लिंक, लिंक, लिंक?
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इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री भाग 5 के साथ मुठभेड़
पिछली बैठकों के दौरान, हमने गैल्वेनिक कोशिकाओं के कई उदाहरण देखे हैं - जो केवल ऐतिहासिक महत्व के हैं और अन्य जो आज उपयोग में हैं। कोशिकाओं की दुनिया बहुत समृद्ध है, इसलिए अब तक दिखाए गए सिस्टम से अलग सिस्टम पेश करने का समय आ गया है।
अधातुएँ अर्ध-कोशिकाएँ भी हो सकती हैं
सबसे पहले, एक प्रयोग जिसमें खर्च किए गए लेक्लान्चेट तत्वों, जिंक ब्रोमाइड ZnBr से दो ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है2, बिजली की आपूर्ति (जैसे 4,5V बैटरी) और एक अपरिहार्य वोल्टेज मीटर। घरेलू प्रयोगशाला में, बेशक, हमें अनुशंसित जिंक नमक नहीं मिलेगा, लेकिन हमारे मामले में इसे पोटेशियम ब्रोमाइड KBr और जिंक सल्फेट (VI) ZnSO के मिश्रण से सफलतापूर्वक बदल दिया जाएगा।4. हम दो ग्रेफाइट छड़ियों से युक्त एक सेट इकट्ठा करते हैं, इसे बोर्ड पर बांधते हैं ताकि इलेक्ट्रोड आंशिक रूप से ग्लास में डूब जाएं।
हम तारों के टुकड़ों को इलेक्ट्रोड से जोड़ते हैं, अधिमानतः एक टांका लगाने वाले लोहे के साथ (इसलिए, जब उन्हें पुरानी बैटरी से हटाते हैं, तो ग्रेफाइट छड़ पर पीतल के "कैप" छोड़ दें)। हम कार्डबोर्ड के एक टुकड़े से 50-100 सेमी की क्षमता वाले बीकर के अनुरूप आयामों वाला एक डायाफ्राम भी बनाएंगे।3 (कार्डबोर्ड को अतिरिक्त रूप से पिन से छेदा जा सकता है)।
अब हम बताए गए कुछ नमक को पानी में घोलते हैं, और फिर गिलास को तैयार घोल (सांद्रता 5-10%) से भर देते हैं। बर्तन के किनारे पर इलेक्ट्रोड के साथ रैक रखें, और तारों के सिरों को एक फ्लैट बैटरी की पीतल की प्लेटों से जोड़ दें (इस समय ध्रुवीयता कोई फर्क नहीं पड़ता) और निर्मित प्रणाली का निरीक्षण करें।
लगभग तुरंत ही, बैटरी के नकारात्मक टर्मिनल से जुड़े इलेक्ट्रोड पर एक सिल्वर-ग्रे चमकदार परत जमा हो जाती है। धात्विक जस्ता से निर्मित। बैटरी के धनात्मक ध्रुव से जुड़े दूसरे इलेक्ट्रोड के पास घोल का पीला-भूरा रंग दिखाई देता है। ग्रेफाइट छड़ के पास मुक्त ब्रोमीन रंगीन होता है। लगभग 5 मिनट के बाद, बैटरी टर्मिनलों से तारों को डिस्कनेक्ट करें। वोल्टमीटर का उपयोग करके, वोल्टेज को मापें (मीटर का "माइनस" धातु की परत से ढके इलेक्ट्रोड से जुड़ा होता है)।
इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान होने वाली प्रक्रियाओं में जाने के बिना (हम निम्नलिखित बैठकों में से एक में उन पर चर्चा करेंगे), हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि निर्मित सेल में दो इलेक्ट्रोड होते हैं: जिंक (Zn के घोल में ग्रेफाइट पर जमा धातु जिंक)2+) और ब्रोमीन (ब्रोमीन और ब्रोमाइड ब्र के मुक्त आयनों का एक घोल?). कार्बन केवल बिजली का संवाहक है (व्यवहार में, कुछ शर्तों के तहत गैर-प्रतिक्रियाशील पदार्थ, जैसे ग्रेफाइट, प्लैटिनम, अक्सर इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में उपयोग किए जाते हैं)।
