அலகு 13 — வினாத்தொகுப்பு
மின்னிரசாயனம் (Electrochemistry) எனும் அலகின் எல்லா உட்தலைப்புகளையும் — மின்பகுபொருள் மின்கடத்தல், மூலர் கடத்துத்திறன், மின்வாய் அழுத்தம், நியம ஐதரசன் மின்வாய், கல்வானிக் கலம், மின்னியக்கு விசை, நேர்ன்சற் சமன்பாடு, மின்னாற்பகுப்பு, பரடேயின் விதிகள் — உள்ளடக்கிய வினாத்தொகுப்பு இது. முதல் பகுதியில் வினாத்தாள் I வகையான பல்தேர்வு வினாக்களும், இரண்டாவது பகுதியில் வினாத்தாள் II வகையான கட்டமைப்பு வினாக்களும் தரப்பட்டுள்ளன. ஒவ்வொரு வினாவையும் முழுமையாகச் சிந்தித்த பின்னரே விடையைப் பார்க்க வேண்டும்.
மின்னிரசாயன வினாக்களை ஒரே வழியில் அணுகலாம் — முதலில் கருதப்படும் அமைப்பு ஒரு கல்வானிக் கலமா (galvanic cell, இரசாயனச் சக்தியை மின்சக்தியாக மாற்றுவது, தானியல்பாக நிகழ்வது) அல்லது ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலமா (electrolytic cell, மின்சக்தியைக் கொடுத்து இரசாயனத் தாக்கத்தை நிகழ்த்துவது) என்பதைத் தீர்மானித்தல்; அடுத்து எங்கு ஒட்சியேற்றம் நிகழ்கின்றது என்பதைப் பார்த்து அதை அனோட்டாகவும், எங்கு ஒட்சிஇறக்கம் (தாழ்த்தல்) நிகழ்கின்றது என்பதைப் பார்த்து அதைக் கதோட்டாகவும் இனங்காணல்; இறுதியில் நியம மின்வாய் அழுத்தங்களை (standard electrode potentials) ஒப்பிட்டு மின்னியக்கு விசையையும் (EMF) தாக்கத்தின் தானியல்புத்தன்மையையும் (spontaneity) முடிவுசெய்தல்.
பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்
ஒவ்வொரு வினாவுக்கும் (1)–(5) என்னும் ஐந்து விடைகளில் சரியான ஒன்றைத் தெரிவு செய்க.
1. ஒரு மின்பகுபொருளின் (electrolyte) கரைசலினூடாக மின்னோட்டம் கடத்தப்படும்போது மின்னோட்டத்தைச் சுமந்து செல்வது எது?
(1) கரைசலிலுள்ள இலத்திரன்கள் (2) நகரும் அயன்கள் (3) நடுநிலை மூலக்கூறுகள் (4) புரோத்தன்கள் மட்டும் (5) நியூத்திரன்கள்
விடை: (2). ஒரு உலோகக் கம்பியில் மின்னோட்டத்தைச் சுமந்து செல்வது இலத்திரன்கள்; ஆனால் ஒரு மின்பகுபொருள் கரைசலில் அல்லது உருகிய மின்பகுபொருளில் மின்னோட்டத்தைச் சுமந்து செல்வது நகரும் அயன்கள் ஆகும். நேர் அயன்கள் (கற்றயன்கள்) எதிர்மின்வாயை நோக்கியும், எதிர் அயன்கள் (அனயன்கள்) நேர்மின்வாயை நோக்கியும் இடம்பெயர்வதால் மின்னோட்டம் கடத்தப்படுகின்றது. இதனால் கூடவே மின்வாய்களில் இரசாயனத் தாக்கங்களும் நிகழ்கின்றன.
2. பின்வருவனவற்றுள் ஒரு வலுவான மின்பகுபொருளுக்கு (strong electrolyte) உதாரணம் எது?
(1) எத்தனாயிக் அமிலம் (CH₃COOH) (2) அம்மோனியா (NH₃) (3) சோடியம் குளோரைடு (NaCl) (4) சீனி (sucrose) (5) தூய நீர்
விடை: (3). ஒரு வலுவான மின்பகுபொருள் நீரில் கிட்டத்தட்ட முழுமையாக அயனாகி அதிக எண்ணிக்கையான அயன்களைத் தருகின்றது; எனவே அது மின்சாரத்தை நன்கு கடத்துகின்றது. சோடியம் குளோரைடு போன்ற அயனிகச் சேர்வைகள் முழுமையாக அயனாவதால் வலுவான மின்பகுபொருள்கள். எத்தனாயிக் அமிலமும் அம்மோனியாவும் பகுதியாக மட்டுமே அயனாவதால் வலுவற்ற மின்பகுபொருள்கள்; சீனியும் தூய நீரும் அயனாகாது மின்சாரத்தைக் கடத்தாமையால் மின்பகுபொருள்கள் அல்ல.
