गैल्वेनिक सेल और सेल का EMF

वैद्युत रसायन विज्ञान एक रोचक क्षेत्र है जो विद्युत ऊर्जा और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के बीच संबंध से संबंधित है। वैद्युत रसायन विज्ञान के अध्ययन में एक महत्वपूर्ण घटक गैल्वेनिक सेल है, जिसे वोल्टाइक सेल के रूप में भी जाना जाता है। इस पाठ में, हम गैल्वेनिक सेल की अवधारणा, उनके घटक, वे कैसे काम करते हैं, एक सेल के विद्युत प्रेरणा बल (EMF) की अवधारणा, और आपकी समझ को बढ़ाने के लिए कई उदाहरणों का अन्वेषण करेंगे।

गैल्वेनिक सेल: एक अवलोकन

गैल्वेनिक सेल एक प्रकार का विद्युत रासायनिक सेल है जो स्वयं-स्फूर्त रेडॉक्स (ह्रास-ऑक्सीकरण) प्रतिक्रिया के माध्यम से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। ये सेल रोजाना उपयोग में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं, जैसे कि हमारे उपकरणों को ऊर्जा प्रदान करने वाली बैटरियां।

एक गैल्वेनिक सेल आमतौर पर दो अर्ध-कोशिकाओं से बना होता है, प्रत्येक में एक इलेक्ट्रोड और एक इलेक्ट्रोलाइट होता है। अर्ध-कोशिकाएं एक नमक पुल या एक छिद्रपूर्ण झिल्ली द्वारा जुड़ी होती हैं जो उनके बीच आयनों के प्रवाह की अनुमति देती हैं। जब इलेक्ट्रोड एक तार के माध्यम से जुड़े होते हैं, तो रेडॉक्स प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप सर्किट के माध्यम से एक विद्युत धारा प्रवाहित होती है।

गैल्वेनिक सेल के मूल घटक

आइए गैल्वेनिक सेल के मूल घटकों को समझते हैं:

1. ऐनोड: ऐनोड वह इलेक्ट्रोड है जहां ऑक्सीकरण होता है। एक गैल्वेनिक सेल में, ऐनोड नकारात्मक रूप से आवेशित होता है क्योंकि यह ऑक्सीकरण प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों को छोड़ता है।
2. कैथोड: कैथोड वह इलेक्ट्रोड है जहां ह्रास होता है। यह सकारात्मक रूप से आवेशित होता है क्योंकि यह ह्रास प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करता है।
3. इलेक्ट्रोलाइट: इलेक्ट्रोलाइट एक पदार्थ है, अक्सर एक घोल, जिसमें आयन होते हैं और वह बिजली का संचालन कर सकता है। इलेक्ट्रोलाइट अर्ध-कोशिकाओं में आवेश संतुलन बनाए रखने के लिए आयनों की गति को सुविधाजनक बनाता है।
4. नमक पुल: नमक पुल एक उपकरण है जो दो अर्ध-कोशिकाओं को जोड़ता है और आयनों के प्रवाह की अनुमति देता है, इस प्रकार प्रणाली में विद्युत तटस्थता बनाए रखता है।
5. बाहरी परिपथ: बाहरी परिपथ में तार और अन्य घटक शामिल होते हैं जो ऐनोड को कैथोड से जोड़ते हैं, पूर्ण विद्युत परिपथ बनाना।

गैल्वेनिक सेल कैसे काम करता है

गैल्वेनिक सेल कैसे काम करता है इसे समझने के लिए, आइए एक सामान्य उदाहरण देखें: जस्ता-तांबा सेल।

इस सेल में:

• ऐनोड जस्ता धातु (Zn) से बना है।
• कैथोड तांबा धातु (Cu) से बना है।
• जस्ता अर्ध-कोशिका में जिंक सल्फेट (_ZnSO4) का घोल होता है।
• तांबा अर्ध-कोशिका में कॉपर सल्फेट (_CuSO4) का घोल होता है।
• दो अर्ध-कोशिकाएं एक नमक पुल या एक छिद्रपूर्ण झिल्ली द्वारा जुड़ी होती हैं।

