அலகு 13 — மின் இரசாயனவியல்

முழுமையான பார்வை — இவ்வலகு ஏன் முக்கியம்?

மின் இரசாயனவியல் (electrochemistry) என்பது இரசாயன மாற்றத்திற்கும் மின்சக்திக்கும் இடையிலான தொடர்பைக் கற்கும் பிரிவாகும். ஒட்சியேற்றம் (oxidation) மற்றும் ஒட்சிஇறக்கம் (reduction) ஆகிய இரண்டும் ஒரே சேர்வையில் ஒருசேர நிகழும்போது இலத்திரன்கள் (electrons) ஒரு பொருளிலிருந்து மற்றொன்றுக்கு இடமாற்றமடைகின்றன. இவ்விலத்திரன் இடமாற்றத்தை ஒரு வெளிச்சுற்று (external circuit) வழியாக நடத்தச் செய்தால் மின்னோட்டம் உருவாகின்றது; எதிர்த் திசையில் ஒரு மின்மூலத்தை இணைத்தால் தாமாக நிகழாத ஒரு தாக்கத்தை வலிந்து நிகழ்த்த முடியும். இந்த இருதிசைத் தொடர்பே இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கருவாகும்.

கல்வனிக் கலம் (galvanic cell) என்பது ஒரு தாமாக நிகழும் ஒட்சியேற்ற–ஒட்சிஇறக்கத் தாக்கத்தை மின்சக்தியாக மாற்றும் சாதனமாகும்; நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் கலங்களும் மின்கலங்களும் (batteries) இவ்வாறே செயற்படுகின்றன. மின் பகுப்பு (electrolysis) என்பது இதன் நேர்மாறான செயற்பாடாகும் — வெளியிலிருந்து வழங்கப்படும் மின்சக்தியைப் பயன்படுத்தித் தாமாக நிகழாத ஒரு இரசாயனத் தாக்கத்தை வலிந்து நடத்துகின்றது. உலோகங்களைச் சுத்திகரித்தல், மின்முலாம் பூசுதல் (electroplating), அலுமினியம் போன்ற வினைத்திறன் கூடிய உலோகங்களைப் பிரித்தெடுத்தல், குளோரின் மற்றும் சோடியம் ஐதரொட்சைட்டைத் தயாரிக்கும் குளோர்–அல்கலி தொழிற்துறை (chlor-alkali industry) ஆகியன மின் பகுப்பின் நேரடிப் பயன்பாடுகளாகும்.

இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு

இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு ஒரு தொடர் சிந்தனையாக அமைகின்றது. ஒவ்வொரு மின்வாயிலும் (electrode) ஒரு குறிப்பிட்ட ஒட்சியேற்ற–ஒட்சிஇறக்கச் சமநிலை உருவாகின்றது; இச்சமநிலையின் போக்கு அந்த மின்வாயின் நியம மின்வாய் அழுத்தத்தால் (standard electrode potential, E°) அளவிடப்படுகின்றது. இரண்டு வெவ்வேறு மின்வாய்களை இணைத்தால், அவற்றின் மின்வாய் அழுத்த வேறுபாடு கலத்தின் மின்னியக்கு விசையாக (electromotive force, EMF) வெளிப்படுகின்றது. மின் பகுப்பில் இதன் எதிர்ச் செயற்பாடு நிகழ்கின்றது — வழங்கப்படும் மின்னோட்டத்தின் அளவே வெளியேறும் விளைபொருளின் அளவைத் தீர்மானிக்கின்றது.