3. ஒரு வலுவற்ற மின்பகுபொருளின் கரைசலை நீர்க்கச் செய்யும்போது அதன் மூலர் கடத்துத்திறன் (molar conductivity, Λ) கூர்மையாக அதிகரிக்கின்றது. இதற்குக் காரணம் என்ன?
(1) அயன்களின் எண்ணிக்கை குறைகின்றது (2) நீர்க்கப்படுவதால் அயனாக்கத் தராதரம் (degree of ionisation) அதிகரிக்கின்றது (3) வெப்பநிலை குறைகின்றது (4) கரைப்பானின் பாகுநிலை அதிகரிக்கின்றது (5) அயன்களின் ஏற்றம் மாறுகின்றது
விடை: (2). மூலர் கடத்துத்திறன் என்பது ஒரு மூல் மின்பகுபொருளால் தரப்படும் எல்லா அயன்களின் கடத்துத்திறன். ஒரு வலுவற்ற மின்பகுபொருள் பகுதியாக மட்டுமே அயனாகின்றது; நீர்க்கப்படும்போது சமநிலை அயனாக்கத்தின் பக்கம் நகர்வதால் அயனாக்கத் தராதரம் அதிகரித்து ஒரு மூலிலிருந்து கிடைக்கும் அயன்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கின்றது; எனவே மூலர் கடத்துத்திறன் கூர்மையாக ஏறுகின்றது. வலுவான மின்பகுபொருளில் அயன்கள் ஏற்கனவே முழுமையாக உள்ளதால் இவ்வளவு பெரிய மாற்றம் இல்லை.
4. பின்வரும் காரணிகளுள் எது ஒரு மின்பகுபொருளின் மூலர் கடத்துத்திறனை பாதிக்காது?
(1) வெப்பநிலை (2) கரைசலின் செறிவு (3) அயன்களின் இயல்பும் ஏற்றமும் (4) கரைப்பானின் இயல்பு (5) கரைசலை வைத்திருக்கும் கொள்கலனின் நிறம்
விடை: (5). மூலர் கடத்துத்திறன் வெப்பநிலை அதிகரிக்க அதிகரிக்கின்றது (அயன்களின் இயக்கம் கூடுகின்றது); செறிவைப் பொறுத்து மாறுகின்றது (வலுவற்ற மின்பகுபொருளில் நீர்க்க அதிகரிக்கின்றது); அயன்களின் ஏற்றமும் அளவும் அவற்றின் இயக்கத் திறனைத் தீர்மானிக்கின்றன; கரைப்பானின் பாகுநிலையும் பௌதிக இயல்பும் அயன் இயக்கத்தைப் பாதிக்கின்றன. ஆனால் கொள்கலனின் நிறம் என்பது மின்கடத்தலுடன் தொடர்பற்ற ஒரு பண்பாதலால் அது மூலர் கடத்துத்திறனைப் பாதிக்காது.
5. நியம ஐதரசன் மின்வாயின் (Standard Hydrogen Electrode, SHE) நியம மின்வாய் அழுத்தம் வரையறையின்படி எவ்வளவு?
(1) +1.00 V (2) −1.00 V (3) 0.00 V (4) +0.76 V (5) +0.34 V
விடை: (3). எந்த ஒரு மின்வாயின் அழுத்தத்தையும் தனித்து அளவிட முடியாது; எப்போதும் இரு மின்வாய்களின் வேறுபாட்டையே அளவிட முடியும். எனவே ஒரு குறிப்பு மின்வாய் தேவைப்படுகின்றது. நியம ஐதரசன் மின்வாயின் அழுத்தம் எல்லா வெப்பநிலையிலும் சரியாக 0.00 V எனத் தெரிவாக வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது. இது 298 K இல், 1 bar அழுத்தத்தில் ஐதரசன் வாயு, 1 mol dm⁻³ H⁺ அயன் செறிவு, பிளாற்றினம் தகடு என்னும் நியம நிலைகளில் அமைகின்றது. மற்ற எல்லா மின்வாய் அழுத்தங்களும் இதனுடன் ஒப்பிட்டே அளவிடப்படுகின்றன.
6. Zn²⁺(aq)/Zn(s) மின்வாயின் நியம தாழ்த்தல் அழுத்தம் −0.76 V; Cu²⁺(aq)/Cu(s) மின்வாயின் நியம தாழ்த்தல் அழுத்தம் +0.34 V. இவ்விரண்டையும் இணைத்துச் செய்யப்படும் கல்வானிக் கலத்தில் அனோட்டாகச் செயல்படுவது எது?
(1) செப்பு மின்வாய் (2) நாகம் மின்வாய் (3) இரண்டுமே (4) எதுவுமில்லை (5) உப்புப் பாலம்
விடை: (2). ஒரு கல்வானிக் கலத்தில் குறைந்த (அதிக எதிர்) தாழ்த்தல் அழுத்தமுடைய மின்வாயே எளிதாக ஒட்சியேற்றமடைகின்றது; எனவே அது அனோட்டாகச் (oxidation நிகழும் இடம்) செயல்படுகின்றது. நாகத்தின் தாழ்த்தல் அழுத்தம் (−0.76 V) செப்பின் தாழ்த்தல் அழுத்தத்தைவிடக் (+0.34 V) குறைவாதலால் நாகம் எளிதாக ஒட்சியேற்றமடைந்து Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ எனத் தாக்கமுறுகின்றது; எனவே நாகம் மின்வாயே அனோட்டு. செப்பு மின்வாயில் Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu எனத் தாழ்த்தல் நிகழ்வதால் அது கதோட்டு.
