Sel voltan dan sel elektrokimia

Halaman ini merangkumi satu standard kandungan Tingkatan 5 daripada Keseimbangan Redoks: sel voltan dan sel elektrokimia. Ini imej cermin kepada elektrolisis. Dalam elektrolisis, elektrik memaksa tindak balas redoks; dalam sel voltan, tindak balas redoks spontan menghasilkan elektrik. Betulkan arah aliran elektron dan label terminal, dan ini menjadi salah satu topik paling boleh dipercayai dalam bab.

Apa itu sel voltan

Sel voltan (juga dipanggil sel kimia atau sel galvani) menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik menggunakan tindak balas redoks spontan. Versi paling ringkas ialah dua logam berbeza dicelup sebagai elektrod ke dalam elektrolit dan disambung dengan wayar melalui mentol atau voltmeter. Kerana dua logam berbeza kereaktifan, satu lebih sanggup melepaskan elektron daripada yang lain, dan perbezaan itu memacu arus.

Versi yang lebih maju, sel Daniell, menggunakan dua setengah-sel, zink dalam zink(II) sulfat dan kuprum dalam kuprum(II) sulfat, dihubungkan oleh jambatan garam yang melengkapkan litar sambil menghalang larutan daripada bercampur.

Terminal, aliran elektron dan setengah persamaan

Peraturan mengikut terus daripada siri kereaktifan:

• Logam yang lebih reaktif kehilangan elektron dengan lebih mudah, jadi ia dioksidakan dan menjadi terminal negatif (anod sel).
• Logam yang kurang reaktif ialah terminal positif (katod), di mana penurunan berlaku.
• Elektron mengalir melalui wayar luar dari terminal negatif (logam lebih reaktif) ke terminal positif (logam kurang reaktif). Arus konvensional mengalir arah bertentangan.

Bagi sel magnesium-kuprum dalam kuprum(II) sulfat, contohnya:

• Terminal negatif (magnesium, dioksidakan): Mg → Mg²⁺ + 2e-
• Terminal positif (kuprum, penurunan): Cu²⁺ + 2e- → Cu

Magnesium melarut dan elektrod kuprum memperoleh salutan kuprum, tepat seperti dalam tindak balas penyesaran, kerana sel voltan ialah tindak balas penyesaran dengan pemindahan elektron dialihkan melalui wayar. Kerana itu, jika anda sudah boleh meramal penyesaran, anda sudah boleh meramal apa yang berlaku dalam sel voltan; yang perlu ditambah hanyalah label terminal dan arah aliran elektron.

Voltan sel dan siri elektrokimia

Voltan (beza keupayaan) sel ringkas bergantung pada berapa jauh dua logam terpisah dalam kereaktifan: semakin besar jurang, semakin tinggi voltan. Jadi sel magnesium-kuprum memberi voltan lebih tinggi daripada sel zink-kuprum, kerana magnesium dan kuprum lebih jauh terpisah daripada zink dan kuprum. Dengan mengukur voltan banyak pasangan, ahli kimia menyusun logam ke dalam siri elektrokimia, pada dasarnya siri kereaktifan disusun mengikut keupayaan elektrod. Logam yang sentiasa dioksidakan (terminal negatif) ialah yang lebih reaktif, lebih tinggi dalam siri.

Sel voltan lawan sel elektrolisis

Kekalkan dua jenis sel ini berasingan dengan jelas, kerana peperiksaan sering memasangkannya. Sel voltan mengandungi dua logam berbeza dan tidak memerlukan kuasa luar, tindak balas spontan menghasilkan elektrik, dan terminal negatifnya ialah tapak pengoksidaan. Sel elektrolisis mengandungi elektrod yang disambung ke bekalan kuasa luar yang memaksa tindak balas tak spontan; katodnya (elektrod negatif) ialah tapak penurunan. Perubahan tenaga juga bertentangan: sel voltan menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik, manakala sel elektrolisis menukar tenaga elektrik kepada tenaga kimia. Berupaya menyatakan perbezaan ini dengan kemas ialah soalan jawapan pendek yang kerap.

