மின் வேதியியல்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

மின் வேதியியல் பற்றி

கடினம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

டார்ச் விளக்கில் உள்ள மின்கலம் ஒரு வேதி வினையை மின்னோட்டமாக மாற்றுகிறது. உருகிய கிரையோலைட்டில் கரைத்த அலுமினாவை மின்னாற்பகுப்பு செய்யும்போது இதற்கு நேர் எதிராக நடக்கிறது. தானாக நடக்காத ஒரு வினையை மின்னோட்டம் நடத்துகிறது. இந்த இரண்டு திசை மாற்றங்களையும் படிப்பதே மின் வேதியியல் (Electrochemistry).

முதலில் கரைசல்கள் மின்னோட்டத்தை எப்படிக் கடத்துகின்றன என்று பார்க்கிறோம். உலோகத்தில் எலக்ட்ரான்கள் நகர்கின்றன. மின்பகுளியில் அயனிகள் நகர்கின்றன. மின்தடையை அளந்து நியம கடத்துதிறனையும் மோலார் கடத்துதிறனையும் கண்டறியலாம். நீர்த்தால் அவை எப்படி மாறுகின்றன என்றும் பார்க்கலாம். பாடத்தின் இரண்டாம் பாதி கலன்களைப் பற்றியது. தன்னிச்சையான ஒரு ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க வினை இரண்டு அரைக்கலன்களாக எப்படிப் பிரிக்கப்படுகிறது, கலனின் மின்னியக்கு விசை (emf) திட்ட ஹைட்ரஜன் மின்முனையைப் பொறுத்து எப்படி அளக்கப்படுகிறது, உண்மையான செறிவுகளுக்கு ஏற்ப நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாடு அந்த emf-ஐ எப்படித் திருத்துகிறது என்பவற்றை இங்கே படிக்கிறோம்.

கணக்குகள் சில நிலையான வகைகளில் வருகின்றன: κ மற்றும் செறிவிலிருந்து மோலார் கடத்துதிறன் காணுதல், கோல்ராஷ் விதியைப் பயன்படுத்தி அசிட்டிக் அமிலத்தின் \(\Lambda_{m}^{0}\) காணுதல், E° மதிப்புகளிலிருந்து கலனின் emf காணுதல், நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்துதல், குறிப்பிட்ட மின்னோட்டம் குறிப்பிட்ட நேரம் பாயும்போது படியும் நிறையைக் கணக்கிடுதல். \(\Delta G = -nFE_{cell}\) என்ற தொடர்பும் அடிக்கடி வருகிறது. கலன் வினை தன்னிச்சையானதா என்பதை அது சொல்கிறது.

நீங்கள் கற்பவை

• உலோகக் கடத்திகளையும் மின்பகுளிக் கடத்திகளையும் வேறுபடுத்தி, வெப்பநிலை ஒவ்வொன்றையும் எப்படிப் பாதிக்கிறது என்று விளக்குதல்.
• மின்தடை, கலன் மாறிலி, செறிவு ஆகியவற்றிலிருந்து மோலார் மற்றும் சமான கடத்துதிறனைக் கணக்கிடுதல்.
• கோல்ராஷ் விதியைப் பயன்படுத்தி வலிமை குறைந்த மின்பகுளியின் எல்லை மோலார் கடத்துதிறனைக் காணுதல்.
• IUPAC மரபுகளின்படி கால்வானிக் கலனுக்கான கலன் குறியீட்டை எழுதுதல்.
• E° மதிப்புகள் மற்றும் மின்வேதி வரிசையிலிருந்து ஒரு ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க வினை நடக்குமா என்று கணித்தல்.
• திட்டமில்லாத செறிவுகளுக்கு நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டைக் கொண்டு கணக்குகளைத் தீர்த்தல்.
• காரீய சேமிப்புக் கலனில் மின்னிறக்கம் மற்றும் மின்னேற்றத்தின்போது ஒவ்வொரு மின்முனையிலும் நடக்கும் வினைகளை எழுதுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• ஆக்சிஜனேற்றம், ஒடுக்கம் மற்றும் ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க வினைகளைச் சமன் செய்தல்.
• மின் அலகுகள்: வோல்ட், ஆம்பியர், ஓம், கூலும்.
• வேதிச் சமநிலை மற்றும் நிறை தாக்க விதி.

