चालकता और वैद्युत अपघट्य कोशिकाएं (विशिष्ट, मोलर और समतुल्य चालकता)

वैद्युत रसायन विज्ञान रसायन विज्ञान की एक शाखा है जो विद्युत ऊर्जा और रासायनिक परिवर्तनों के बीच के संबंध से संबंधित है। इसका अनेक अनुप्रयोग हैं जैसे बैटरियां, ईंधन कोशिकाएं और विद्युत अपघटन। वैद्युत रसायन विज्ञान के आवश्यक सिद्धांतों में से एक चालकता का सिद्धांत है, विशेष रूप से वैद्युत अपघट्य कोशिकाओं में। इस लेख में, हम चालकता और इससे संबंधित विभिन्न मापदंडों, जैसे विशिष्ट चालकता, मोलर चालकता और समतुल्य चालकता को गहराई से समझेंगे।

चालकता की बुनियादी अवधारणाएँ

चालकता यह बताती है कि एक पदार्थ विद्युत धारा के प्रवाह को कितनी अच्छी तरह से अनुमति देता है। एक वैद्युत अपघट्य कोशिका में, जहां माध्यम एक द्रव घोल होता है, चालकता घोल में उपस्थित आयनों द्वारा निर्धारित होती है। ये आयन विद्युत आवेश ले जाने की क्षमता घोल की चालकता में योगदान करते हैं।

वैद्युत चालकता (G) विद्युत प्रतिरोध (R) का विपरीत होती है और इसे इस सूत्र द्वारा दिया जाता है:

g = 1/r

जहां:

• G चालकता है, जिसे सिमेन्स (S) में मापा जाता है।
• R प्रतिरोध है, जिसे ओम्स (Ω) में मापा जाता है।

किसी दिए गए वैद्युत अपघट्य घोल के लिए, प्रतिरोध इलेक्ट्रोलाइट की प्रकृति, उसकी सांद्रता और घोल के तापमान पर निर्भर करता है।

विशिष्ट चालकता (κ)

विशिष्ट चालकता, जिसे चालकता भी कहते हैं, यह माप है कि कोई घोल विद्युत को कितनी अच्छी तरह से संचालित कर सकता है। इसे प्रति इकाई लंबाई और प्रति इकाई क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के घोल की चालकता के रूप में परिभाषित किया जाता है। विशिष्ट चालकता की एसआई इकाई सिमेन्स प्रति मीटर (S/m) है।

विशिष्ट चालकता का सूत्र है:

κ = G * (L / A)

जहां:

• κ (कप्पा) विशिष्ट चालकता है।
• G चालकता है।
• L संवाहक की लंबाई (मीटरों में) है।
• A संवाहक का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र (वर्ग मीटरों में) है।

किसी वैद्युत अपघट्य घोल की विशिष्ट चालकता इलेक्ट्रोलाइट की सांद्रता और प्रकृति पर निर्भर करती है। सामान्य रूप से, जैसे-जैसे घोल में आयनों की सांद्रता बढ़ती है, विशिष्ट चालकता भी बढ़ती है।

मोलर चालकता (_Λm)

मोलर चालकता सभी आयनों के चालकता का माप है जो एक मोल इलेक्ट्रोलाइट को घोलने पर उत्पन्न होते हैं। इसे सामान्यतः सिमेन्स मीटर स्क्वायर प्रति मोल (S m²/mol) में व्यक्त किया जाता है।

मोलर चालकता का सूत्र है:

Λm = κ/c

जहां:

• _{Λ m} मोलर चालकता है।
• κ विशिष्ट चालकता है।
• C घोल की मोलर सांद्रता (मोल प्रति लीटर में) है।

मोलर चालकता पतला होने पर बढ़ती है क्योंकि आयनिक गतिशीलता बढ़ती है। अनंत पतलापन पर, आयन एक दूसरे से बहुत दूर होते हैं और उनकी बातचीत नगण्य हो जाती है। इसे सीमित मोलर चालकता कहते हैं।