கடத்துதிறன் — அயன்கள் மின்சாரத்தைக் கடத்துகின்றன — மின்பகுபொருள் (electrolyte) கரைசல்களில் மின்னோட்டத்தைக் கடத்துவது அந்தந்தச் சுதந்திர அயன்களே. வன்மின்பகுபொருட்கள் (strong electrolytes) கரைசலில் முற்றாக அயனாக்கமடைகின்றன; மென்மின்பகுபொருட்கள் (weak electrolytes) பகுதியளவு மட்டுமே அயனாக்கமடைகின்றன. மோலார் கடத்துதிறன் (molar conductivity) செறிவு குறையும்போது கூடுகின்றது.
மின்வாய்கள் — ஒவ்வொன்றும் ஓர் அளவிடத்தக்க அழுத்தத்தைக் கொண்டுள்ளது — ஒரு மின்வாயும் அதன் கரைசலும் சேர்ந்து ஓர் அரைக்கலத்தை (half-cell) உருவாக்குகின்றன. அந்த அரைக்கலத்தின் ஒட்சியேற்ற–ஒட்சிஇறக்கப் போக்கு நியம மின்வாய் அழுத்தத்தால் வெளிப்படுகின்றது; இவ்வழுத்தம் நியம ஐதரசன் மின்வாயை (standard hydrogen electrode, SHE) அடிப்படையாகக் கொண்டு (E° = 0.00 V) அளவிடப்படுகின்றது.
கலங்கள் — மின்வாய் அழுத்த வேறுபாடே மின்னியக்கு விசையைத் தருகின்றது — இரண்டு அரைக்கலங்களை உப்புப் பாலத்தினால் (salt bridge) இணைத்தால் கல்வனிக் கலம் உருவாகின்றது. அதிக அழுத்தமுள்ள மின்வாயில் ஒட்சிஇறக்கம் (கதோடு) நிகழ்கின்றது; குறைந்த அழுத்தமுள்ள மின்வாயில் ஒட்சியேற்றம் (அனோடு) நிகழ்கின்றது. கலத்தின் மின்னியக்கு விசை E°_கலம் = E°_{கதோடு} − E°_{அனோடு} எனக் கணிக்கப்படுகின்றது.
மின் பகுப்பு — மின்சக்தி தாமாக நிகழாத தாக்கத்தை நடத்துகின்றது — மின் பகுப்புக் கலத்தில் வெளி மின்மூலம் இலத்திரன்களை அனோட்டிலிருந்து இழுத்துக் கதோட்டுக்குத் தள்ளுகின்றது. கதோட்டில் ஒட்சிஇறக்கமும் அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமும் நிகழ்கின்றன. கடந்து செல்லும் மின்னூட்டத்தின் (charge) அளவே வெளியேறும் விளைபொருளின் அளவைத் தீர்மானிக்கின்றது — இதுவே பரடேயின் விதிகள் (Faraday's laws).

இவ்வலகின் முக்கியமான ஒற்றை எண்ணக்கரு பின்வருமாறு அமைகின்றது. கல்வனிக் கலமும் மின் பகுப்புக் கலமும் ஒரே ஒட்சியேற்ற–ஒட்சிஇறக்கத் தாக்கத்தின் இரு எதிர்த் திசைகளாகும். கல்வனிக் கலத்தில் தாமாக நிகழும் தாக்கம் மின்சக்தியைத் தருகின்றது (E°_கலம் நேர் ஏற்றம்); மின் பகுப்புக் கலத்தில் வழங்கப்படும் மின்சக்தி தாமாக நிகழாத தாக்கத்தை வலிந்து நடத்துகின்றது. இரண்டிலும் கதோட்டில் ஒட்சிஇறக்கமும் அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமும் நிகழ்கின்றன என்னும் ஒரே விதியே பொருந்துகின்றது.

கல்வனிக் கலம் தாமாக நிகழும் தாக்கத்தை மின்சக்தியாக மாற்றுகின்றது; மின் பகுப்புக் கலம் மின்சக்தியைப் பயன்படுத்தித் தாமாக நிகழாத தாக்கத்தை நடத்துகின்றது. இரண்டிலும் கதோட்டில் ஒட்சிஇறக்கமும் அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமும் நிகழ்கின்றன.

