18.3: سلول های گالوانیک
- Page ID
- 216081
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- عملکرد یک سلول گالوانیک و اجزای آن را توصیف کنید
- استفاده از نماد سلول برای نماد ترکیب و ساخت سلول های گالوانیک
به عنوان تظاهرات تغییر شیمیایی خود به خودی، شکل\(\PageIndex{1}\): نتیجه غوطه ور شدن سیم پیچ خورده مس را در محلول آبی نیترات نقره نشان می دهد. یک تغییر تدریجی اما بصری چشمگیر خود به خود رخ می دهد، زیرا محلول اولیه بی رنگ به طور فزاینده ای آبی می شود و سیم مسی صاف در ابتدا با یک جامد خاکستری متخلخل پوشیده می شود.
این مشاهدات با (i) اکسیداسیون مس عنصری برای تولید یونهای مس (II)، Cu 2 + (aq)، که رنگ آبی را به محلول می دهد، و (ii) کاهش یون های نقره (I) برای تولید نقره عنصری، که به عنوان یک جامد کرکی روی سطح سیم مسی رسوب می کند، سازگار است. بنابراین، انتقال مستقیم الکترون ها از سیم مسی به یون های نقره آبی در شرایط به کار رفته خود به خودی است. خلاصه ای از این سیستم ردوکس توسط این معادلات ارائه شده است:
ساخت دستگاهی را در نظر بگیرید که شامل تمام واکنش دهنده ها و محصولات یک سیستم ردوکس مانند دستگاه موجود در اینجا است، اما از تماس فیزیکی بین واکنش دهنده ها جلوگیری می کند. بنابراین از انتقال مستقیم الکترون ها جلوگیری می شود. در عوض، انتقال به طور غیرمستقیم از طریق یک مدار خارجی انجام می شود که با واکنش دهنده های جدا شده تماس می گیرد. دستگاه هایی از این نوع به طور کلی به عنوان سلول های الکتروشیمیایی شناخته می شوند و کسانی که در آن واکنش ردوکس خود به خودی رخ می دهد سلول های گالوانیک (یا سلول های ولتایی) نامیده می شوند.
یک سلول گالوانیک بر اساس واکنش خود به خود بین مس و نقره (I) در شکل \(\PageIndex{2}\) نشان داده شده است. سلول از دو نیم سلول تشکیل شده است که هر کدام حاوی جفت مزدوج ردوکس («زوج») یک واکنش دهنده منفرد هستند. نیم سلول نشان داده شده در سمت چپ شامل زوج Cu (0) /Cu (II) به شکل یک فویل مس جامد و یک محلول آبی نیترات مس است. نیمه سلول سمت راست حاوی زوج Ag (I) /Ag (0) به عنوان فویل نقره جامد و یک محلول نیترات نقره آبی است. یک مدار خارجی به هر نیم سلول در فویل جامد آن متصل می شود، به این معنی که فویل Cu و Ag هر کدام به عنوان یک الکترود عمل می کنند. طبق تعریف، آند یک سلول الکتروشیمیایی الکترود است که در آن اکسیداسیون رخ می دهد (در این مورد، فویل مس) و کاتد الکترود است که در آن کاهش رخ می دهد (فویل Ag). واکنش های ردوکس در یک سلول گالوانیک تنها در رابط بین مخلوط واکنش هر نیم سلول و الکترود آن رخ می دهد. برای جدا نگه داشتن واکنش دهنده ها در حالی که تعادل بار را حفظ می کنند، دو محلول نیمه سلولی توسط یک لوله پر از محلول الکترولیت بی اثر به نام پل نمکی متصل می شوند. واکنش خود به خودی در این سلول کاتیونهای Cu 2 + را در نیم سلول آند تولید میکند و یونهای Ag + را در نیم سلول کاتد مصرف میکند و در نتیجه جریان جبرانی یونهای بیاثر از پل نمکی ایجاد میشود که تعادل بار را حفظ میکند. افزایش غلظت Cu 2+ در نیم سلول آند با هجوم NO 3 - از پل نمکی متعادل می شود، در حالی که جریان Na + به نیم سلول کاتد کاهش غلظت Ag + را جبران می کند.
