मानक इलेक्ट्रोड क्षमता

विद्युत्-रसायन में मानक इलेक्ट्रोड क्षमता $E^{\ominus }$ या $E_{red}^{\ominus }$, किसी तत्व या यौगिक की अपचायक शक्ति की माप है। आईयूपीएसी "स्वर्ण - पुस्तक" इसे इस प्रकार परिभाषित करती है, "सेल के मानक वैद्युतवाहक बल वैद्युतवाहक बल का मान जिसमें मानक दबाव के अनुसार आणविक हाइड्रोजन बाएं हाथ के इलेक्ट्रोड पर सॉल्वेटेड प्रोटॉन के लिए ऑक्सीकृत होता है"।

पृष्ठभूमि

विद्युत रासायनिक सेल का आधार, जैसे कि बिजली उत्पन्न करनेवाली सेल सदैव रिडॉक्स प्रतिक्रिया होती है, जिसे दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है। एनोड पर ऑक्सीकरण इलेक्ट्रॉन की हानि और कैथोड पर रेडॉक्स इलेक्ट्रॉन का लाभ। इलेक्ट्रोलाइट के संबंध में दो धातु इलेक्ट्रोड की व्यक्तिगत क्षमता के बीच विद्युत क्षमता के अंतर के कारण बिजली का उत्पादन होता है।

चूंकि सेल की समग्र क्षमता को मापा जा सकता है, पूर्ण इलेक्ट्रोड क्षमता | इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट क्षमता को अलगाव में सटीक रूप से मापने का कोई आसान विधि नहीं है। विद्युत क्षमता भी तापमान, एकाग्रता और दबाव के साथ बदलती है। चूँकि अर्ध-प्रतिक्रिया का ऑक्सीकरण विभव रेडॉक्स अभिक्रिया में अपचयन विभव का ऋणात्मक होता है, इसलिए यह किसी विभव की गणना करने के लिए पर्याप्त है। इसलिए, मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को सामान्यतः मानक कमी क्षमता के रूप में लिखा जाता है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट अंतराफलक पर धातु आयनों की प्रवृत्ति धातु इलेक्ट्रोड पर जमा करने के लिए इसे सकारात्मक रूप से चार्ज करने की कोशिश कर रही है। उसी समय इलेक्ट्रोड के धातु परमाणुओं में आयनों के रूप में समाधान में जाने की प्रवृत्ति होती है और इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉनों को पीछे छोड़ते हुए इसे नकारात्मक रूप से चार्ज करने की कोशिश करते हैं। पर संतुलन आवेशों का पृथक्करण होता है और दो विरोधी प्रतिक्रियाओं की प्रवृत्ति के आधार पर, समाधान के संबंध में इलेक्ट्रोड सकारात्मक और नकारात्मक रूप से आवेशित हो सकता है। इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच संभावित अंतर विकसित होता है, जिसे इलेक्ट्रोड क्षमता कहा जाता है। जब अर्ध-सेल में सम्मलित सभी प्रजातियों की सांद्रता होती है, तो इलेक्ट्रोड क्षमता को मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के रूप में जाना जाता है। आईयूपीएसी परिपाटी के अनुसार, मानक अपचयन विभव को अब मानक इलेक्ट्रोड विभव कहा जाता है। गैल्वेनिक सेल में आधा सेल जिसमें ऑक्सीकरण होता है, एनोड कहलाता है और इसमें समाधान के संबंध में नकारात्मक क्षमता होती है। दूसरी अर्ध-सेल जिसमें अपचयन होता है, कैथोड कहलाती है और इसका विलयन के संबंध में धनात्मक विभव होता है। इस प्रकार दो इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर उपस्तिथ होता है और जैसे ही स्विच चालू स्थिति में होता है, इलेक्ट्रॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोड से सकारात्मक इलेक्ट्रोड की ओर प्रवाहित होते हैं। धारा प्रवाह की दिशा इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा के विपरीत होती है।