प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर प्रतिक्रियाओं को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

ऐनोड (ऑक्सीकरण): Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2e - कैथोड (ह्रास): Cu 2+ (aq) + 2e - → Cu (s)

जस्ता अर्ध-कोशिका में, जस्ता धातु (Zn) जस्ता आयनों (Zn 2+) में ऑक्सीकरण होता है, इलेक्ट्रॉनों को छोड़ता है। ये इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ के माध्यम से तांबा कैथोड तक यात्रा करते हैं।

तांबा अर्ध-कोशिका में, तांबा आयन (Cu 2+) इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं और तांबा धातु में ह्रास होते हैं, जो तांबे के इलेक्ट्रोड पर जमा होता है।

इन समकालिक ऑक्सीकरण-ह्रास प्रतिक्रियाओं के कारण विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है। ऐनोड से कैथोड तक बाहरी परिपथ के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह विद्युत धारा उत्पन्न करता है। इस दौरान, नमक पुल आयनों को दो अर्ध-कोशिकाओं के बीच प्रवाहित होने की अनुमति देकर आवेश संतुलन बनाए रखने में मदद करता है।

गैल्वेनिक सेल का दृश्य प्रदर्शन

एक गैल्वेनिक सेल के निम्नलिखित योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व पर विचार करें, जहां इलेक्ट्रोड के रूप में जस्ता और तांबे का उपयोग किया जाता है:

    ----- तार -----
    Zn(s)Cu(s)
    ZnSO 4 (aq) CuSO 4 (aq)
    [नमक पुल]

यह सेटअप गैल्वेनिक सेल की कार्यप्रणाली और प्रवाह को समेटता है, जस्ता ऐनोड से तांबा कैथोड तक इलेक्ट्रॉनों के संचलन और नमक पुल की प्रणाली के संतुलन को बनाए रखने में निभाई गई भूमिका को उजागर करता है।

सेल का विद्युत प्रेरणा बल (EMF)

सेल का विद्युत प्रेरणा बल (EMF), जिसे सेल विभव या सेल वोल्टेज भी कहा जाता है, उस ऊर्जा का माप है जो सेल ऐनोड से कैथोड तक बाहरी परिपथ के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को संचालित करने के लिए प्रदान करता है। EMF वह है जो सेल से जुड़े विद्युत उपकरणों को ऊर्जा प्रदान करता है।

सेल के EMF की गणना

गैल्वेनिक सेल का EMF, प्रतिक्रिया में शामिल दो अर्ध-कोशिकाओं की मानक इलेक्ट्रोड विभव का उपयोग करके गणना की जा सकती है। मानक इलेक्ट्रोड विभव (E 0) मानक परिस्थितियों (298K, 1M सांद्रता, और 1 atm दबाव) में इलेक्ट्रोड और उसके घोल के बीच विभव अंतर है।

कुल EMF को कैथोड के मानक इलेक्ट्रोड विभव से ऐनोड के विभव को घटाकर निर्धारित किया जा सकता है:

E cell 0 = E cathode 0 - E anode 0

जस्ता-तांबा सेल उदाहरण के लिए, यदि मानक इलेक्ट्रोड विभव हैं:

E Cu 2+/Cu 0 = +0.34 V E Zn 2+/Zn 0 = -0.76 V

तब, सेल का EMF इस प्रकार गणना किया जाता है:

E cell 0 = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.10 V

यह 1.10 वोल्ट का EMF सेल की विद्युत धारा संचालित करने की क्षमता का प्रतिनिधित्व करता है।