7. ஒரு கல்வானிக் கலத்தில் உப்புப் பாலத்தின் (salt bridge) பணி யாது?
(1) இலத்திரன்களைக் கடத்துதல் (2) இரு அரைக்கலங்களின் மின்பகுபொருட்களைக் கலக்கச் செய்தல் (3) மின்சுற்றை நிறைவு செய்து இரு அரைக்கலங்களிலும் மின்நடுநிலையைப் பேணுதல் (4) கலத்தின் EMF ஐ அதிகரித்தல் (5) ஒட்சியேற்றத்தைத் தடுத்தல்
விடை: (3). உப்புப் பாலம் ஒரு திரவ சந்தியை (liquid junction) உருவாக்கி, அயன்கள் ஊடாக நகர அனுமதித்து மின்சுற்றை நிறைவு செய்கின்றது. தாக்கம் நிகழும்போது அனோட்டுப் பக்கத்தில் நேர் அயன்கள் கூடி அப்பகுதி நேர் ஏற்றம் பெறவும், கதோட்டுப் பக்கத்தில் எதிர் அயன்கள் கூடவும் நேரிடும்; உப்புப் பாலம் இரு பக்கங்களுக்கும் அயன்களை வழங்கி இந்த ஏற்றக் குவிப்பைச் சமன்செய்து மின்நடுநிலையைப் பேணுகின்றது. இது இலத்திரன்களைக் கடத்துவதில்லை; இரு கரைசல்களையும் கலக்கவும் விடுவதில்லை.
8. Zn(s) | Zn²⁺(aq) ‖ Cu²⁺(aq) | Cu(s) எனும் கல நிரல் (cell notation) குறிக்கும் கல்வானிக் கலம் தொடர்பாகக் கீழ்வரும் எக்கூற்று சரியானது?
(1) வலதுபக்க மின்வாய் அனோட்டு (2) இடதுபக்க மின்வாய் அனோட்டு, ஒட்சியேற்றம் அங்கு நிகழ்கின்றது (3) ‖ குறியீடு உலோகக் கம்பியைக் குறிக்கின்றது (4) இலத்திரன்கள் செப்பிலிருந்து நாகத்துக்குப் பாய்கின்றன (5) கதோட்டில் ஒட்சியேற்றம் நிகழ்கின்றது
விடை: (2). கல நிரல் வழக்கப்படி இடதுபக்கம் அனோட்டும் (ஒட்சியேற்றம்), வலதுபக்கம் கதோட்டும் (தாழ்த்தல்) என எழுதப்படுகின்றது. ஒற்றைக் கோடு (|) ஒரு மின்வாய்/கரைசல் இடைமுகத்தையும், இரட்டைக் கோடு (‖) உப்புப் பாலத்தையும் குறிக்கின்றன. இங்கு நாகம் (இடதுபக்கம்) அனோட்டாக ஒட்சியேற்றமடைகின்றது; இலத்திரன்கள் வெளிச்சுற்றினூடாக நாகத்திலிருந்து செப்பை நோக்கிப் பாய்கின்றன; கதோட்டாகிய செப்பில் தாழ்த்தல் நிகழ்கின்றது.
9. Cu²⁺/Cu (E° = +0.34 V) மற்றும் Ag⁺/Ag (E° = +0.80 V) மின்வாய்களைக் கொண்ட கல்வானிக் கலத்தின் நியம மின்னியக்கு விசை (EMF) எவ்வளவு?
(1) +0.46 V (2) +1.14 V (3) −0.46 V (4) +1.26 V (5) +0.34 V
விடை: (1). கலத்தின் நியம மின்னியக்கு விசை E°cell = E°cathode − E°anode எனும் சூத்திரத்தால் கணிக்கப்படுகின்றது. அதிக தாழ்த்தல் அழுத்தமுடைய மின்வாயே கதோட்டு; எனவே வெள்ளி மின்வாய் (+0.80 V) கதோட்டு, செப்பு மின்வாய் (+0.34 V) அனோட்டு. E°cell = (+0.80) − (+0.34) = +0.46 V. EMF நேர்க்குறியாக இருப்பதால் இக்கலத் தாக்கம் தானியல்பாக நிகழக்கூடியது.
10. ஒரு கல்வானிக் கலத் தாக்கம் தானியல்பாக (spontaneous) நிகழுமா என்பதை எது தீர்மானிக்கின்றது?
