveD, ve karşılık gelen tamsayı değerleribir, b, c, ved, reaksiyon katsayısıSolabilirS = [C]c[D]d / [A]bir[B]bkonsantrasyon olarak her parantez içindeki değerle, genelliklemol/L. Herhangi bir örnek için, reaksiyon, ürünlerin reaktanlara oranını ölçer.
Elektrolitik Hücrenin Potansiyeli
elektrolitik hücrelergalvanik hücrelerden farkı, devre boyunca elektriği sürmek için doğal elektrokimyasal potansiyel değil, harici bir pil kaynağı kullanmalarıdır. spontan olmayan bir reaksiyonda elektrolit içindeki elektrotları kullanabilir.
Bu hücreler ayrıca galvanik hücrelerin tuz köprüsünün aksine sulu veya erimiş bir elektrolit kullanır. Elektrotlar, pilin pozitif terminali, anot ve negatif terminali, katot ile eşleşir. Galvanik hücreler pozitif EMF değerlerine sahipken, elektrolitik hücreler negatif değerlere sahiptir, yani, galvanik hücreler, elektrolitik hücreler harici bir voltaj gerektirirken reaksiyonlar kendiliğinden meydana gelir kaynak.
Galvanik hücrelere benzer şekilde, genel elektrolitik hücre denklemini üretmek için yarım reaksiyon denklemlerini değiştirebilir, çevirebilir, çoğaltabilir ve ekleyebilirsiniz.