Як розрахувати електронну комірку

Електрохімічні комірки розповідають вам про те, як батареї заряджають схеми та як живляться електронні пристрої, такі як стільникові телефони та цифрові годинники. Вивчаючи хімію Е-клітин, потенціал електрохімічних клітин, ви виявите хімічні реакції, що живлять їх, які направляють електричний струм через їх ланцюги. ПотенціалЕклітини може сказати вам, як відбуваються ці реакції.

•••Саєд Хуссейн Атер

• Маніпулюйте напівреакціями, переставляючи їх, помножуючи на цілі значення, перевертаючи знак електрохімічного потенціалу і помножуючи потенціал. Обов’язково дотримуйтесь правил відновлення та окислення. Підсумуйте електрохімічний потенціал кожної половини реакції в клітині, щоб отримати загальний електрохімічний або електрорушійний потенціал клітини.

Для обчисленняелектрорушійний потенціал, також відомий як потенціал електрорушійної сили (ЕРС), згальванічний, або вольтаїчна комірка, використовуючи формулу E Cell під час обчислення E Cell:

1. Розбийте рівняння на половину реакцій, якщо це ще не було.
instagram story viewer
2. Визначте, яке (-і) рівняння (-а), якщо таке має бути, потрібно перевернути або помножити на ціле число. Ви можете визначити це, спершу з’ясувавши, яка половина реакцій найімовірніше виникає при спонтанній реакції. Чим менша величина електрохімічного потенціалу реакції, тим більша ймовірність її виникнення. Однак загальний потенціал реакції повинен залишатися позитивним.
   1. Наприклад, напівреакція з електрохімічним потенціалом-5 Вчастіше трапляється, ніж той, що має потенціал1 В.​
   2. Коли ви визначите, які реакції найімовірніше відбудуться, вони ляжуть в основу окислення та відновлення, що використовуються в електрохімічній реакції.
3. Переверніть рівняння і помножте обидві сторони рівнянь на цілі числа, поки вони не підведуть підсумок загальної електрохімічної реакції і елементи з обох сторін не скасуються. Для будь-якого рівняння, яке ви перевертаєте, зворотний знак. Для будь-якого рівняння, яке ви множите на ціле число, помножте потенціал на те саме ціле число.
4. Підсумуйте електрохімічний потенціал для кожної реакції з урахуванням негативних ознак.

Ви можете запам'ятати катодний анод рівняння E-клітини з мнемонічним "Red Cat An Ox", який говорить вамчервонийукція відбувається накішкаhode іanодаволідизує.

Наприклад, ми можемо мати гальванічний елемент з джерелом струму постійного струму. Він використовує наступні рівняння в класичній лужній батареї типу АА з відповідними напівреакційними електрохімічними потенціалами. Розрахувати електронну комірку легко за допомогоюЕклітинне рівняння для катода та анода.

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

У цьому прикладі перше рівняння описує водуH₂Озменшується втратою протона (H⁺) формуватиОХ​^- при цьому оксид магніюMnO₂окислюється, отримуючи протон (H⁺) з утворенням оксиду-гідроксиду марганцюMnOOH.Друге рівняння описує цинкZnокислюючись двома гідроксид-іонамиОХ ^-​ з утворенням гідроксиду цинку Zn (OH)₂ випускаючи при цьому два електрони.​

Щоб сформувати загальне електрохімічне рівняння, яке ми хочемо, спочатку зауважте, що рівняння (1) частіше зустрічається, ніж рівняння (2), оскільки воно має меншу величину електрохімічного потенціалу. Це рівняння є зменшенням водиH₂Оз утворенням гідроксидуОХ​^-і окислення оксиду магніюMnO₂. Це означає, що відповідний процес другого рівняння повинен окислювати гідроксидОХ​^-повернути його назад у водуH₂О.Для цього потрібно зменшити гідроксид цинкуZn (OH)₂повернутися до цинкуZn​.