(1) E°cell இன் பெறுமானம் நேராக இருத்தல் (2) E°cell எதிராக இருத்தல் (3) E°cell சுன்னமாக இருத்தல் (4) கலத்தின் வெப்பநிலை மட்டும் (5) மின்வாய்களின் அளவு
விடை: (1). ஒரு கலத் தாக்கத்தின் தானியல்புத்தன்மை அதன் நியம மின்னியக்கு விசையின் குறியால் தீர்மானிக்கப்படுகின்றது. E°cell நேர்க்குறியாக (E°cell > 0) இருந்தால் அத்தாக்கம் தானியல்பாக நிகழும்; இது ΔG° = −nFE°cell எனும் தொடர்புடன் இணைகின்றது — E°cell நேராக இருந்தால் ΔG° எதிராகி தாக்கம் தானியல்பாகும். E°cell எதிராக இருந்தால் தாக்கம் தானியல்பாக நிகழாது; எதிர்த்தாக்கமே தானியல்பாகும்.
11. நேர்ன்சற் சமன்பாட்டின்படி (Nernst equation), ஒரு Cu²⁺/Cu மின்வாயில் Cu²⁺ அயன் செறிவைக் குறைத்தால் மின்வாய் அழுத்தத்துக்கு (E) என்ன நிகழும்?
(1) அதிகரிக்கும் (2) குறையும் (3) மாறாது (4) சுன்னமாகும் (5) குறிமாறும்
விடை: (2). நேர்ன்சற் சமன்பாடு E = E° − (RT/nF) ln Q எனத் தாழ்த்தல் அழுத்தம் அயன் செறிவைப் பொறுத்து எவ்வாறு மாறுகின்றது என்பதைத் தருகின்றது. தாழ்த்தல் தாக்கம் Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu இல் Cu²⁺ வினைபடி; அதன் செறிவு குறையும்போது தாழ்த்தல் சமநிலை இடதுபுறம் தள்ளப்பட்டு தாழ்த்தல் வினைச் சாத்தியம் குறைகின்றது; எனவே மின்வாய் அழுத்தம் (E) குறைகின்றது. மாறாக, Cu²⁺ செறிவை அதிகரித்தால் E அதிகரிக்கும்.
12. பின்வருவனவற்றுள் மீள்வலுவூட்டக்கூடிய ஒரு இரண்டாம்நிலை கலத்துக்கு (secondary cell) உதாரணம் எது?
(1) உலர்கலம் (dry cell) (2) ஈய-அமிலச் சேமக்கலம் (lead–acid accumulator) (3) ஐதரசன்–ஒட்சிசன் எரிபொருட் கலம் (4) டானியல் கலம் (5) செறிவுக் கலம்
விடை: (2). ஒரு முதலாம்நிலைக் கலம் (primary cell, எ.கா. உலர்கலம்) தனது இரசாயனப் பொருட்கள் தீர்ந்தபின் மீள்வலுவூட்ட முடியாது; கலத் தாக்கம் மீளாதது. ஒரு இரண்டாம்நிலைக் கலம் மின்னோட்டத்தை எதிர்த்திசையில் செலுத்திக் கலத் தாக்கத்தை மீளக் காட்டலாம்; எனவே மீள்வலுவூட்டக்கூடியது. ஈய-அமிலச் சேமக்கலம் இதற்கு ஒரு சிறந்த உதாரணம் — வாகனங்களில் பயன்படுகின்றது. எரிபொருட் கலம் வேறுபட்ட வகை; வினைபடிகள் தொடர்ந்து வழங்கப்படுகின்றன.
13. அமிலமாக்கப்பட்ட நீரின் (acidified water) மின்னாற்பகுப்பின்போது அனோட்டிலும் கதோட்டிலும் கிடைக்கும் வாயுக்கள் முறையே யாவை?
(1) கதோட்டு O₂, அனோட்டு H₂ (2) கதோட்டு H₂, அனோட்டு O₂ (3) இரண்டிலும் H₂ (4) இரண்டிலும் O₂ (5) கதோட்டு Cl₂, அனோட்டு H₂
விடை: (2). அமிலமாக்கப்பட்ட நீரில் மின்னோட்டம் செலுத்தப்படும்போது கதோட்டில் தாழ்த்தல் நிகழ்ந்து ஐதரசன் வாயு வெளியேறுகின்றது: 4H⁺(aq) + 4e⁻ → 2H₂(g). அனோட்டில் ஒட்சியேற்றம் நிகழ்ந்து ஒட்சிசன் வாயு வெளியேறுகின்றது: 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻. மொத்தத் தாக்கம் நீரின் சிதைவே; கிடைக்கும் H₂ : O₂ கனவளவு விகிதம் 2 : 1. சேர்க்கப்பட்ட H₂SO₄ அயன்களை வழங்கி மின்கடத்தலை எளிதாக்குகின்றது; ஆனால் தானே நுகரப்படுவதில்லை.
14. செப்பு மின்வாய்களைப் பயன்படுத்தி CuSO₄(aq) ஐ மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போது நிகழ்வது எது?
