विद्युत रासायनिक ऊष्मागतिकी

विद्युत रासायनिक ऊष्मागतिकी उन प्रणालियों में रासायनिक मुक्त ऊर्जा और विद्युत विभव के बीच संतुलन संबंधों का वर्णन करती है जहाँ रेडॉक्स अभिक्रियाएँ अंतरापृष्ठों (interfaces) में आवेश स्थानांतरण से जुड़ी होती हैं।

Definition

इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री की वह शाखा जो संतुलन ऊर्जा से संबंधित है, रेडॉक्स अभिक्रियाओं के मुक्त ऊर्जा परिवर्तन को संबंध ΔG = −nFE के माध्यम से मापने योग्य सेल विभव से जोड़ती है।

Scope

यह क्षेत्र इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के ऊष्मागतिकीय आधारों को शामिल करता है: कैसे एक रेडॉक्स अभिक्रिया की गिब्स मुक्त ऊर्जा सेल इलेक्ट्रोमोटिव बल से संबंधित है, कैसे सांद्रता और गतिविधि संतुलन विभव को स्थानांतरित करती है, और कैसे विभव पैमाने के लिए संदर्भ बिंदुओं को परिभाषित किया जाता है। इसमें विद्युत रासायनिक कोशिकाओं का निर्माण, मानक इलेक्ट्रोड विभव के लिए परंपराएं, घोल में आयनों की गतिविधि, और संदर्भ इलेक्ट्रोड की भूमिका शामिल है। ध्यान संतुलन (शून्य-धारा) व्यवहार पर है; परिमित-दर इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की गतिशीलता इलेक्ट्रोड गतिकी से संबंधित है।

Sub-topics

• विद्युत रासायनिक सेल और इलेक्ट्रोड
• आयन गतिविधि और इलेक्ट्रोलाइट ऊष्मागतिकी
• नेर्नस्ट समीकरण और सेल विभव
• संदर्भ इलेक्ट्रोड

Core questions

• एक रेडॉक्स अभिक्रिया की गिब्स मुक्त ऊर्जा एक विद्युत रासायनिक सेल के मापने योग्य विभव से कैसे संबंधित है?
• अभिकारकों और उत्पादों की गतिविधियाँ (प्रभावी सांद्रता) एक इलेक्ट्रोड के संतुलन विभव को कैसे स्थानांतरित करती हैं?
• विद्युत रासायनिक विभव पैमाने के लिए एक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य शून्य बिंदु क्या परिभाषित करता है?
• मापे गए इलेक्ट्रोड विभव सरल मोलर सांद्रता का उपयोग करके अनुमानित मानों से क्यों विचलित होते हैं?

Key theories

मुक्त ऊर्जा-विभव संबंध

एक प्रतिवर्ती सेल का अधिकतम गैर-विस्तार (विद्युत) कार्य ऋणात्मक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन के बराबर होता है, जिससे ΔG = −nFE प्राप्त होता है, जहाँ n स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या है और F फैराडे स्थिरांक है। यह रासायनिक ऊष्मागतिकी को मापने योग्य सेल वोल्टेज से जोड़ता है।

नर्नस्ट समीकरण

एक इलेक्ट्रोड का संतुलन विभव रेडॉक्स प्रजातियों की गतिविधियों पर लघुगणकीय रूप से निर्भर करता है, E = E° − (RT/nF) ln Q, जिससे यह अनुमान लगाया जा सकता है कि सांद्रता परिवर्तन सेल विभव को कैसे स्थानांतरित करते हैं।

मानक इलेक्ट्रोड विभव परंपरा

अर्ध-सेल विभवों को मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष सारणीबद्ध किया जाता है, जिसे ठीक शून्य का मान दिया जाता है, जिससे सेल विभवों को अपचयन विभवों के बीच के अंतर के रूप में गणना करना संभव होता है।

Clinical relevance

विद्युत रासायनिक ऊष्मागतिकी प्रत्येक बैटरी और ईंधन सेल के वोल्टेज, पीएच और आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड जैसे पोटेंशियोमेट्रिक सेंसर के अंशांकन, और संतुलन विभव आरेखों के माध्यम से संक्षारण प्रवृत्तियों की भविष्यवाणी का आधार है। यह इलेक्ट्रोलिसिस और इलेक्ट्रोसिंथेसिस की ऊर्जा दक्षता सीमाओं को भी निर्धारित करती है।

History

मात्रात्मक आधार 1870 के दशक में गिब्स के मुक्त-ऊर्जा औपचारिकता और 1889 में नर्नस्ट के इलेक्ट्रोड विभव को आयन सांद्रता से संबंधित व्युत्पत्ति द्वारा रखा गया था, जिसके लिए उन्हें 1920 में रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार मिला। 20वीं शताब्दी में हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड का मानकीकरण और IUPAC संकेत परंपराओं ने सारणीबद्ध विभवों को अंतरसंचालनीय बनाया।

Key figures

• Walther Nernst
• Josiah Willard Gibbs
• Wilhelm Ostwald

Seminal works

• bard2001
• atkins2018
• newman2004

Frequently asked questions

मानक विभव और संतुलन विभव में क्या अंतर है?

मानक विभव E° परिभाषित मानक स्थितियों के तहत सभी प्रजातियों की इकाई गतिविधि को संदर्भित करता है, जबकि संतुलन (नर्नस्ट) विभव उपस्थित वास्तविक गतिविधियों के लिए E° को समायोजित करता है, इसलिए दोनों तभी मेल खाते हैं जब प्रत्येक प्रजाति इकाई गतिविधि पर हो।

सेल विभव मुक्त ऊर्जा से क्यों संबंधित है न कि एन्थैल्पी से?

सेल विभव अधिकतम प्रतिवर्ती विद्युत कार्य को मापता है, जो गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन के अनुरूप होता है; विभव की तापमान निर्भरता अलग से एन्ट्रापी योगदान को प्रकट करती है।