EMF को प्रभावित करने वाले कारक

कई कारक गैल्वेनिक सेल के EMF को प्रभावित कर सकते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• सांद्रता: इलेक्ट्रोलाइट्स की सांद्रता बदलने से सेल विभव प्रभावित हो सकता है। ले शैटलियर के सिद्धांत के अनुसार, प्रबल पदार्थों की सांद्रता बढ़ने पर सामान्यतः सेल विभव बढ़ता है, जबकि उत्पादों की सांद्रता बढ़ने पर यह घटता है।
• तापमान: जबकि मानक अवस्थाएं 25°C (298 K) पर तापमान मानती हैं, इससे कोई भी विचलन प्रतिक्रिया गतिकी और ऊष्मप्रवैगिकी में बदलाव के कारण EMF को प्रभावित कर सकता है।
• दबाव: वैद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया में शामिल गैसों के लिए, दबाव में बदलाव सेल विभव को प्रभावित कर सकता है। यह विशेष रूप से उन कोशिकाओं में प्रासंगिक है जिनमें गैसीय इलेक्ट्रोड हैं, जैसे हाइड्रोजन ईंधन सेल।

EMF का माप: पोटेंशियोमीटर

पोटेंशियोमीटर एक उपकरण है जिसका उपयोग सेल के EMF को सटीक रूप से मापने के लिए किया जाता है। एक साधारण वोल्टमीटर के विपरीत, पोटेंशियोमीटर मापे जा रहे सेल से धारा नहीं खींचता, जिससे अधिक सटीक माप होता है।

इस सेटअप में सर्किट के माध्यम से धारा बहने तक सेल के EMF को संतुलित करने के लिए ज्ञात वोल्टेज स्रोत को समायोजित करना शामिल है। ज्ञात स्रोत का वोल्टेज तब मापे जा रहे सेल के EMF के बराबर होता है।

उदाहरण समस्या

गैल्वेनिक सेल और EMF की हमारी समझ को एक उदाहरण समस्या के साथ लागू करें:

निम्नलिखित अर्ध-प्रतिक्रियाओं के साथ एक गैल्वेनिक सेल पर विचार करें:

ऐनोड: Mg (s) → Mg 2+ (aq) + 2e - (E 0 = -2.37 V) कैथोड: Ag + (aq) + e - → Ag (s) (E 0 = +0.80 V)

सेल के मानक EMF की गणना करें।

समाधान:

सेल के EMF की गणना निम्नलिखित सूत्र के उपयोग से की जा सकती है:

E cell 0 = E cathode 0 - E anode 0

मूल्य स्थानापन्न करें:

E cell 0 = 0.80 V - (-2.37 V) = 3.17 V

इस प्रकार, सेल का मानक EMF 3.17 वोल्ट है।

गैल्वेनिक सेल के अनुप्रयोग

गैल्वेनिक सेल विभिन्न अनुप्रयोगों में बहुत महत्वपूर्ण हैं, और आधुनिक दुनिया का एक अनिवार्य घटक के रूप में कार्य करते हैं:

• बैटरियां: गैल्वेनिक सेल बैटरियों के निर्माण खंड होते हैं, जो अनगिनत उपकरणों को ऊर्जा प्रदान करती हैं, छोटे इलेक्ट्रॉनिक सामानों से विशाल इलेक्ट्रिक वाहन तक।
• ईंधन सेल: डिजाइन में थोड़ी भिन्नता के बावजूद, ईंधन सेल, हाइड्रोजन या अन्य ईंधन से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए गैल्वेनिक सेल के सिद्धांतों पर निर्भर करते हैं, और एक स्वच्छ और प्रभावी ऊर्जा स्रोत प्रदान करते हैं।
• जंग रोकथाम: गैल्वेनिक सेल में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की समझ जंग को रोकने के तरीकों को डिजाइन करने में मदद करती है, जो अनिवार्य रूप से एक गैल्वेनिक प्रक्रिया है।

निष्कर्ष

गैल्वेनिक सेल वैद्युत रासायनिक समझ के आधार हैं, और यह दिखाते हैं कि कैसे रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। EMF जैसी अवधारणाओं, ऐनोड और कैथोड जैसे घटकों, और बैटरियों और अन्य प्रौद्योगिकियों में इन कोशिकाओं के अनुप्रयोग के माध्यम से, गैल्वेनिक सेल रसायन विज्ञान में अध्ययन और नवाचार का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र बने रहते हैं। इन विषयों में पारंगत होना स्थायी ऊर्जा, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, और औद्योगिक प्रक्रियाओं में प्रगति के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।

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