17.3: Viini vya Galvanic

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188807

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza kazi ya kiini cha galvanic na vipengele vyake
Tumia notation ya seli ili kuashiria muundo na ujenzi wa seli za galvanic

Kama maonyesho ya mabadiliko ya kemikali ya hiari, Kielelezo 17.2 kinaonyesha matokeo ya kuzama waya wa shaba ya shaba ndani ya suluhisho la maji ya nitrati ya fedha. Mabadiliko ya taratibu lakini yanayoonekana ya kushangaza hutokea kama ufumbuzi wa awali usio na rangi unazidi kuwa bluu, na waya wa shaba wa awali unakuwa umefunikwa na kijivu kikubwa cha kijivu.

Takwimu hii inajumuisha picha tatu. Katika kwanza, tube ya mtihani iliyo na kioevu wazi, isiyo na rangi inavyoonyeshwa kwa waya wa shaba uliojitokeza nje ya tube ya mtihani kwa haki yake. Katika pili, waya imejaa ndani ya kioevu kilicho wazi isiyo na rangi katika tube ya mtihani na uso wa waya ni giza. Katika tatu, kioevu katika tube ya mtihani ni mkali bluu-kijani, waya katika suluhisho inaonekana giza karibu na juu, na chini ya tube ya mtihani iko kwenye sehemu ya chini ya coil ya shaba ya kijivu “fuzzy”, na kutoa muonekano wa murky kwa kioevu karibu na chini ya tube ya mtihani.

Kielelezo 17.2 Waya wa shaba na suluhisho la maji ya nitrati ya fedha (kushoto) huletwa kuwasiliana (katikati) na uhamisho wa elektroni hutokea, na kuunda bluu Cu ²⁺ (aq) na kijivu Ag (s) (kulia).

Uchunguzi huu ni sawa na (i) oxidation ya shaba ya msingi ili kutoa ioni za shaba (II), Cu ²⁺ (aq), ambayo hutoa rangi ya bluu kwa ufumbuzi, na (ii) kupunguza fedha (I) ili kuzalisha fedha ya msingi, ambayo huweka kama imara ya fluffy kwenye uso wa waya wa shaba. Na hivyo, uhamisho wa moja kwa moja wa elektroni kutoka kwa waya wa shaba kwa ions za fedha za maji ni hiari chini ya hali zilizoajiriwa. Muhtasari wa mfumo huu wa redox hutolewa na equations hizi:

\begin{matrix} majibu ya jumla: & Cu (s) + 2 {Ag}^{+} (a q) ⟶ {Cu}^{2}^{+} (a q) + 2 Ag (s) \\ oxidation nusu mmenyuko: & Cu (s) ⟶ {Cu}^{2+} (a q) + 2 e^{-} \\ kupunguza nusu-mmenyuko: & 2 {Ag}^{+} (a q) + 2 e^{-} ⟶ 2 Ag (s) \end{matrix}

Fikiria ujenzi wa kifaa ambacho kina majibu yote na bidhaa za mfumo wa redox kama moja hapa, lakini huzuia mawasiliano ya kimwili kati ya wahusika. Uhamisho wa elektroni wa moja kwa moja ni, kwa hiyo, umezuiwa; uhamisho, badala yake, unafanyika kwa njia moja kwa moja kupitia mzunguko wa nje unaowasiliana na majibu yaliyotengwa. Vifaa vya aina hii hujulikana kama seli za electrochemical, na wale ambao mmenyuko wa redox wa pekee hufanyika huitwa seli za galvanic (au seli za voltaic).

Kiini cha galvanic kulingana na mmenyuko wa pekee kati ya shaba na fedha (I) kinaonyeshwa kwenye Mchoro 17.3. Kiini kinajumuisha nusu-seli mbili, kila iliyo na jozi ya redox conjugate (“wanandoa”) wa reactant moja. Kiini cha nusu kilichoonyeshwa upande wa kushoto kina Cu (0) /Cu (II) wanandoa kwa namna ya foil imara ya shaba na suluhisho la maji ya nitrati ya shaba. Kiini cha nusu cha haki kina Ag (I) /Ag (0) wanandoa kama foil imara ya fedha na ufumbuzi wa nitrati ya fedha yenye maji. Mzunguko wa nje unaunganishwa na kila kiini cha nusu kwenye foil yake imara, maana ya Cu na Ag foil kila kazi kama electrode. Kwa ufafanuzi, anode ya kiini cha electrochemical ni electrode ambayo oxidation hutokea (katika kesi hii, foil Cu) na cathode ni electrode ambapo kupunguza hutokea (foil Ag). Athari ya redox katika kiini cha galvanic hutokea tu kwenye interface kati ya mchanganyiko wa majibu ya nusu ya kiini na electrode yake. Ili kuweka reactants tofauti wakati wa kudumisha usawa wa malipo, ufumbuzi wa nusu ya seli mbili huunganishwa na tube iliyojaa suluhisho la inert electrolyte inayoitwa daraja la chumvi. Hiari mmenyuko katika seli hii inazalisha Cu ²⁺ cations katika nusu kiini anode na hutumia Ag ⁺ ions katika nusu kiini cathode, na kusababisha mtiririko fidia ya ions ajizi kutoka daraja chumvi, ambayo inao malipo usawa. Kuongezeka kwa viwango vya Cu ²⁺ katika nusu-kiini cha anode ni uwiano na utitiri wa NO ₃ ^- kutoka daraja la chumvi, wakati mtiririko wa Na ⁺ ndani ya nusu ya kiini cha cathode kompenserar kupungua kwa Ag ⁺ mkusanyiko.