(1) கதோட்டில் O₂ வெளியேறும் (2) அனோட்டு செப்பு கரைந்து கதோட்டில் செப்பு படிகின்றது (3) இரு மின்வாய்களிலும் வாயுக்கள் வெளியேறும் (4) கரைசலின் நிறம் விரைவாக மறைகின்றது (5) எந்த மாற்றமும் இல்லை
விடை: (2). மின்வாய்களே செப்பு என்பதால் அவை தாக்கத்தில் பங்கேற்கின்றன. அனோட்டில் செப்பு உலோகம் ஒட்சியேற்றமடைந்து கரைகின்றது: Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻. கதோட்டில் கரைசலிலுள்ள Cu²⁺ அயன்கள் தாழ்த்தலடைந்து செப்பாகப் படிகின்றன: Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s). எனவே செப்பு அனோட்டிலிருந்து கதோட்டுக்கு இடம்பெயர்கின்றது; கரைசலிலுள்ள Cu²⁺ செறிவு கிட்டத்தட்ட மாறாதிருப்பதால் நீலநிறம் பேணப்படுகின்றது. செப்பு மின்முலாம் பூசலின் (electroplating) அடிப்படை இதுவே.
15. வினைபடாத (inert) பிளாற்றினம் மின்வாய்களைப் பயன்படுத்தி நீர்த்த CuSO₄(aq) ஐ மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போது அனோட்டில் கிடைப்பது எது?
(1) செப்பு உலோகம் (2) ஐதரசன் வாயு (3) ஒட்சிசன் வாயு (4) சல்பர் டையொட்சைட்டு (5) குளோரின் வாயு
விடை: (3). மின்வாய்கள் வினைபடாதவை என்பதால் அவை தாக்கத்தில் பங்கேற்பதில்லை. கதோட்டில் Cu²⁺ அயன்கள் தாழ்த்தலடைந்து செப்பாகப் படிகின்றன (Cu²⁺ ஐதரசனைவிட எளிதாகத் தாழ்த்தலடைகின்றது). அனோட்டில் SO₄²⁻ அயனை ஒட்சியேற்றுவது மிகக் கடினமாதலால், அதற்குப் பதிலாக நீர் ஒட்சியேற்றமடைந்து ஒட்சிசன் வாயு வெளியேறுகின்றது: 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻. எனவே செப்பு மின்வாயைப் பயன்படுத்துவதற்கும் வினைபடாத மின்வாயைப் பயன்படுத்துவதற்கும் அனோட்டுத் தயாரிப்பு வேறுபடுகின்றது.
16. செறிந்த NaCl(aq) ஐ வினைபடாத மின்வாய்களால் மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போது (குளோர்-காரத் தொழிற்செயல்முறை) அனோட்டிலும் கதோட்டிலும் கிடைப்பது முறையே என்ன?
(1) அனோட்டு O₂, கதோட்டு H₂ (2) அனோட்டு Cl₂, கதோட்டு H₂ (3) அனோட்டு Cl₂, கதோட்டு Na (4) அனோட்டு H₂, கதோட்டு Cl₂ (5) இரண்டிலும் O₂
விடை: (2). செறிந்த NaCl கரைசலில் அனோட்டில், செறிந்த நிலையில் Cl⁻ அயனின் அதிக செறிவு காரணமாக நீரைவிட Cl⁻ விருப்பத்துடன் ஒட்சியேற்றமடைந்து குளோரின் வாயு வெளியேறுகின்றது: 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻. கதோட்டில் Na⁺ அயன் தாழ்த்தலடைவது மிகக் கடினமாதலால், அதற்குப் பதிலாக நீர் தாழ்த்தலடைந்து ஐதரசன் வாயு வெளியேறுகின்றது: 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq). எஞ்சும் கரைசலில் Na⁺ உம் OH⁻ உம் சேர்ந்து சோடியம் ஐதராக்சைட்டு உருவாகின்றது — இதுவே குளோர்-காரத் தொழிற்செயல்முறை.
17. உருகிய (molten) NaCl ஐ மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போது (டௌன்சு கலம், Downs cell) கதோட்டில் கிடைப்பது எது?
(1) ஐதரசன் வாயு (2) சோடியம் உலோகம் (3) ஒட்சிசன் வாயு (4) சோடியம் ஐதராக்சைட்டு (5) குளோரின் வாயு
விடை: (2). உருகிய NaCl இல் நீர் இல்லை; உள்ளவை Na⁺ அயன்களும் Cl⁻ அயன்களும் மட்டுமே. எனவே நீருடன் போட்டியின்றி, கதோட்டில் Na⁺ அயன்கள் தாழ்த்தலடைந்து திரவ சோடியம் உலோகம் கிடைக்கின்றது: Na⁺ + e⁻ → Na(l). அனோட்டில் Cl⁻ ஒட்சியேற்றமடைந்து குளோரின் வாயு வெளியேறுகின்றது: 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻. இவ்வாறே சோடியம் உலோகம் தொழிற்துறையில் தயாரிக்கப்படுகின்றது; நீர்க்கரைசலில் சோடியம் ஒருபோதும் கதோட்டில் கிடைப்பதில்லை, ஏனெனில் அங்கு நீர் விருப்பத்துடன் தாழ்த்தலடைகின்றது.
18. ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட அயன்கள் ஒரு மின்வாயில் வெளியேற முடியுமாயின், எந்த அயன் வெளியேறுகின்றது என்பதை முதன்மையாகத் தீர்மானிப்பது எது (தெரிவுமுறை வெளியேற்றம், selective discharge)?
(1) அயனின் நிறம் (2) அயனின் தாழ்த்தல்/ஒட்சியேற்ற அழுத்தம், செறிவு மற்றும் மிகைஅழுத்தம் (3) அயனின் திணிவு மட்டும் (4) கொள்கலனின் வடிவம் (5) மின்வாய்களின் நீளம்
விடை: (2). தெரிவுமுறை வெளியேற்றம் மூன்று காரணிகளால் தீர்மானிக்கப்படுகின்றது. முதலில், நியம மின்வாய் அழுத்தம் — கதோட்டில் அதிக (அதிக நேர்) தாழ்த்தல் அழுத்தமுடைய அயனும், அனோட்டில் எளிதாக ஒட்சியேற்றமடையும் அயனும் முன்னுரிமை பெறுகின்றன. இரண்டாவது, அயன்களின் செறிவு — செறிந்த NaCl இல் Cl⁻ இன் அதிக செறிவு அதை வெளியேற்ற உதவுகின்றது. மூன்றாவது, மிகைஅழுத்தம் (overpotential) — சில வாயுக்கள் வெளியேற எதிர்பார்த்ததைவிட அதிக அழுத்தம் தேவைப்படுவதால் வெளியேற்ற வரிசை மாறலாம். எனவே அழுத்தம், செறிவு, மிகைஅழுத்தம் ஆகிய மூன்றுமே ஒன்றாகக் கருதப்படுகின்றன.
19. பரடேயின் முதலாம் விதியின்படி (Faraday's first law), ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் ஒரு மின்வாயில் வெளியேறும் பொருளின் திணிவு எதற்கு நேர்விகிதசமமாகின்றது?
(1) கலத்தினூடாகச் செலுத்தப்பட்ட ஏற்றத்தின் அளவுக்கு (Q) (2) கலத்தின் வெப்பநிலைக்கு (3) மின்வாய்களின் பரப்பளவுக்கு (4) கரைசலின் கனவளவுக்கு (5) மின்வாய்களுக்கு இடையான தூரத்துக்கு
விடை: (1). பரடேயின் முதலாம் விதி — ஒரு மின்வாயில் வெளியேறும் (அல்லது படியும்) பொருளின் திணிவு, கலத்தினூடாகச் செலுத்தப்பட்ட மின்னேற்றத்தின் அளவுக்கு (Q) நேர்விகிதசமமாகின்றது. செலுத்தப்பட்ட ஏற்றம் Q = It (I = மின்னோட்டம், t = நேரம்); செலுத்தப்படும் இலத்திரன்களின் மூல்கள் = Q ÷ F, இங்கு F ≈ 96500 C mol⁻¹ எனும் பரடே மாறிலி. அதிக ஏற்றம் செலுத்தப்படின் அதிக இலத்திரன்கள் கைமாறி அதிக பொருள் வெளியேறுகின்றது.
20. ஒரு கலத்தினூடாக 2 A மின்னோட்டம் 9650 செக்கனுக்குச் செலுத்தப்படுகின்றது. செலுத்தப்பட்ட இலத்திரன்களின் மூல்கள் எத்தனை? (F = 96500 C mol⁻¹)
(1) 0.10 mol (2) 0.20 mol (3) 0.50 mol (4) 1.00 mol (5) 2.00 mol
விடை: (2). முதலில் செலுத்தப்பட்ட ஏற்றம் Q = It = 2 A × 9650 s = 19300 C. செலுத்தப்பட்ட இலத்திரன்களின் மூல்கள் = Q ÷ F = 19300 ÷ 96500 = 0.20 mol. இது பரடேயின் விதிகளைப் பயன்படுத்தும் கணித்தல்களின் முதற்படி — செலுத்தப்பட்ட இலத்திரன் மூல்களைக் கண்டபின்னரே வெளியேறும் பொருளின் திணிவையோ வாயுவின் கனவளவையோ கணிக்கலாம்.
21. ஒரு கல்வானிக் கலத்தையும் ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தையும் ஒப்பிடும்போது கீழ்வரும் எக்கூற்று சரியானது?