आइए वर्तमान रिसीवर को इलेक्ट्रोड से कनेक्ट करें? 1,5 V के ऑपरेटिंग वोल्टेज वाला एक प्रकाश बल्ब (इस मामले में, कनेक्शन की ध्रुवीयता भी कोई मायने नहीं रखती)। जैसे ही सिस्टम से ऊर्जा निकाली जाती है, हम एक इलेक्ट्रोड पर धातु के जमाव और दूसरे पर पीले रंग के धीरे-धीरे गायब होने का निरीक्षण करते हैं। पहले जारी किए गए पदार्थ प्रतिक्रिया करते हैं, अपनी मूल स्थिति को बहाल करते हैं। कनेक्टिंग तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण के साथ प्रतिक्रिया अप्रत्यक्ष होती है। यह गैल्वेनिक कोशिकाओं का सार है।
हमारे सिस्टम में क्या प्रतिक्रियाएँ हुईं? जिंक इलेक्ट्रोड के लिए, हम निश्चित रूप से प्रक्रिया समीकरण दे सकते हैं:
(-) जेएन0 ? जस्ता2+ + 2e-
दूसरे इलेक्ट्रोड पर, मुक्त ब्रोमीन ब्रोमीन आयनों में अपचयित हो जाता है:
(+)नहीं2 + 2e- , 2 ब्र-
इस प्रकार, सेल योजना इस प्रकार है (हम पोटेशियम और सल्फेट (VI) आयनों को छोड़ देते हैं, जो प्रतिक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं):
(-)सी, जेएन | ZnBr2aq? ZnBr2aq | सी(+)
हमें सेल में एपर्चर का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है। हालाँकि, इसका उपयोग ब्रोमीन को जस्ता-लेपित इलेक्ट्रोड के पास स्थानांतरित होने और कोशिकाओं के बीच सीधे प्रतिक्रिया करने से रोकेगा।
अधातुएँ धात्विक तत्वों की तरह अर्ध-कोशिकाएँ बनाती हैं। केवल उचित समाधान में डूबे हुए कंडक्टर का उपयोग करना आवश्यक है, जो इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण में भाग लेगा। हैलोजन के लिए, मानक क्षमताएँ इस प्रकार हैं (इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया ब्रोमीन के लिए दी गई प्रतिक्रिया के समान है):
| पॉलीसेल | F2/F? | Cl2/ NS? | Br2/ ब्र? | I2/I? |
| E0 [वी] | + 2,87 | + 1,36 | + 1,07 | + 0,54 |
फ्लोरीन के मामले में, संभावित मूल्य (निर्धारित सभी अर्ध-कोशिकाओं में से उच्चतम) की गणना की गई थी, मापा नहीं गया था। कारण, जैसा कि क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुओं के मामले में, पानी के साथ सक्रिय तत्व की प्रतिक्रिया है।
रेडॉक्स कोशिका
अगले प्रयोग के लिए, हम निम्नलिखित समाधान तैयार करेंगे: आयरन (III) क्लोराइड, FeCl3 5% की सांद्रता के साथ, पोटेशियम आयोडाइड KI 10% की सांद्रता के साथ और एक जल-स्टार्च निलंबन। एक परखनली में कुछ सेमी मिलाएं3 नमक का घोल, और थोड़ी देर बाद स्टार्च सस्पेंशन की कुछ बूँदें डालें। सामग्री का गहरा नीला रंग मुक्त आयोडीन की उपस्थिति को इंगित करता है। प्रतिक्रिया समीकरण द्वारा लिखी गई है:
२ फे3+ + 2 आई- ? 2Fe2+ + मैं2
आयरन (III) धनायन आयोडाइड आयनों को एक मुक्त तत्व में ऑक्सीकरण करते हैं, जिससे आयरन (II) आयन कम हो जाते हैं।
स्टार्च संकेतक के रंग में बदलाव ने आयोडीन कणों की उपस्थिति की पुष्टि की, लेकिन क्या Fe धनायन वास्तव में बनते हैं?2+? आइए इस परिकल्पना का परीक्षण करें। आयरन (II) धनायनों का पता लगाने के लिए एक विशिष्ट परीक्षण पोटेशियम हेक्सासायनोफेरेट (III) K के साथ प्रतिक्रिया है3[फे (सीएन)6], जिसे आमतौर पर पोटेशियम फेरिकैनाइड के रूप में जाना जाता है। यौगिक लाल क्रिस्टल बनाता है, इसी नाम के पोटेशियम फेरोसायनाइड (पोटेशियम (II) हेक्सासायनोफेरेट K) के विपरीत4[फे (सीएन)6]) पीले क्रिस्टल के साथ ? आइए इन दोनों रिश्तों को भ्रमित न करें। हम पिछले प्रयोग को दोहराते हैं, लेकिन स्टार्च सस्पेंशन के बजाय, हम पोटेशियम फेरिकैनाइड के 1% घोल की कुछ बूँदें मिलाते हैं। फिर, टर्नबुल के नीले नामक एक जटिल संयोजन के कारण प्रतिक्रिया पोत की सामग्री गहरे नीले रंग में बदल जाती है:
२ फे2+ + 2 [फे (सीएन)6]3- ? फ़े3[फे (सीएन)6]2
मेरा सुझाव है कि अविश्वासियों को लौह और लौह लौह के लवणों के साथ परीक्षण करना चाहिए। हमें केवल पहले वाले के मामले में ही नीला रंग मिलता है।
अब 50-100 मिलीलीटर की क्षमता वाले दो छोटे बीकरों में आयरन (III) क्लोराइड और पोटेशियम आयोडाइड के कई घोल डालें।3. प्रत्येक बर्तन में, एक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड को एक तार के साथ डुबोएं (एक उपयुक्त स्टैंड पर रखें ताकि यह ग्लास में न गिरे)। इसके अलावा, पोटेशियम आयोडाइड के घोल के साथ एक बर्तन में थोड़ा सा स्टार्च सस्पेंशन मिलाएं। एक सेल बनाने के लिए, आपको एक इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी की भी आवश्यकता होगी (पिछली बैठकों में से एक के दौरान बनाई गई? केएनओ के एक केंद्रित समाधान में भिगोए गए ब्लॉटिंग पेपर की एक पट्टी पर्याप्त है।3). इलेक्ट्रोड से लीड के सिरे वोल्टेज मापने के लिए स्थापित एक सार्वभौमिक मीटर के टर्मिनलों से जुड़े होते हैं।
हम आयोडीन आयनों के साथ लौह (III) धनायनों की प्रतिक्रिया के समीकरण के विश्लेषण के आधार पर वोल्टमीटर कनेक्शन की ध्रुवीयता स्वयं निर्धारित करते हैं, हम ध्यान देते हैं कि वे कौन से आयन देते हैं और कौन से इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं। मीटर रीडिंग गैल्वेनिक सेल के संचालन की पुष्टि करती है। फिर हम डिवाइस को वर्तमान माप पर स्विच करते हैं। यह छोटा है (कई दसियों mA के क्रम पर), इसलिए डिवाइस को क्षति से बचाने के लिए हमें किसी अतिरिक्त रिसीवर (उदाहरण के लिए, एक लाइट बल्ब) का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है। पोटेशियम आयोडाइड के घोल में बीकर में डुबोए गए इलेक्ट्रोड के चारों ओर गहरे नीले रंग का बनना सिस्टम में प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम की गवाही देता है। हम आयरन (III) नमक शेकर में थोड़ा पोटेशियम फेरिकैनाइड घोल कब मिलाते हैं? इसमें भी. आइए चश्मे में होने वाली प्रक्रियाओं के समीकरण लिखें:
(-) 2मैं- ? 2 + 2e-
(+)2Fe3+ + 2e- ? 2Fe2+
और सेल योजनाबद्ध:
(-) सी | WHOaq || FeCl3aq | सी (+)
सेल में वही प्रतिक्रियाएँ होती हैं जो एक टेस्ट ट्यूब में सब्सट्रेट्स को मिलाने के बाद होती हैं (यह पक्षों के साथ एनोडिक और कैथोडिक प्रक्रियाओं को जोड़ने के लिए पर्याप्त है), और परिवर्तनों के स्थानिक पृथक्करण से सेल के हिस्सों के बीच स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा का उपयोग करना संभव हो जाता है।
हम जिस कोशिका का निर्माण कर रहे हैं उसे रेडॉक्स कोशिका कहते हैं। नाम सामान्य है लेकिन भ्रामक है. आख़िरकार, हम जानते हैं कि ऑक्सीकरण और कमी की प्रक्रियाएँ प्रत्येक लिंक में होती हैं। रेडॉक्स प्रतिक्रिया (सेल और टेस्ट ट्यूब दोनों में की गई) की दिशा कैसे निर्धारित करें? विधि सरल है:
1. भौतिक और रासायनिक तालिकाओं में, क्या हम संबंधित अर्ध-कोशिकाओं की मानक क्षमताएँ पाते हैं? Fe प्रणाली के लिए3+/ फीट है2+ यह +0,77 वी है; मेरे लिए2/I?: +0,54 वी.