نماد سلولی
نماد اختصاری معمولاً برای نشان دادن یک سلول گالوانیک با ارائه اطلاعات ضروری در مورد ترکیب و ساختار آن استفاده می شود. این نمایش های نمادین، نشانه های سلولی یا طرح های سلولی نامیده می شوند و به دنبال چند دستورالعمل نوشته می شوند:
- اجزای مربوط به هر نیم سلول توسط فرمول های شیمیایی یا نمادهای عنصر آنها نشان داده می شود
- تمام رابط های بین فازهای جزء با خطوط موازی عمودی نشان داده می شوند. اگر دو یا چند جزء در یک فاز حضور داشته باشند، فرمول های آنها با کاما از هم جدا می شوند
- طبق قرارداد، شماتیک با آند شروع می شود و به سمت چپ به راست مراحل و رابط های موجود در سلول را شناسایی می کند و با کاتد پایان می یابد
توصیف کلامی سلول همانطور که از آند به کاتد مشاهده می شود، اغلب اولین گام مفید در نوشتن شماتیک آن است. به عنوان مثال، سلول گالوانیک نشان داده شده در شکل\(\PageIndex{2}\): شامل یک آند مس جامد غوطه ور در یک محلول آبی نیترات مس (II) است که از طریق یک پل نمکی به یک محلول نیترات نقره آبی (I) متصل می شود، غوطه ور شده در آن یک کاتد نقره جامد است. تبدیل این عبارت به نمادگرایی با پیروی از دستورالعمل های فوق منجر به شماتیک سلول می شود:
یک سلول گالوانیک متفاوت را در نظر بگیرید (شکل را ببینید\(\PageIndex{3}\)) بر اساس واکنش خود به خودی بین منیزیم جامد و یون های آهن آبی (III):
در این سلول، یک آند منیزیم جامد در یک محلول آبی کلرید منیزیم غوطه ور میشود که از طریق یک پل نمکی به یک محلول آبی که حاوی مخلوطی از آهن (III) کلرید و آهن (II) کلرید است متصل میشود که در آن یک کاتد پلاتین غوطه ور شدهاست. سپس شماتیک سلول به صورت نوشته می شود
توجه داشته باشید که نیم سلول کاتد با سایر مواردی که تاکنون در نظر گرفته شده متفاوت است زیرا الکترود آن از ماده ای (Pt) تشکیل شده است که نه واکنش دهنده است و نه محصول واکنش سلول. این مورد زمانی لازم است که هیچ یک از اعضای زوج ردوکس نیمه سلولی نتوانند به طور منطقی به عنوان الکترود عمل کنند، که باید از نظر الکتریکی رسانا و در فاز جدا از محلول نیم سلولی باشد. در این مورد، هر دو عضو زوج ردوکس گونه های املاح هستند و بنابراین Pt به عنوان یک الکترود بی اثر استفاده می شود که می تواند به سادگی الکترون ها را به گونه های ردوکس در محلول ارائه یا پذیرش کند. الکترودهای ساخته شده از یک عضو از زوج ردوکس، مانند آند Mg در این سلول، الکترودهای فعال نامیده می شوند.
یک سلول گالوانیک با اتصال دو نیم سلول با یک پل نمکی ساخته می شود، یکی که در آن یک سیم کروم در محلول 1 M CrCl 3 غوطه ور می شود و دیگری که در آن یک سیم مسی در 1 M CuCl 2 غوطه ور می شود. با فرض اینکه سیم کروم به عنوان آند عمل می کند، شماتیک این سلول را همراه با معادلات نیمه واکنش آند، نیمه واکنش کاتد و واکنش کلی سلول بنویسید.
راه حل
از آنجا که سیم کروم به عنوان آند تعیین شده است، شماتیک با آن شروع می شود و به سمت چپ به راست ادامه می یابد، نماد اجزای دیگر سلول تا پایان دادن به کاتد سیم مسی:
واکنش های نیمه برای این سلول
ضرب برای ایجاد تعداد الکترون های از دست رفته توسط Cr و به دست آمده توسط Cu 2+ بازده برابر
با اضافه کردن معادلات نیمه واکنش و ساده سازی معادله ای برای واکنش سلول به دست می آید:
با حذف غلظت محلول و هویت یون تماشاگر، شماتیک را برای یک سلول گالوانیک بنویسید که واکنش سلول خالص آن در زیر نشان داده شده است.
- پاسخ