முந்தைய அலகுகளுடன் இணைப்பு

இவ்வலகு அலகு 3 இல் கற்ற ஒட்சியேற்றம்–ஒட்சிஇறக்கம் (redox) எண்ணக்கருவின் மீது நேரடியாகக் கட்டியெழுப்பப்படுகின்றது. ஒட்சியேற்ற எண் (oxidation number), அரைத் தாக்கங்கள் (half-reactions), ஒட்சியேற்றி, ஒட்சிஇறக்கி ஆகிய அடிப்படைக் கருத்துகள் இங்கு மின்வாய்த் தாக்கங்களாக மீண்டும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. மேலும், இவ்வலகின் மின்வாய் அழுத்தமும் மின்னியக்கு விசையும் ஆற்றலியலுடன் (energetics) தொடர்புடையவை — ஒரு தாமாக நிகழும் தாக்கத்தின் கிப்சின் சுதந்திர ஆற்றல் மாற்றம் (ΔG) எதிர் ஏற்றமாக இருப்பதைப் போலவே, தாமாக நிகழும் கலத்தின் E°_கலம் நேர் ஏற்றமாக அமைகின்றது. அலகு 12 இல் கற்ற இரசாயனச் சமநிலை எண்ணக்கரு இங்கு நேர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டில் (Nernst equation) — செறிவு மாற்றம் மின்வாய் அழுத்தத்தைப் பாதிக்கும் முறையில் — மீண்டும் வெளிப்படுகின்றது.

இவ்வலகு உள்ளடக்கும் பகுதிகள்

இவ்வலகு NIE பாடநூலின் மூன்றாம் அலகின் 3.1 முதல் 3.4 வரையான பிரிவுகளை உள்ளடக்குகின்றது. பகுதிகள் பின்வருமாறு அமைகின்றன.

3.1 கடத்துதிறன் (Conductivity) — மின்பகுபொருள் கடத்துதல், வன் மற்றும் மென் மின்பகுபொருட்கள், மோலார் கடத்துதிறன் (molar conductivity), கடத்துதிறனைப் பாதிக்கும் காரணிகள் — செறிவு, வெப்பநிலை, அயனின் வகை — ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
3.2 சமநிலையில் மின்வாய்கள் (Electrodes at equilibrium) — மின்வாய்ச் சமநிலை, நியம மின்வாய் அழுத்தம், நியம ஐதரசன் மின்வாய் (SHE), மற்றும் நான்கு வகை மின்வாய்கள் — உலோக–உலோக அயன் மின்வாய், உலோக–கரையாத உப்பு மின்வாய், வாயு மின்வாய், மாற்றேற்று மின்வாய் (redox electrode) — இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
3.3 மின் இரசாயனக் கலங்கள் (Electrochemical cells) — கல்வனிக் கலத்தை அமைத்தல், உப்புப் பாலத்தின் பணி, கலக் குறியீடு (cell notation), மின்னியக்கு விசை E°_கலம் = E°_{கதோடு} − E°_{அனோடு}, நேர்ன்ஸ்ட் சமன்பாடு, மற்றும் முதன்மை, இரண்டாம்நிலை, எரிபொருள் (fuel) மற்றும் செறிவுக் கலங்கள் (concentration cells) இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
3.4 மின் பகுப்பு (Electrolysis) — நீர், CuSO₄ கரைசல், NaCl நீர்க்கரைசல், உருகிய NaCl ஆகியவற்றை மின்பகுத்தல், பரடேயின் விதிகள் (Faraday's laws), மற்றும் கல்வனிக் கலத்தையும் மின் பகுப்புக் கலத்தையும் ஒப்பிடுதல் இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.

முன்னோக்கிய இணைப்புகள்

இவ்வலகில் கற்கும் மின் இரசாயன எண்ணக்கருக்கள் தொழிற்துறை இரசாயன அலகுகளுக்கு நேரடி அடிப்படையாக அமைகின்றன. அலகு 14 இல் கற்கப்படும் தொழிற்துறை இரசாயனம் — குளோர்–அல்கலி செயற்பாடு, அலுமினியம் பிரித்தெடுத்தல், உலோகச் சுத்திகரிப்பு — அனைத்தும் மின் பகுப்பின் நேரடிப் பயன்பாடுகளாகும். கல்வனிக் கலக் கருத்துகள் உலோக அரிமானம் (corrosion) மற்றும் அதனைத் தடுக்கும் காவல் முறைகளையும் விளக்குகின்றன. எனவே இவ்வலகின் மின்வாய் அழுத்தமும் மின் பகுப்பு விதிகளும் தெளிவாக இல்லாவிட்டால் தொழிற்துறை அலகுகளைக் கற்பது கடினமாகும்.