सीमित मोलर चालकता की समझ

सीमित मोलर चालकता का सिद्धांत महत्वपूर्ण है। यह वैद्युत अपघट्य घोल की मोलर चालकता का प्रतिनिधित्व करता है जब इलेक्ट्रोलाइटिक घोल इतना पतला हो जाता है कि आगे की पतलापन चालकता को नहीं बदलता है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

Λ m ∞ = Λ m जब C → 0

यह इलेक्ट्रोलाइट की वास्तविक चालकता को समझने में मदद करता है और विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उपयोगी होता है।

समतुल्य चालकता (Λ _eq)

समतुल्य चालकता मोलर चालकता के समान होती है, लेकिन यह मोलर सांद्रता के बदले समतुल्य सांद्रता पर आधारित होती है। इसे एक ग्राम समतुल्य इलेक्ट्रोलाइट वाले घोल की चालकता के रूप में परिभाषित किया जाता है। इसे सिमेन्स मीटर स्क्वायर प्रति समतुल्य (S m²/eq) में व्यक्त किया जाता है।

समतुल्य चालकता का सूत्र है:

Λ eq = κ / N

जहां:

• Λ eq समतुल्य चालकता है।
• κ विशिष्ट चालकता है।
• N घोल की नार्मलिटी (ग्राम समतुल्य प्रति लीटर) है।

मोलर और समतुल्य चालकता के बीच संबंध

मोलर चालकता और समतुल्य चालकता के बीच एक सीधा संबंध है। एक दिए गए इलेक्ट्रोलाइट के वैलेंसी z के लिए, संबंध इस प्रकार है:

Λ eq = Λ m / z

यह समीकरण दिखाता है कि समतुल्य चालकता मोलर चालकता से इलेक्ट्रोलाइट के समतुल्यता कारक को ध्यान में रखकर प्राप्त की जा सकती है, जो इसे उत्पन्न करने वाले आयनों की संख्या पर निर्भर करती है।

उदाहरण के साथ सिद्धांतों का अनुप्रयोग

सोडियम क्लोराइड (NaCl) घोल का उदाहरण लेते हैं:

1. ज्ञात प्रतिरोध के साथ विशिष्ट चालकता की गणना करें:

• यदि NaCl घोल का प्रतिरोध 5 Ω है, तो विशिष्ट चालकता (κ) की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

g = 1 / r = 1 / 5 = 0.2 s
κ = g * (l/a) = 0.2 * (1/1) = 0.2 s/m
    

2. सांद्रता के साथ मोलर चालकता पाएं:

• NaCl घोल के लिए 0.1 मोल/लीटर की मोलर सांद्रता मानते हुए, मोलर चालकता है:

Λ m = κ / C = 0.2 / 0.1 = 2 S म²/मोल

3. समतुल्य चालकता:

• उसी घोल का उपयोग करते हुए, समतुल्य चालकता (z = 1 के लिए NaCl), आप पाएं:

Λ eq = Λ m / z = 2 / 1 = 2 S म²/eq

निष्कर्ष

चालकता और इसके परमिटरीकरण को समझना जैसे विशिष्ट, मोलर, और समतुल्य चालकता इस बात की भविष्यवाणी करने और मापने के लिए मौलिक होता है कि कोई घोल विद्युत को संचालित कर सकता है। ये मापदंड औद्योगिक अनुप्रयोगों, शैक्षणिक अनुसंधान, और शैक्षिक उद्देश्यों के लिए महत्वपूर्ण हैं।

विभिन्न परिस्थितियों के तहत चालकता के व्यवहार को समझने से वैद्युत रासायनिक उपकरणों और प्रक्रियाओं के बेहतर डिजाइन में मदद मिलती है, जिससे कार्यक्षमता और उत्पादनशीलता में वृद्धि होती है।

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