மின் வேதியியல் — விரிவான விளக்கம்

கடத்துதிறன், கலன்கள் மற்றும் மின்னாற்பகுப்பு

உலோகக் கடத்தலும் மின்பகுளிக் கடத்தலும்

உலோகங்கள் எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தால் மின்சாரத்தைக் கடத்துகின்றன. வெப்பநிலை உயரும்போது அவற்றின் கடத்துதிறன் குறைகிறது. காரணம், அதிர்வுறும் உலோக அயனிகள் எலக்ட்ரான்களின் வழியைத் தடுக்கின்றன. மின்பகுளிகள் அயனிகளின் இயக்கத்தால் கடத்துகின்றன. வெப்பநிலை உயரும்போது அவற்றின் கடத்துதிறன் அதிகரிக்கிறது. கரைப்பானின் பாகுநிலை குறைகிறது, அயனி–அயனி கவர்ச்சியும் குறைகிறது. மின்தடை \(R\) ஓம் அலகில் அளக்கப்படுகிறது. அதன் தலைகீழியான கடத்துதிறன் \(C\) ohm^-1 அல்லது சீமென்ஸ் (S) அலகில் அளக்கப்படுகிறது.

நியம கடத்துதிறனும் மோலார் கடத்துதிறனும்

1 m² பரப்புள்ள, 1 m இடைவெளியில் வைக்கப்பட்ட இரண்டு மின்முனைகளுக்கு இடையே உள்ள கரைசலின் கடத்துதிறனே நியம கடத்துதிறன் \(\kappa\) (Specific conductivity). மின்பகுளிகளை ஒப்பிட மோலார் கடத்துதிறன் \(\Lambda_{m}\) = κ/C (தகுந்த அலகு மாற்றத்துடன்) பயன்படுகிறது. இது ஒரு மோல் மின்பகுளியிலிருந்து கிடைக்கும் எல்லா அயனிகளின் கடத்துதிறன். நீர்த்தால் ஓரலகு கனஅளவில் அயனிகள் குறைவதால் κ குறைகிறது. ஆனால் \(\Lambda_{m}\) அதிகரிக்கிறது. KCl போன்ற வலிமையான மின்பகுளிக்கு √C அதிகரிக்கும்போது \(\Lambda_{m}\) நேர்க்கோட்டில் குறைகிறது (டிபை–ஹக்கல்–ஆன்சேகர் தொடர்பு). எனவே \(\Lambda_{m}\) - √C வரைபடம் ஒரு நேர்கோடு. அதைச் சுழிச் செறிவு வரை நீட்டலாம். அசிட்டிக் அமிலம் போன்ற வலிமை குறைந்த மின்பகுளியில் மிக அதிக நீர்த்தலில் மட்டுமே \(\Lambda_{m}\) செங்குத்தாக உயர்கிறது. அதனால் அதன் எல்லை மதிப்பை வரைபடத்திலிருந்து படிக்க முடியாது.

கோல்ராஷ் விதி

முடிவிலா நீர்த்தலில் ஒவ்வொரு அயனியும், அது எந்த அயனியுடன் இணைந்திருந்தாலும், மோலார் கடத்துதிறனுக்கு ஒரு நிலையான அளவைத் தருகிறது. எனவே \(\Lambda_{m}^{0}\)(CH₃COOH) = \(\Lambda_{m}^{0}\)(CH₃COONa) + \(\Lambda_{m}^{0}\)(HCl) − \(\Lambda_{m}^{0}\)(NaCl). இந்த விதியால் வலிமை குறைந்த மின்பகுளிகளின் \(\Lambda_{m}^{0}\), பிரிகை வீதம் α = \(\Lambda_{m}\)/\(\Lambda_{m}^{0}\), வலிமை குறைந்த அமிலங்களின் பிரிகை மாறிலி, AgCl போன்ற குறைவாகக் கரையும் உப்புகளின் கரைதிறன் பெருக்கம் ஆகியவற்றைக் காணலாம்.

கால்வானிக் கலன்களும் மின்னாற்பகுப்புக் கலன்களும்

டேனியல் கலன் போன்ற கால்வானிக் கலன் ஒரு தன்னிச்சையான வினையிலிருந்து மின்சாரத்தை உருவாக்குகிறது. ஆக்சிஜனேற்றம் ஆனோடில் (anode) நடக்கிறது; அது எதிர்க்குறி கொண்டது. ஒடுக்கம் கேத்தோடில் (cathode) நடக்கிறது; அது நேர்க்குறி கொண்டது. அகாரில் KCl அல்லது KNO₃ கொண்ட உப்புப் பாலம் இரண்டு அரைக்கலன்களையும் மின் நடுநிலையில் வைக்கிறது. மின்னாற்பகுப்புக் கலன் வெளி மின்மூலத்தைப் பயன்படுத்தி தன்னிச்சையற்ற வினையை நடத்துகிறது. இங்கும் ஆக்சிஜனேற்றம் ஆனோடில்தான் நடக்கிறது. ஆனால் இப்போது ஆனோடு நேர்க்குறி மின்முனை.