Це означає, що друге рівняння потрібно перевернути. Якщо ви перевернете його і зміните знак електрохімічного потенціалу, ви отримаєтеZn (OH)₂(s) + 2e- ​​→​ ​Zn (s) + 2 OH ^-(aq) ​ з відповідним електрохімічним потенціаломЕ^o = -1,221 В.​

Перед підсумовуванням двох рівнянь разом потрібно помножити кожен реагент і добуток першого рівняння на ціле число 2, щоб переконатися, що 2 електрони другої реакції врівноважують одиничний електрон з першого один. Це означає, що наше перше рівняння стає 2MnO₂(s) + 2 год₂O + 2e⁻ → 2MnOOH (s) + 2OH^-(aq)з електрохімічним потенціаломЕ^o= +0,764 В​

Складіть ці два рівняння разом і два електрохімічні потенціали разом, щоб отримати сумісну реакцію: 2MnO₂(s) + 2 год₂O +​ ​Zn (OH)₂(s) ​​→​ ​ ​​Zn (s) + ​​MnOOH (s)з електрохімічним потенціалом-0,457 В. Зверніть увагу, що 2 іони гідроксиду та 2 електрони з обох сторін анулюються при створенні формули ECell.

Ці рівняння описують процеси окислення та відновлення з напівпористою мембраною, розділеною сольовим містком.сольовий міствиготовлений з такого матеріалу, як сульфат калію, який служить n інертним електролітом, що дозволяє іону дифундувати по його поверхні.

Білякатоди, відбувається окислення або втрата електронів, і, прианоди, відбувається відновлення або приріст електронів. Ви можете згадати це за допомогою мнемічного слова "OILRIG". Це говорить вам, що "Окислення втрачається" ("OIL") і "Зменшення є посиленням" ("RIG"). Електроліт - це рідина, яка пропускає іони через обидві ці частини клітини.

Не забувайте розставляти пріоритети рівнянням та реакціям, які частіше мають місце, оскільки вони мають меншу величину електрохімічного потенціалу. Ці реакції складають основу для гальванічних елементів та їх використання, і подібні реакції можуть відбуватися в біологічному контексті. Клітинні мембрани генерують трансмембранний електричний потенціал, коли іони рухаються по мембрані та через електрорушійний хімічний потенціал.

Наприклад, конверсія відновленого нікотинаміду адениндинуклеотидом (NADH) у присутності протонів (H⁺) і молекулярний кисень (О₂) виробляє окислений аналог (НАД⁺) поряд з водою (H₂О) як частина ланцюга транспорту електронів. Це відбувається з протономелектрохімічний градієнтспричинені потенціалом пропускання окисного фосфорилювання в мітохондріях та утворення енергії.

Рівняння Нернстадозволяє розрахувати електрохімічний потенціал, використовуючи концентрації продуктів та реагентів у рівновазі з потенціалом клітин у вольтахЕ​_{клітинку} як

в якійЕ​^-_{клітинку} - потенціал для зменшення половини реакції,Р- універсальна газова постійна (8,31 J x K − 1 моль − 1​), ​Т- температура в кельвінах,z- кількість електронів, що передаються в реакції, іПитання- коефіцієнт реакції загальної реакції.

Коефіцієнт реакціїПитання- це співвідношення, що включає концентрації продуктів та реагентів. Для гіпотетичної реакції:aA + bB ⇌ cC + dDз реагентамиAіB, продуктиC.іD, та відповідні цілі значенняа​, ​b​, ​c, іd, коефіцієнт реакціїПитаннябув биQ = [C]^c[D]^d / [A]^а[B]^bз кожною величиною в дужках як концентрацією, як правило, вмоль / л. Для будь-якого прикладу, реакція вимірює цей раціон продуктів до реагентів.

​Електролітичні клітинивідрізняються від гальванічних елементів тим, що вони використовують зовнішнє джерело батареї, а не природний електрохімічний потенціал, для просування електрики по ланцюгу. може використовувати електроди всередині електроліту при неспонтанній реакції.

Ці клітини також використовують водний або розплавлений електроліт на відміну від сольового мосту гальванічних елементів. Електроди збігаються з позитивною клемою, анодом і негативною клемою, катодом батареї. Хоча гальванічні елементи мають позитивні значення ЕРС, електролітичні елементи мають негативні значення, що означає, що для гальванічні елементи, реакції відбуваються спонтанно, тоді як електролітичні елементи потребують зовнішньої напруги джерело.

Подібно до гальванічних елементів, ви можете маніпулювати, перевертати, множити та додавати рівняння половини реакції, щоб отримати загальне рівняння електролітичної комірки.