(1) இரண்டிலும் தாக்கம் தானியல்பாகவே நிகழ்கின்றது (2) கல்வானிக் கலத்தில் இரசாயனச் சக்தி மின்சக்தியாகும்; மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் மின்சக்தி இரசாயனத் தாக்கத்தை இயக்குகின்றது (3) இரண்டிலும் அனோட்டு நேர்மின்வாய் (4) கல்வானிக் கலத்துக்கு வெளி மின்மூலம் தேவை (5) மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் ஒட்சியேற்றம் நிகழ்வதில்லை
விடை: (2). ஒரு கல்வானிக் கலத்தில் தானியல்பாக நிகழும் ஒரு தாக்கம் (E°cell > 0) இரசாயனச் சக்தியை மின்சக்தியாக மாற்றுகின்றது; வெளி மின்மூலம் தேவையில்லை. ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் தானியல்பாக நிகழாத ஒரு தாக்கத்தை நிகழ்த்த வெளியிலிருந்து மின்சக்தி வழங்கப்படுகின்றது. இரு வகைக் கலங்களிலும் அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமும் கதோட்டில் தாழ்த்தலும் நிகழ்கின்றன; ஆனால் கல்வானிக் கலத்தில் அனோட்டு எதிர்மின்வாயாகவும், மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் அனோட்டு நேர்மின்வாயாகவும் இருக்கின்றது.
22. ஒரு செறிவுக் கலம் (concentration cell) ஒரே உலோகத்தாலான இரு மின்வாய்களைக் கொண்டிருந்தும் ஒரு மின்னியக்கு விசையைத் தருகின்றது. இதற்குக் காரணம் என்ன?
(1) இரு மின்வாய்களும் வேறுபட்ட உலோகங்கள் (2) இரு அரைக்கலங்களிலும் அயன் செறிவுகள் வேறுபடுகின்றன (3) வெப்பநிலை வேறுபடுகின்றது (4) உப்புப் பாலம் இல்லாமை (5) வெளி மின்மூலம் இணைக்கப்பட்டுள்ளது
விடை: (2). ஒரு செறிவுக் கலத்தில் இரு மின்வாய்களும் ஒரே பொருளாலானவை; ஆனால் அவை மூழ்கியுள்ள கரைசல்களின் அயன் செறிவுகள் வேறுபடுகின்றன. நேர்ன்சற் சமன்பாட்டின்படி ஒரு மின்வாயின் அழுத்தம் அயன் செறிவைப் பொறுத்தது; எனவே வெவ்வேறு செறிவுள்ள இரு அரைக்கலங்கள் வெவ்வேறு அழுத்தங்களைக் கொண்டிருந்து அவற்றுக்கிடையே ஒரு அழுத்த வேறுபாட்டை — அதாவது ஒரு மின்னியக்கு விசையைத் — தருகின்றன. கலம் செயல்படும்போது இரு கரைசல்களின் செறிவுகளும் சமன்படும் திசையில் தாக்கம் நகர்கின்றது.
பகுதி II — கட்டமைப்பு வினாக்கள்
அனைத்துப் படிகளையும் காட்டி, மாதிரி விடையுடன் ஒப்பிடுக.
(அ) ஒரு வலுவான மின்பகுபொருளுக்கும் (strong electrolyte) ஒரு வலுவற்ற மின்பகுபொருளுக்கும் (weak electrolyte) இடையிலான வேறுபாட்டை, அயனாக்கத் தராதரத்தின் அடிப்படையில் விளக்கி, ஒவ்வொன்றுக்கும் ஓர் உதாரணம் தருக. (ஆ) மூலர் கடத்துத்திறன் (molar conductivity) என்றால் என்ன என வரைவிலக்கணம் தருக. (இ) ஒரு வலுவற்ற மின்பகுபொருளின் கரைசலை நீர்க்கச் செய்யும்போது அதன் மூலர் கடத்துத்திறன் ஏன் கூர்மையாக அதிகரிக்கின்றது எனக் காரணம் கூறுக.
(ஆ) மூலர் கடத்துத்திறன் (Λ) என்பது ஒரு மூல் மின்பகுபொருளால் தரப்படும் எல்லா அயன்களும் சேர்ந்து தரும் கடத்துத்திறன்; அதாவது தனிக் கடத்துத்திறனை (κ) கரைசலின் மூலர் செறிவால் வகுத்துப் பெறப்படுவது, Λ = κ ÷ c.
(இ) ஒரு வலுவற்ற மின்பகுபொருளில் அயன்களை வழங்குவது அயனாக்கச் சமநிலையே. கரைசலை நீர்க்கச் செய்யும்போது சமநிலை அயனாக்கத்தின் பக்கம் (லெ ஷத்தலியேயின் தத்துவப்படி) நகர்கின்றது; எனவே அயனாக்கத் தராதரம் அதிகரித்து ஒரு மூலிலிருந்து கிடைக்கும் அயன்களின் மொத்த எண்ணிக்கை அதிகரிக்கின்றது. இதனால் மூலர் கடத்துத்திறன் கூர்மையாக ஏறுகின்றது. வலுவான மின்பகுபொருளில் அயன்கள் ஏற்கனவே முழுமையாக உள்ளதால் இவ்வளவு பெரிய மாற்றம் காணப்படுவதில்லை.