गणना

अनुभवजन्य रूप से इलेक्ट्रोड क्षमता प्राप्त नहीं की जा सकती है। इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी से गैल्वेनिक सेल संभावित परिणाम। इस प्रकार, इलेक्ट्रोड की जोड़ी में केवल अनुभवजन्य मूल्य उपलब्ध है और अनुभवजन्य रूप से प्राप्त गैल्वेनिक सेल क्षमता का उपयोग करके जोड़ी में प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए मूल्य निर्धारित करना संभव नहीं है। संदर्भ इलेक्ट्रोड, मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (एसएचई), जिसके लिए क्षमता को परिभाषित किया गया है और सम्मेलन द्वारा सहमति व्यक्त की गई है, इसको स्थापित करने की आवश्यकता है। इस स्थितियों में मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड को 0.00 V पर सेट किया जाता है और कोई भी इलेक्ट्रोड, जिसके लिए इलेक्ट्रोड क्षमता अभी तक ज्ञात नहीं है। इसको मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा जा सकता है— गैल्वेनिक सेल बनाने के लिए और गैल्वेनिक सेल की क्षमता अज्ञात इलेक्ट्रोड की क्षमता देती है। इस प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, अज्ञात क्षमता वाले किसी भी इलेक्ट्रोड को मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड को किसी अन्य इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा जा सकता है। जिसके लिए क्षमता पहले ही प्राप्त की जा चुकी है और अज्ञात मूल्य स्थापित किया जा सकता है।

चूंकि इलेक्ट्रोड क्षमता को पारंपरिक रूप से कमी की क्षमता के रूप में परिभाषित किया जाता है। समग्र सेल क्षमता की गणना करते समय धातु इलेक्ट्रोड के ऑक्सीकरण होने की क्षमता का संकेत उलटा होना चाहिए। इलेक्ट्रोड क्षमता स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या से स्वतंत्र होती है, वे वोल्ट में व्यक्त की जाती हैं, जो प्रति इलेक्ट्रॉन हस्तांतरित ऊर्जा को मापती हैं और इसलिए दो इलेक्ट्रोड क्षमता को कुल मिलाकर सेल की क्षमता देने के लिए जोड़ा जा सकता है, यदि विभिन्न संख्या में दो इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं इलेक्ट्रॉन सम्मलित हों।

व्यावहारिक मापन के लिए, विचाराधीन इलेक्ट्रोड विद्युतमापी के सकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है, जबकि मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड नकारात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है।

प्रतिवर्ती इलेक्ट्रोड

See also: Reversible hydrogen electrode

प्रतिवर्ती इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोड है जो प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया के लिए अपनी क्षमता का श्रेय देता है। पूरी होने वाली पहली शर्त यह है कि सिस्टम रासायनिक संतुलन के करीब है। शर्तों का दूसरा सेट यह है कि सिस्टम को पर्याप्त समयावधि में फैले बहुत छोटे आग्रहों के लिए प्रस्तुत किया जाता है, ताकि रासायनिक संतुलन की स्थिति लगभग सदैव बनी रहे। सिद्धांत रूप में, प्रयोगात्मक रूप से उत्क्रमणीय स्थितियों को प्राप्त करना बहुत मुश्किल है क्योंकि परिमित समय में संतुलन के पास प्रणाली पर लगाया गया कोई भी गड़बड़ी इसे संतुलन से बाहर कर देती है। हालांकि, अगर सिस्टम पर लगाए गए आग्रह पर्याप्त रूप से छोटे हैं और धीरे-धीरे लागू होते हैं, तो इलेक्ट्रोड को प्रतिवर्ती माना जा सकता है। स्वभाव से, इलेक्ट्रोड प्रतिवर्तीता प्रायोगिक स्थितियों और इलेक्ट्रोड के संचालन के तरीके पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोप्लेटिंग में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड को धातु की सतह पर संरक्षित होने के लिए दिए गए धातु केशन को कम करने के लिए मजबूर करने के लिए उच्च क्षमता के साथ संचालित किया जाता है। इस तरह की प्रणाली संतुलन से बहुत दूर है और कम समय में महत्वपूर्ण और निरंतर परिवर्तनों के लिए लगातार प्रस्तुत की जाती है। इलेक्ट्रोप्लेटिंग में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड प्रतिवर्ती प्रणाली का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं और उनके उपयोग के दौरान भी खपत होते हैं।

मानक कमी संभावित तालिका

Main article: Standard electrode potential (data page)

See also: Table of standard reduction potentials for half-reactions important in biochemistry

मानक कमी क्षमता का मूल्य जितना बड़ा होगा, तत्व को कम करना (इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करना) उतना ही आसान होगा; दूसरे शब्दों में, वे बेहतर ऑक्सीकरण एजेंट हैं।