Contoh penyelesaian

Soalan. Satu sel ringkas dibuat daripada jalur magnesium dan jalur kuprum dalam asid sulfurik cair, disambung melalui voltmeter. Nyatakan jalur mana ialah terminal negatif, beri arah aliran elektron, tulis setengah persamaan di setiap elektrod, dan nyatakan logam mana yang dioksidakan.

Langkah 1, bandingkan kereaktifan. Magnesium lebih reaktif daripada kuprum, jadi magnesium membebaskan elektron dengan lebih mudah.

Langkah 2, tetapkan terminal. Logam yang lebih reaktif ialah terminal negatif, jadi magnesium ialah terminal negatif dan kuprum ialah terminal positif.

Langkah 3, arah aliran elektron. Elektron mengalir melalui wayar luar dari magnesium (negatif) ke kuprum (positif).

Langkah 4, setengah persamaan.

• Terminal negatif (magnesium): Mg → Mg²⁺ + 2e- (kehilangan elektron = pengoksidaan).
• Terminal positif (kuprum): di sini ion hidrogen daripada asid diturunkan, 2H⁺ + 2e- → H₂ (gelembung gas di kuprum).

Langkah 5, yang mana dioksidakan. Magnesium kehilangan elektron, jadi magnesium dioksidakan (ia agen penurunan dan terminal negatif).

Jawapan. Magnesium ialah terminal negatif; elektron mengalir dari magnesium ke kuprum melalui wayar; Mg → Mg²⁺ + 2e- di magnesium dan 2H⁺ + 2e- → H₂ di kuprum; magnesium dioksidakan.

Soalan latihan

Dua sel ringkas disediakan dalam elektrolit yang sama: sel 1 menggunakan zink dan kuprum; sel 2 menggunakan magnesium dan kuprum. Ramalkan sel mana menghasilkan voltan lebih tinggi dan terangkan sebabnya. Dalam setiap sel, logam mana ialah terminal negatif?

Jawapan. Sel 2 (magnesium dan kuprum) menghasilkan voltan lebih tinggi, kerana magnesium dan kuprum lebih jauh terpisah dalam siri kereaktifan berbanding zink dan kuprum, dan perbezaan kereaktifan yang lebih besar memberi voltan lebih besar. Dalam kedua-dua sel, logam yang lebih reaktif ialah terminal negatif, zink dalam sel 1, magnesium dalam sel 2.

Petua peperiksaan

Tetapkan satu ayat dalam ingatan: logam yang lebih reaktif ialah terminal negatif, dioksidakan, dan ialah tempat elektron mengalir DARInya. Segala yang lain mengikut. Jangan kelirukan sel voltan dengan elektrolisis: dalam sel voltan terminal negatif ialah tempat pengoksidaan berlaku, bertentangan dengan elektrod negatif (katod) dalam elektrolisis di mana penurunan berlaku, perangkap Kimia SPM klasik. Bagi soalan perbandingan voltan, sentiasa justifikasikan dengan jurang kereaktifan, bukan sekadar “magnesium itu reaktif”. Lukis anak panah aliran elektron pada mana-mana rajah sel; ia memperoleh markah dan menghentikan ralat arah yang cuai.

Kedudukan dalam bab

Sel voltan mengikat bersama penyesaran, siri kereaktifan dan idea pemindahan elektron pada jarak jauh. Standard terakhir, siri kereaktifan dan pengekstrakan logam, menggunakan susunan logam yang sama seperti yang anda bina di sini.

• Naik ke hab bab: Keseimbangan Redoks.
• Ke sisi: contoh penyelesaian dan senarai istilah utama bab untuk takrif sel.

Guru Kimia SPM 1-ke-1 dalam talian kami, mengajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, menumpukan pada satu perbezaan yang paling kerap diterbalikkan pelajar, terminal negatif ialah tapak pengoksidaan dalam sel voltan, supaya jawapan sel anda kekal konsisten di bawah tekanan peperiksaan.