மின்முனை மின்னழுத்தமும் நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாடும்

மின்முனை மின்னழுத்தங்கள் திட்ட ஹைட்ரஜன் மின்முனையைப் பொறுத்து அளக்கப்படுகின்றன. அதன் மின்னழுத்தம் சுழி என எடுத்துக்கொள்ளப்படுகிறது. திட்ட ஒடுக்க மின்னழுத்தங்களை வரிசைப்படுத்தினால் மின்வேதி வரிசை கிடைக்கிறது. ஒரு கலனுக்கு E°_cell = E°_cathode − E°_anode. மற்ற செறிவுகளில் emf-ஐ நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாடு தருகிறது: 298 K-ல் E_cell = E°_cell − (0.0591/n) log Q. இங்கு Q என்பது வினை ஈவு. emf கட்டிலா ஆற்றலுடன் \(\Delta G = -nFE_{cell}\) என்று தொடர்புடையது. எனவே E_cell நேர்க்குறி என்றால் ΔG எதிர்க்குறி; வினை தன்னிச்சையானது.

ஃபாரடேயின் மின்னாற்பகுப்பு விதிகள்

ஒரு மின்முனையில் விடுவிக்கப்படும் பொருளின் நிறை செலுத்தப்பட்ட மின்னூட்டத்திற்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும்: m = ZIt. இங்கு Z என்பது மின்வேதிச் சமான நிறை. ஒரே மின்னூட்டம் வெவ்வேறு மின்பகுளிகள் வழியே செல்லும்போது, விடுவிக்கப்படும் நிறைகள் அவற்றின் சமான நிறைகளுக்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும். ஒரு ஃபாரடே என்பது ஒரு மோல் எலக்ட்ரான்களின் மின்னூட்டம்; அது 96500 C என எடுத்துக்கொள்ளப்படுகிறது.

மின்கலன்களும் எரிபொருள் கலன்களும்

லெக்லாஞ்சே உலர் கலன், பாதரச பொத்தான் கலன் போன்ற முதன்மைக் கலன்களை மீண்டும் மின்னேற்றம் செய்ய முடியாது. காரீய சேமிப்புக் கலன், லித்தியம்-அயனி மின்கலன் போன்ற இரண்டாம் நிலைக் கலன்களை மின்னேற்றம் செய்யலாம். எதிர்த் திசையில் மின்னோட்டம் செலுத்தும்போது அவற்றின் வினைகள் திரும்ப நடக்கின்றன. காரீய சேமிப்புக் கலன் மின்னிறக்கம் ஆகும்போது இரண்டு மின்முனைகளிலும் PbSO₄ உருவாகிறது; சல்பியூரிக் அமிலம் செலவாகிறது. ஹைட்ரஜன்-ஆக்சிஜன் எரிபொருள் கலன் H₂ மற்றும் O₂ இன் ஆற்றலை நேரடியாக மின்சாரமாக மாற்றுகிறது. விளைபொருள் நீர். இது விண்வெளிப் பயணத் திட்டங்களில் பயன்படுத்தப்பட்டது.

அரிமானமும் அதைத் தடுத்தலும்

இரும்பு துருப்பிடித்தல் ஒரு மின்வேதிச் செயல்முறை. ஆனோடு பகுதிகளில் இரும்பு Fe²⁺ ஆக ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது. கேத்தோடு பகுதிகளில் நீர் முன்னிலையில் ஆக்சிஜன் ஒடுக்கம் அடைகிறது. Fe²⁺ மேலும் ஆக்சிஜனேற்றம் அடைந்து நீரேறிய ஃபெரிக் ஆக்சைடு, அதாவது துரு, உருவாகிறது. பெயிண்ட் அல்லது எண்ணெய் பூசுதல், நாகமுலாமிடுதல் (இரும்பின் மீது துத்தநாகம் பூசுதல்), மெக்னீசியம் போன்ற அதிக வினைத்திறன் கொண்ட உலோகத்தால் தியாக முறைப் பாதுகாப்பு, உலோகக் கலவை ஆக்குதல் ஆகியவற்றால் அரிமானம் தடுக்கப்படுகிறது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• மின்முனைக் குறிகளைக் குழப்புதல். ஆக்சிஜனேற்றம் எப்போதும் ஆனோடில்தான் நடக்கும். ஆனால் கால்வானிக் கலனில் ஆனோடு எதிர்க்குறி, மின்னாற்பகுப்புக் கலனில் அது நேர்க்குறி.
• ஃபாரடே விதிக் கணக்குகளில் நேரத்தை நிமிடம் அல்லது மணியிலேயே விட்டுவிடுதல். மின்னூட்டம் Q = It-க்கு நேரம் விநாடியில் இருக்க வேண்டும்.
• நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டில் n-க்குத் தவறான மதிப்பை எடுத்தல். சமன் செய்த மொத்த வினையில் உள்ள எலக்ட்ரான்களை எண்ண வேண்டும்; தனியாக எழுதிய ஒரு அரை வினையில் உள்ளவற்றை அல்ல.
• அரை வினைகளைக் கூட்டும்போது E° மதிப்புகளை விகிதக் கெழுக்களால் பெருக்குதல். மின்முனை மின்னழுத்தம் ஒரு செறிவுப் பண்பு (intensive property). அரை வினையைப் பெருக்கினாலும் அது மாறாது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

நீர்த்தால் நியம கடத்துதிறன் ஏன் குறைகிறது?