பொதுவான தவறுகள் — கவனமாக இருக்க

கல்வனிக் கலத்திலும் மின் பகுப்புக் கலத்திலும் அனோடு–கதோடு அடையாளக் குழப்பம் — கல்வனிக் கலத்தில் அனோடு எதிர் ஏற்றமுடையது, கதோடு நேர் ஏற்றமுடையது; மின் பகுப்புக் கலத்தில் இது நேர்மாறானது. ஆயினும் இரண்டிலுமே அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமும் கதோட்டில் ஒட்சிஇறக்கமும் நிகழ்கின்றன — இதுவே நிலையான விதி.
E°_கலம் சமன்பாட்டில் அனோட்டின் அழுத்தத்தைக் கூட்டுதல் — சரியான சூத்திரம் E°_கலம் = E°_{கதோடு} − E°_{அனோடு} ஆகும். இரு மதிப்புகளையும் ஒட்சிஇறக்க அழுத்தங்களாகவே (reduction potentials) எடுத்துக் கழித்தல் வேண்டும்.
நியம ஐதரசன் மின்வாயின் E° ஐ ஒரு கணித மதிப்பாகக் கருதுதல் — SHE இன் E° = 0.00 V என்பது ஒரு கருத்தளவில் ஏற்கப்பட்ட சார்பு மட்டம் (reference); இது எல்லா மின்வாய் அழுத்தங்களையும் அளவிடுவதற்கான தளமாக மட்டுமே அமைகின்றது.
NaCl நீர்க்கரைசலின் மின் பகுப்பு விளைபொருளை உருகிய NaCl உடன் குழப்புதல் — உருகிய NaCl இல் கதோட்டில் Na உலோகம் வெளியேறுகின்றது; ஆனால் NaCl நீர்க்கரைசலில் கதோட்டில் நீர் ஒட்சிஇறக்கமடைந்து H₂ வெளியேறுகின்றது. நீரின் இருப்பு விளைபொருளை மாற்றுகின்றது.
பரடேயின் விதியில் இலத்திரன்களின் எண்ணிக்கையை விட்டுவிடுதல் — n = Q/(zF) என்பதில் z என்பது ஒரு அயனுக்குத் தேவைப்படும் இலத்திரன்களின் எண்ணிக்கையாகும். Cu²⁺ க்கு z = 2; Ag⁺ க்கு z = 1 — இதனைச் சரியாகப் பயன்படுத்த வேண்டும்.

தேர்வாளர் குறிப்பு

இவ்வலகு பௌதிக இரசாயனத்தின் கணிப்பு சார்ந்த பகுதியாகும்; வினாக்கள் கருத்து விளக்கத்தையும் எண் கணிப்பையும் ஒருசேரக் கோருகின்றன. பகுதி I இன் MCQ வினாக்களில் வன்/மென் மின்பகுபொருளை இனங்காணுதல், கல்வனிக் கலத்தில் அனோடு–கதோட்டை அடையாளம் காணுதல், மின் பகுப்பு விளைபொருளைத் தெரிவு செய்தல், E°_கலம் ஐக் கணித்தல் ஆகியன அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றன. பகுதி II இன் கட்டமைப்பு வினாக்களில், ஒரு கல்வனிக் கலத்தை வரைந்து கலக் குறியீட்டை எழுதுதல், மின்னியக்கு விசையைக் கணித்தல், நேர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்துதல், பரடேயின் விதிகள் வழியாக வெளியேறும் நிறை அல்லது வாயுப் பருமனைக் கணித்தல் என்பன வழமையானவை. சூத்திரங்களை மனனம் செய்வதைவிட, ஒட்சியேற்றமும் ஒட்சிஇறக்கமும் எங்கு நிகழ்கின்றன என்னும் அடிப்படை விதியைப் புரிந்துகொள்வதே மதிப்பெண் பெறுவதற்கான திறவுகோலாகும்.

மின்வேதியியல் கண்ணோட்டம்
*Electrochemistry overview*
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

← அலகு 13