2. उच्च क्षमता वाला सिस्टम प्रतिक्रिया (सेल-कैथोड) में ऑक्सीकरण एजेंट है, और कम क्षमता वाला अर्ध-सेल है? कोशिका का एनोड, यानी कम करने वाला एजेंट।
3. हालाँकि, यह याद रखना चाहिए कि मानक क्षमता के मूल्यों में छोटे अंतर वाले सिस्टम के लिए, कुछ मामलों में, भूमिकाओं को उलटा किया जा सकता है (वास्तविक क्षमताएं, अन्य बातों के अलावा, अभिकर्मकों की एकाग्रता पर निर्भर करती हैं)।
ईंधन सेल
हम पहले प्रयोग से सिस्टम को इकट्ठा करेंगे, केवल पोटेशियम ब्रोमाइड और जिंक सल्फेट (VI) के घोल को सल्फ्यूरिक एसिड (VI) H के 10% घोल से बदल देंगे।2SO4. इलेक्ट्रोलिसिस (इलेक्ट्रोड पर गैस की रिहाई के साथ होने वाली) के 1-2 मिनट के बाद, बिजली स्रोत को बंद कर दें और सावधानी से, ताकि ग्रेफाइट सतह से गैस के बुलबुले न हटें, वोल्टेज को वोल्टमीटर से मापें। लिंक बनाया गया! डिवाइस को वर्तमान माप मोड में स्विच करने के बाद, कोई प्रतिक्रिया के दौरान ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड की सतह पर गैस के बुलबुले के गायब होने का निरीक्षण कर सकता है। उस प्रक्रिया के विवरण में जाने के बिना जिसके कारण इलेक्ट्रोड पर मुक्त ऑक्सीजन और हाइड्रोजन का जमाव हुआ, सेल में प्रतिक्रियाएं इस प्रकार हैं:
(-)2H2? चार घंटे+ + 4e-
(+) द2 + 4H+ + 4e- ? 2 घंटे2O
कुल मिलाकर तत्वों से जल के संश्लेषण की अभिक्रिया होती है।
निर्मित प्रणाली एक ईंधन सेल मॉडल है। ईंधन और ऑक्सीडाइज़र के बीच प्रतिक्रिया की ऊर्जा का बिजली में सीधा रूपांतरण प्रक्रिया की अर्थव्यवस्था के दृष्टिकोण से बेहद फायदेमंद है? दहन की ऊष्मा को भाप ऊर्जा में परिवर्तित करने की कोई आवश्यकता नहीं है, जो केवल टर्बाइनों को चलाती है। आश्चर्य की बात नहीं है, ऐसी प्रणालियाँ ऊर्जा समस्याओं (और अपशिष्ट स्वच्छ पानी) को हल करने के लिए डिज़ाइन की गई हैं। हालाँकि, निर्माण सामग्री की लागत और हाइड्रोजन का उत्पादन करने की आवश्यकता एक बड़ी बाधा है।
यद्यपि अंतरिक्ष उड़ान जैसे सबसे तकनीकी रूप से उन्नत क्षेत्रों में बिजली उत्पन्न करने के लिए ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया गया है (कुछ उद्योगों में, लागत एक माध्यमिक भूमिका निभाती है), उनका इतिहास बहुत लंबा है। हाइड्रोजन-ऑक्सीजन सेल का पहला कार्यशील प्रोटोटाइप 1839 में ब्रिटिश आविष्कारक विलियम रॉबर्ट ग्रोव द्वारा बनाया गया था।
लेख कई प्रकार के लिंक प्रस्तुत करता है, जो पिछली बैठकों में चर्चा से भिन्न हैं। बाकी एपिसोड्स की तरह? केवल इन प्रणालियों की समस्याओं को रेखांकित किया गया है, जो न केवल ऊर्जा के स्रोत के रूप में महत्वपूर्ण हैं। हालाँकि, उचित पाठ आकार बनाए रखने की आवश्यकता लिंक से संबंधित कई दिलचस्प विषयों पर चर्चा करना असंभव बना देती है (मैं इच्छुक पाठकों को स्वयं जानकारी खोजने के लिए प्रोत्साहित करता हूँ)। चक्र की अगली कड़ी में, हम अर्ध-सेल विभवों की तालिका का विश्लेषण करेंगे। दिलचस्प अनुभवों के ऑफर भी मिलेंगे.
इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोग
रेडॉक्स कोशिका
प्रत्येक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल ऑक्सीकरण (एनोड पर) और कमी (कैथोड पर) से गुजरता है। हालाँकि, रासायनिक शब्दजाल में, रेडॉक्स कोशिकाओं को एक निश्चित प्रकार की प्रणाली के रूप में संदर्भित किया जाता है।
प्रयोग के लिए पोटेशियम आयोडाइड KI और आयरन (III) क्लोराइड FeCl के घोल की आवश्यकता होती है।3 और स्टार्च (आलू का आटा) का एक जलीय निलंबन। आपको पोटेशियम नाइट्रेट (V) KNO के सांद्रित घोल से भरी एक इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी की भी आवश्यकता होगी3. यदि हमारे पास चाबी नहीं है, तो टिशू पेपर की एक पट्टी या पोटेशियम नाइट्रेट के घोल में भिगोए सूती धागे को कई बार मोड़ना पर्याप्त है।
हम प्रयुक्त लेक्लांश कोशिकाओं से ग्रेफाइट छड़ों का उपयोग इलेक्ट्रोड के रूप में करेंगे (फोटो 1)। एक तार के साथ इलेक्ट्रोड के सिरों को शॉर्ट-सर्किट करें और उन्हें KI (स्टार्च के निलंबन के अतिरिक्त) और FeCl के समाधान के साथ बीकर में डुबो दें।3. इसके अतिरिक्त, हम इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी या उसके किसी विकल्प (फोटो 2) के साथ चश्मे में समाधान जोड़ते हैं। कुछ समय बाद, पोटेशियम आयोडाइड घोल (फोटो 3) के साथ बीकर में बैंगनी धारियाँ दिखाई देने लगती हैं, जिससे बर्तन धीरे-धीरे गहरे रंग का हो जाता है (फोटो 4 और 5)। यह स्टार्च अणुओं के साथ मुक्त आयोडीन अणुओं के संयोजन का एक विशिष्ट उत्पाद है। कोशिका के एनोड पर आयोडाइड आयनों के ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप आयोडीन का निर्माण हुआ:
(-) एनोड: 2आई- ? 2 + 2e-
दूसरे इलेक्ट्रोड (कैथोड) पर, आयरन (III) आयन कम हो गए:
(+) कटोदा: 2Fe3+ + 2e- ? 2Fe2+
प्रयोग में बनाई गई रेडॉक्स सेल में निम्नलिखित योजना है:
(-) सी | WHOaq || FeCl3aq | सी (+)
जहां कार्बन प्रतीक C एक ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड और || को दर्शाता है ? इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी. सिस्टम में समग्र प्रतिक्रिया आयनों I का ऑक्सीकरण है- Fe धनायनों द्वारा3+:
२ फे3+ + 2 आई- ? 2Fe2+ + मैं2
रेडॉक्स कोशिका
एकाग्रता कोशिका
दूसरे प्रयोग के लिए आपको आवश्यकता होगी: कॉपर सल्फेट (II) CuSO का घोल4, तांबा इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी पोटेशियम नाइट्रेट (V) KNO के एक केंद्रित समाधान से भरी हुई है3 और यूनिवर्सल काउंटर. बीकरों में से एक को CuSO विलयन से भरें।4और दूसरा 1:100 के समान तनुकरण के साथ (उदाहरण के लिए, 0,5 सेमी3 पहले गिलास से लिया गया घोल, 50 सेमी की मात्रा में पानी डालें3) (फोटो 6)। तांबे के तारों को चश्मे में डुबोने और इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी के साथ सर्किट को बंद करने के बाद, सेल के इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज को मापें। यह छोटा है? लगभग एक दर्जन या कई दसियों मिलीवोल्ट (फोटो 7)।
इलेक्ट्रोड पर तांबे के विघटन और अवक्षेपण की प्रतिक्रियाएँ होती हैं:
(-) एनोड: Cu0 ? साथ2+ + 2e- (कम सांद्रित घोल)
(+) कैथोड: Cu2+ + 2e- ? साथ0 (अधिक सांद्रित विलयन)
दोनों इलेक्ट्रोड प्रक्रियाओं के समीकरण जोड़ने के बाद पता चलता है कि कुल मिलाकर कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती है! सेल की प्रेरक शक्ति केवल दोनों ग्लासों में सांद्रता को बराबर करने की प्रणाली की इच्छा है।