उदाहरण के लिए, एफ₂ +2.87 V और Li की मानक कमी क्षमता है⁺ में -3.05 वी है।

F
₂(जी) + 2 e⁻⇌ 2 F⁻
= +2.87 वी

Li⁺
+  e⁻⇌  Li(s) = -3.05 वी

एफ की अत्यधिक सकारात्मक मानक कमी क्षमता₂ इसका मतलब है कि यह आसानी से कम हो जाता है और इसलिए यह अच्छा ऑक्सीकरण एजेंट है। इसके विपरीत, ली की बहुत नकारात्मक मानक कमी क्षमता⁺ इंगित करता है कि यह आसानी से कम नहीं होता है। इसके बजाय, ली_(s) बल्कि ऑक्सीकरण से गुजरना होगा (इसलिए यह अच्छा कम करने वाला एजेंट है)।

Zn²⁺ की मानक कमी क्षमता -0.76 V है और इस प्रकार इसे किसी भी अन्य इलेक्ट्रोड द्वारा ऑक्सीकृत किया जा सकता है जिसकी मानक कमी क्षमता -0.76 V (जैसे, H) से अधिक है⁺ (0 वी), घन²⁺ (0.34 वी), एफ₂ (2.87 वी)) और -0.76 वी (जैसे एच) से कम मानक कमी क्षमता वाले किसी भी इलेक्ट्रोड द्वारा रेडॉक्स किया जा सकता है₂ (−2.23 वी), ना⁺ (−2.71 वी), ली⁺ (−3.05 वी))।

गैल्वेनिक सेल में, जहां सहज प्रक्रिया रेडॉक्स प्रतिक्रिया सेल को विद्युत क्षमता उत्पन्न करने के लिए प्रेरित करती है, गिब्स मुक्त ऊर्जा $\Delta G^{\ominus }$ निम्नलिखित समीकरण के अनुसार नकारात्मक होना चाहिए।

$\Delta G_{cell}^{\ominus }=-nFE_{cell}^{\ominus }$ (इकाई। जूल = कूलम्ब × वोल्ट)

कहाँ n उत्पादों के प्रति मोल इलेक्ट्रॉनों के मोल (इकाई) की संख्या है और F फैराडे स्थिरांक है, ~ 96 485 C/mol.

इस प्रकार, निम्नलिखित नियम लागू होते हैं।

अगर $E_{cell}^{\ominus }$ > 0, तो प्रक्रिया सहज है (गैल्वेनिक सेल)। $\Delta G_{cell}^{\ominus }$ < 0, और ऊर्जा मुक्त होती है।

अगर $E_{cell}^{\ominus }$ <0, तो प्रक्रिया गैर-सहज (इलेक्ट्रोलाइटिक सेल) है। $\Delta G_{cell}^{\ominus }$ > 0, और ऊर्जा की खपत होती है।

इस प्रकार सहज प्रतिक्रिया करने के लिए ($\Delta G_{cell}^{\ominus }$ < 0), $E_{cell}^{\ominus }$सकारात्मक होना चाहिए, जहां।

$E_{cell}^{\ominus }=E_{cathode}^{\ominus }-E_{anode}^{\ominus }$

कहाँ $E_{cathode}^{\ominus }$ कैथोड पर मानक क्षमता है (जिसे मानक कैथोडिक क्षमता या मानक कमी क्षमता कहा जाता है और $E_{anode}^{\ominus }$ एनोड पर मानक क्षमता है (जिसे मानक एनोडिक क्षमता या मानक ऑक्सीकरण क्षमता कहा जाता है) जैसा कि मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (डेटा पृष्ठ) में दिया गया है।

यह भी देखें

• नर्नस्ट समीकरण
• पौरबाइक्स आरेख
• सॉल्वेटेड इलेक्ट्रॉन
• मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (डेटा पृष्ठ)
• मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (एसएचई)
• जैव रसायन में महत्वपूर्ण अर्ध-प्रतिक्रियाओं के लिए मानक कमी की क्षमता की तालिका | जैव रासायनिक रूप से प्रासंगिक रेडॉक्स क्षमता (डेटा पृष्ठ)

अग्रिम पठन

• Zumdahl, Steven S., Zumdahl, Susan A (2000) Chemistry (5th ed.), Houghton Mifflin Company. ISBN 0-395-98583-8
• Atkins, Peter, Jones, Loretta (2005) Chemical Principles (3rd ed.), W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-5701-X
• Zu, Y, Couture, MM, Kolling, DR, Crofts, AR, Eltis, LD, Fee, JA, Hirst, J (2003) Biochemistry, 42, 12400-12408
• Shuttleworth, SJ (1820) Electrochemistry (50th ed.), Harper Collins.

बाहरी संबंध

• Standard Electrode Potentials table
• Redox Equilibria
• Chemistry of Batteries
• Electrochemical Cells
• STEP in Non-aqueous solvent