Takwimu hii ina mchoro wa kiini cha electrochemical. Beakers mbili zinaonyeshwa. Kila ni zaidi ya nusu kamili. Beaker upande wa kushoto ina ufumbuzi wa bluu na inaitwa chini kama “1 M ufumbuzi wa shaba (II) nitrate (C u (N O subscript 3) subscript 2).” Beaker upande wa kulia ina ufumbuzi usio na rangi na imeandikwa hapa chini kama “1 M ufumbuzi wa nitrati ya fedha (A g N O Subscript 3).” Bomba la kioo katika sura ya U iliyoingizwa huunganisha beakers mbili katikati ya mchoro. Yaliyomo ya tube hayana rangi. Mwisho wa zilizopo ni chini ya uso wa ufumbuzi katika beakers na kuziba ndogo kijivu iko kwenye kila mwisho wa tube. Plug katika beaker ya kushoto inaitwa “Plug Porous.” Katikati ya mchoro, tube inaitwa “Daraja la Chumvi (N a N O subscript 3). Kila beaker inaonyesha strip chuma sehemu iliyoingia katika kioevu. Beaker upande wa kushoto ina mchoro wa machungwa-kahawia unaoitwa “C u anode hasi” hapo juu. Beaker upande wa kulia ina mstari wa fedha unaoitwa “A g cathode chanya” hapo juu. Waya inaenea kutoka juu ya kila moja ya vipande hivi hadi mstatili unaoonyesha “mzunguko wa nje” ambao huitwa “mtiririko wa elektroni” na mshale unaoelekeza kulia zifuatazo. Mshale uliojitokeza unatoka kwenye mstari wa C u ndani ya suluhisho la jirani. Ncha ya mshale huu imeandikwa “C u superscript 2 plus.” Mshale wa mviringo unatoka kwenye daraja la chumvi ndani ya beaker upande wa kushoto ndani ya suluhisho la bluu. Ncha ya mshale huu imeandikwa “N O subscript 3 superscript hasi.” Mshale wa mviringo unatoka kwenye suluhisho katika beaker upande wa kulia wa mstari wa A g. Msingi wa mshale huu umeandikwa “A g superscript plus.” Mshale wa mviringo unatoka kwenye suluhisho lisilo na rangi kwa daraja la chumvi kwenye beaker upande wa kulia. Msingi wa mshale huu umeandikwa “N O subscript 3 superscript hasi.” Haki tu ya daraja la chumvi katika suluhisho lisilo na rangi ni lebo “N superscript plus.” Tu juu ya mkoa huu wa tube inaonekana studio “Flow of cations.” Tu kushoto ya daraja chumvi katika ufumbuzi wa bluu ni studio “N O subscript 3 superscript hasi.” Tu juu ya mkoa huu wa tube inaonekana studio “Flow of anions.”

Kielelezo 17.3 Kiini cha galvanic kulingana na mmenyuko wa pekee kati ya ioni za shaba na fedha (I).

Kiini Nukuu

Ishara iliyofupishwa hutumiwa kwa kawaida kuwakilisha kiini cha galvanic kwa kutoa taarifa muhimu juu ya muundo na muundo wake. Uwakilishi huu wa mfano huitwa nukuu za seli au schematics za seli, na zinaandikwa kufuatia miongozo michache:

Vipengele husika vya kila kiini cha nusu vinawakilishwa na kanuni zao za kemikali au alama za kipengele
Maunganisho yote kati ya awamu ya sehemu yanawakilishwa na mistari ya sambamba ya wima; ikiwa vipengele viwili au zaidi viko katika awamu moja, kanuni zao zinatenganishwa na commas
Kwa mkataba, schematic huanza na anode na inaendelea awamu ya kushoto-kulia kutambua na interfaces zilizokutana ndani ya seli, na kuishia na cathode

Maelezo ya maneno ya kiini kama inavyotazamwa kutoka kwa anode-kwa-cathode mara nyingi ni hatua muhimu ya kwanza kwa kuandika schematic yake. Kwa mfano, kiini galvanic inavyoonekana katika Kielelezo 17.3 lina imara shaba anode kuzama katika mmumunyo wa maji ya shaba (II) nitrate, ambayo ni kushikamana kupitia chumvi daraja kwa maji ya fedha (I) nitrate ufumbuzi, kuzama katika ambayo ni imara fedha cathode. Kubadili kauli hii kwa ishara kufuatia miongozo hapo juu matokeo katika kiini schematic:

Cu (s) │ 1 M {Cu (HAPANA}_{3})_{2} (a q) ║ 1 M {Gno}_{3} (a q) │ Ag (s)

Fikiria kiini tofauti cha galvanic (angalia Mchoro 17.4) kulingana na mmenyuko wa pekee kati ya magnesiamu imara na ions ya chuma (III):

\begin{matrix} majibu ya seli ya wavu: & Mg (s) + {2Fe}^{3+} (a q) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + 2 {Fe}^{2+} (a q) \\ oxidation nusu mmenyuko: & Mg (s) ⟶ {Mg}^{2+} (a q) + 2 e^{-} \\ kupunguza nusu-mmenyuko: & {2Fe}^{3+} (a q) + {2e}^{-} ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) \end{matrix}

Katika kiini hiki, imara magnesiamu anode immersed katika mmumunyo wa maji ya kloridi magnesiamu, ambayo ni kushikamana kupitia daraja chumvi kwa ufumbuzi wa maji yenye mchanganyiko wa chuma (III) kloridi na chuma (II) kloridi, kuzama katika ambayo ni platinum cathode. Schematic kiini ni kisha imeandikwa kama

Mg (s) │ 0.1 M {MgCl}_{2} (a q) ║ 0.2 M {FeCl}_{3} (a q), 0.3 M {FeCl}_{2} (a q) │ Pt (s)

Kumbuka cathode nusu kiini ni tofauti na wengine kuchukuliwa hadi sasa kwa kuwa electrode yake ni zikiwemo ya dutu (Pt) kwamba si reactant wala bidhaa ya mmenyuko kiini. Hii inahitajika wakati hakuna mwanachama wa wanandoa wa redox wa nusu ya seli anaweza kufanya kazi kama electrode, ambayo inapaswa kuwa conductive umeme na katika awamu tofauti na ufumbuzi wa nusu ya seli. Katika kesi hiyo, wanachama wote wa wanandoa wa redox ni aina ya solute, na hivyo Pt hutumiwa kama electrode ya ajizi ambayo inaweza tu kutoa au kukubali elektroni kwa aina ya redox katika suluhisho. Electrodes iliyojengwa kutoka kwa mwanachama wa wanandoa wa redox, kama vile anode Mg katika seli hii, huitwa electrodes hai.

Kielelezo 17.4 Kiini cha galvanic kulingana na mmenyuko wa pekee kati ya ioni za magnesiamu na chuma (III).

Mfano 17.3

Kuandika Galvanic Kiini Schematics

Kiini cha galvanic kinatengenezwa kwa kuunganisha seli mbili za nusu na daraja la chumvi, moja ambayo waya wa chromium huingizwa katika suluhisho la 1 M CrCl ₃ na nyingine ambayo waya wa shaba huingizwa katika 1 M cUCl ₂. Kutokana na kazi ya waya ya chromium kama anode, andika schematic kwa kiini hiki pamoja na equations kwa nusu ya mmenyuko wa anode, majibu ya nusu ya cathode, na majibu ya seli ya jumla.

Suluhisho

Kwa kuwa waya wa chromium imetajwa kuwa anode, schematic huanza nayo na inaendelea kushoto-kulia, akiashiria vipengele vingine vya seli mpaka kuishia na cathode ya waya ya shaba:

Cr (s) │ 1 M {CrCl}_{3} (a q) ║ 1 M {CuCl}_{2} (a q) │ Cu (s)

Athari ya nusu ya kiini hiki ni

\begin{matrix} anode (oxidation): & Cr (s) ⟶ {Cr}^{3+} (a q) + 3 e^{-} \\ cathode (kupunguza): & {Cu}^{2+} (a q) + 2 e^{-} ⟶ Cu (s) \end{matrix}

Kuongezeka ili kufanya idadi ya elektroni iliyopotea na Cr na kupatikana kwa Cu ^2+mavuno sawa

\begin{matrix} anode (oxidation): & 2 Cr (s) ⟶ 2 {Cr}^{3+} (a q) + 6 e^{-} \\ cathode (kupunguza): & 3 {Cu}^{2+} (a q) + 6 e^{-} ⟶ 3 Cu (s) \end{matrix}

Kuongeza equations ya nusu ya majibu na kurahisisha mavuno equation kwa mmenyuko wa seli:

2 Cr (s) + 3 {Cu}^{2+} (a q) ⟶ 2 {Cr}^{3+} (a q) + 3 Cu (s)

Angalia Kujifunza Yako

Kuacha viwango solute na utambulisho ion mtazamaji, kuandika schematic kwa kiini galvanic ambao wavu kiini majibu ni hapa chini.

{Sn}^{4+} (a q) + Zn (s) ⟶ {Sn}^{2+} (a q) + {Zn}^{2+} (a q)

Jibu:

$Zn (s) │ {Zn}^{2+} (a q) ║ {Sn}^{4+} (a q), {Sn}^{2+} (a q) │ Pt (s)$