நியம கடத்துதிறன் என்பது ஒரு குறிப்பிட்ட கனஅளவு கரைசலின் கடத்துதிறன். எனவே அந்தக் கனஅளவில் எத்தனை அயனிகள் உள்ளன என்பதைப் பொறுத்தது. நீர்த்தால் அயனிகள் அதிகக் கரைப்பானில் பரவுகின்றன. ஒரு cm3-ல் அயனிகள் குறைகின்றன, κ குறைகிறது. அதே நேரத்தில் மோலார் கடத்துதிறன் அதிகரிக்கிறது. ஏனெனில் அது ஒரு மோலிலிருந்து வரும் எல்லா அயனிகளையும், அவை எவ்வளவு கனஅளவில் இருந்தாலும், கணக்கில் எடுக்கிறது.

முதன்மைக் கலனுக்கும் இரண்டாம் நிலைக் கலனுக்கும் என்ன வேறுபாடு?

லெக்லாஞ்சே உலர் கலன் போன்ற முதன்மைக் கலனில் வினையைத் திருப்ப முடியாது. வினைபடு பொருள்கள் தீர்ந்தவுடன் கலனைத் தூக்கி எறிய வேண்டும். காரீய சேமிப்புக் கலன் போன்ற இரண்டாம் நிலைக் கலனில், வெளி மூலத்திலிருந்து மின்னோட்டம் செலுத்தினால் வினை திரும்ப நடந்து மின்முனைகள் பழைய நிலைக்கு வருகின்றன. எனவே அதைப் பலமுறை மின்னேற்றம் செய்யலாம்.

வெப்பநிலை மின்பகுளியின் கடத்துதிறனை எப்படிப் பாதிக்கிறது?

கடத்துதிறன் அதிகரிக்கிறது. இது உலோகங்களுக்கு நேர் எதிர். சூடான கரைப்பானின் பாகுநிலை குறைவு. எதிர் மின்னூட்டம் கொண்ட அயனிகளுக்கு இடையிலான கவர்ச்சியும் குறைகிறது. எனவே அயனிகள் மின்முனைகளை நோக்கி வேகமாக நகர்கின்றன; கரைசல் நன்றாகக் கடத்துகிறது.

ஒரு தனி மின்முனையின் மின்னழுத்தத்தை அளக்க முடியுமா?

முடியாது. சுற்றை முழுமையாக்க வோல்ட்மீட்டருக்கு இரண்டு மின்முனைகள் தேவை. எனவே மின்னழுத்த வேறுபாட்டை மட்டுமே அளக்க முடியும். அதனால் ஒவ்வொரு மின்முனையையும் திட்ட ஹைட்ரஜன் மின்முனையுடன் இணைக்கிறோம். அதன் மின்னழுத்தம் சுழி எனக் கொள்ளப்படுகிறது. அளந்த emf-ஐ அந்த மின்முனையின் மின்னழுத்தமாகக் குறிப்பிடுகிறோம்.

உப்புப் பாலம் என்றால் என்ன, அது ஏன் பயன்படுகிறது?

இது அகார் கூழ்மமும் KCl அல்லது KNO3 போன்ற வினைபுரியாத மின்பகுளியும் நிரப்பிய U-குழாய். இது இரண்டு அரைக்கலன்களையும் இணைக்கிறது. அதன் அயனிகள் ஒவ்வொரு பகுதிக்குள்ளும் நகர்ந்து அங்கே சேரும் மின்னூட்டத்தைச் சமன் செய்கின்றன. உப்புப் பாலம் இல்லையென்றால் ஒரு பக்கம் நேர் மின்னூட்டமும் மறு பக்கம் எதிர் மின்னூட்டமும் பெற்று, மின்னோட்டம் உடனே நின்றுவிடும்.

இரும்பை நாகமுலாமிட துத்தநாகம் ஏன் பயன்படுகிறது?

துத்தநாகத்தின் திட்ட ஒடுக்க மின்னழுத்தம் இரும்பை விடக் குறைவு (அதிக எதிர்க்குறி). எனவே அது எளிதாக ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது. இரும்புக்குப் பதிலாக அது அரிக்கப்பட்டு, தியாக ஆனோடாகச் செயல்படுகிறது. துத்தநாகப் பூச்சு கீறப்பட்டாலும், அருகில் துத்தநாகம் இருக்கும் வரை வெளியே தெரியும் இரும்பு பாதுகாப்பாக இருக்கும்.