मानक विभव क्या है और नर्नस्ट समीकरण क्या परिभाषित करता है?

मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को आधे सेल या आधे सेल की मानक स्थितियों के तहत वोल्टेज के रूप में परिभाषित किया जाता है, हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड को संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में लेते हुए। इस बीच, नर्नस्ट समीकरण वह है जो संभावित भिन्नता की गणना करने की अनुमति देता है जब एकाग्रता और दबाव मान मानक मूल्यों से विचलित हो जाते हैं।

उद्धरण (एपीए)

कैंडेला रोशियो बारबिसन | अगस्त 2022
रासायनिक इंजीनियर

सबसे पहले, सेल क्षमता की अवधारणा को समझना आवश्यक है। a. तैयार करते समय कक्ष बिजली उत्पन्न करनेवाली या बैटरी ऊर्जा रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उत्पादन द्वारा किया जाता है गति एक कंडक्टर के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के युग्मन की क्षमता के आधार पर उस प्रवाह को अनुमति देने के लिए, के अनुसार ताकत प्रेरक शक्ति इस विद्युत परिमाण को संभावित अंतर के माध्यम से मापा जाता है या वोल्टेज और के रूप में जाना जाता है विद्युत प्रभावन बल या फेम। उदाहरण के लिए, इस ईएमएफ को वोल्टमीटर के माध्यम से मापा जा सकता है।

जब इस संभावित अंतर को मानक स्थितियों के तहत मापा जाता है, तो इसे मानक इलेक्ट्रोड क्षमता या \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) या \(∆{{E}^{{}^ के रूप में जाना जाता है। \सर्कल}}\)। मानक स्थितियां 1 mol/L के शुद्ध ठोस और तरल पदार्थ और 1 atm दबाव पर गैसों की सांद्रता को संदर्भित करती हैं।

चूंकि एक पृथक इलेक्ट्रोड की क्षमता को मापना संभव नहीं है, इसलिए दो इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की आवश्यकता होती है। ध्रुवों में, इलेक्ट्रोड की क्षमता उनमें से एक को शून्य मान निर्दिष्ट करके और E जानने के द्वारा निर्धारित की जा सकती है कक्ष। ऐसा करने के लिए, संभावित अंतर को एक संदर्भ, मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (एसएचई) के खिलाफ मापा जाता है, जहां प्लैटिनम इलेक्ट्रोड (निष्क्रिय) यह एक ग्लास ट्यूब में संलग्न है जहां गैसीय हाइड्रोजन 1 एटीएम के आंशिक दबाव में 25ºC और 1 mol/L के एक निश्चित समाधान में बुदबुदाया जाता है। एकाग्रता। परंपरा के अनुसार, उल्लिखित मानक शर्तों के तहत इस इलेक्ट्रोड का संभावित मान 0 V है, क्योंकि इसमें H का ऑक्सीकरण होता है।₂ (जी) और एच. की कमी⁺ मिश्रण में।

आइए हम डेनियल सेल पर लागू मामले को देखें, जहां सारणीबद्ध मूल्यों द्वारा इलेक्ट्रोड की मानक क्षमताएं हैं: Zn (s) -0.76 V के ऑक्सीकरण के लिए और Cu+2, 0.34 V की कमी के लिए। फिर, \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) का मान मानक कमी और ऑक्सीकरण क्षमता के बीच अंतर के परिणामस्वरूप होता है: 0.34 वी - (-0.76 वी) = 1.10 वी। चूँकि \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) धनात्मक है, प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त है।

सेल की मानक क्षमता और उसके स्थिरांक के बीच एक संबंध है। संतुलन. हम जानते हैं कि प्रतिक्रिया की मानक मुक्त ऊर्जा है:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-nF∆{{E}^{{}^\circ }}\)

जहाँ n रेडॉक्स प्रक्रिया में काम करने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या है, F फैराडे स्थिरांक (96485) है C/इलेक्ट्रॉनों का मोल) और \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) परिस्थितियों में सेल का संभावित अंतर मानक।

इसी तरह, \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) प्रक्रिया के संतुलन स्थिरांक से संबंधित है:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

दोनों व्यंजकों की बराबरी करके, संतुलन स्थिरांक K और मानक विभव के बीच संबंध पाया जा सकता है:

\(lnK=\frac{n~F~∆{{E}^{{}^\circ }}~}{R~T}\)

अब, यह मानते हुए कि ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया मानक लोगों से अलग परिस्थितियों में की जाती है, इस क्षमता की पुनर्गणना की जानी चाहिए। ऐसा करने के लिए, जर्मन वैज्ञानिक नेर्नस्ट ने एक अभिव्यक्ति विकसित की जो बैटरी की मानक क्षमता को विभिन्न परिस्थितियों में इसकी क्षमता से संबंधित करती है, जैसे:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{R~T~}{n~F}\ln Q\)

Q प्रतिक्रिया भागफल है और R को J/mol में व्यक्त किया जाता है। क।

नर्नस्ट समीकरण के भिन्न या सरलीकृत व्यंजक मिलना आम बात है, उदाहरण के लिए, यदि हम a तापमान 298 K को प्रक्रिया में परिवर्तित करता है और को परिवर्तित करता है लोगारित्म दशमलव लघुगणक में प्राकृतिक, व्यंजक का परिणाम होता है:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{0.05916~V~}{n~}\log Q\)

यह आसानी से पहचाना जा सकता है कि जब सेल काम करना शुरू कर देता है और अभिकारकों का उपभोग उत्पादों को उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, तो इसकी परिभाषा के अनुसार, क्यू का मान बढ़ने लगता है, जब तक कि \(∆E\)=0. इस समय, प्रणाली संतुलन में है और Q = Keq।

आइए डेनियल सेल पर लागू किए गए नर्नस्ट समीकरण का एक उदाहरण देखें। यह याद करते हुए कि मानक क्षमता 1.1 V थी (जैसा कि हमने पहले देखा था), यदि हम सांद्रता को बदलते हैं, तो मान लीजिए कि अब हमारे पास Cu का समाधान है⁺² 0.3 mol/L और Zn. का⁺² 3 mol/L (1 mol/L के बजाय)। 298 K पर सेल विभव द्वारा दिया जाएगा:

\(∆E=1.1~V-\frac{0.05916~V~}{2}\log \left( \frac{3}{0.3} \right)=1.07~V\)