(அ) நியம மின்வாய் அழுத்தம் (standard electrode potential) என்றால் என்ன என வரைவிலக்கணம் தருக; ஏன் ஒரு குறிப்பு மின்வாய் தேவைப்படுகின்றது எனக் கூறுக. (ஆ) நியம ஐதரசன் மின்வாயின் (Standard Hydrogen Electrode) அமைப்பையும் அது செயற்படும் நியம நிலைகளையும் விவரிக்க. (இ) AL பாடத்திட்டத்தில் கூறப்படும் நான்கு வகை மின்வாய்களையும் — உலோகம்/உலோக அயன், உலோகம்/கரையாத உப்பு, வாயு மின்வாய், ஒட்சியேற்ற-தாழ்த்தல் மின்வாய் — ஒவ்வொன்றுக்கும் ஓர் உதாரணத்துடன் சுருக்கமாகக் கூறுக.
(ஆ) நியம ஐதரசன் மின்வாய் — பிளாற்றினம் கறுப்பு பூசப்பட்ட ஒரு பிளாற்றினம் தகடு, 1 mol dm⁻³ H⁺ அயன் கரைசலில் மூழ்கியிருக்கும்; அதன் மேல் 1 bar அழுத்தத்தில் தூய ஐதரசன் வாயு 298 K இல் குமிழியாகச் செலுத்தப்படுகின்றது. இம்மின்வாயின் அழுத்தம் தெரிவாக 0.00 V என வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது; மற்ற எல்லா மின்வாய் அழுத்தங்களும் இதனுடன் ஒப்பிட்டே அளவிடப்படுகின்றன.
(இ) உலோகம்/உலோக அயன் மின்வாய் — ஒரு உலோகம் அதன் அயன் கரைசலில் (எ.கா. Zn(s)/Zn²⁺(aq)). உலோகம்/கரையாத உப்பு மின்வாய் — ஒரு உலோகம், அதன் கரையாத உப்பு, அந்த உப்பின் அயன் கரைசல் (எ.கா. கலோமல் மின்வாய், Ag(s)/AgCl(s)/Cl⁻(aq)). வாயு மின்வாய் — ஒரு வாயு, அதன் அயன் கரைசலுடன், வினைபடாத பிளாற்றினம் தகட்டின் மேல் (எ.கா. Pt/H₂(g)/H⁺(aq), Pt/Cl₂(g)/Cl⁻(aq)). ஒட்சியேற்ற-தாழ்த்தல் மின்வாய் — ஒரே மூலகத்தின் இரு வேறுபட்ட ஒட்சியேற்ற நிலையிலான அயன்கள் வினைபடாத மின்வாயுடன் (எ.கா. Pt/Fe²⁺(aq), Fe³⁺(aq)).
(அ) ஒரு கல்வானிக் கலம் (galvanic cell) எவ்வாறு அமைக்கப்படுகின்றது என்பதைச் சித்திரத்துடன் விளக்கி, அனோட்டு, கதோட்டு, உப்புப் பாலம் ஆகியவற்றின் பணிகளைக் கூறுக. (ஆ) ஒரு டானியல் கலத்தின் (Zn–Cu) அரைத்தாக்கங்களையும் மொத்தத் தாக்கத்தையும் எழுதி, அதன் கல நிரலை (cell notation) வரைக. (இ) வெளிச்சுற்றில் இலத்திரன்கள் எத்திசையில் பாய்கின்றன, அயன்கள் உப்புப் பாலத்தில் எத்திசையில் நகர்கின்றன எனக் கூறுக.
(ஆ) அனோட்டுத் தாக்கம் (ஒட்சியேற்றம்): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻. கதோட்டுத் தாக்கம் (தாழ்த்தல்): Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s). மொத்தத் தாக்கம்: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s). கல நிரல்: Zn(s) | Zn²⁺(aq) ‖ Cu²⁺(aq) | Cu(s) — இடதுபக்கம் அனோட்டு, வலதுபக்கம் கதோட்டு; | என்பது மின்வாய்/கரைசல் இடைமுகம், ‖ என்பது உப்புப் பாலம்.
(இ) வெளிச்சுற்றில் இலத்திரன்கள் அனோட்டிலிருந்து (நாகம்) கதோட்டை (செப்பு) நோக்கிப் பாய்கின்றன. உப்புப் பாலத்தில் — நேர் அயன்கள் (கற்றயன்கள்) கதோட்டு அரைக்கலத்தை நோக்கியும், எதிர் அயன்கள் (அனயன்கள்) அனோட்டு அரைக்கலத்தை நோக்கியும் நகர்ந்து ஒவ்வொரு பக்கத்திலும் ஏற்றத்தைச் சமன்செய்கின்றன.
பின்வரும் நியம தாழ்த்தல் அழுத்தங்கள் தரப்பட்டுள்ளன:
Mg²⁺(aq) + 2e⁻ → Mg(s), E° = −2.37 V;
Fe²⁺(aq) + 2e⁻ → Fe(s), E° = −0.44 V.
(அ) இவ்விரண்டு மின்வாய்களையும் இணைத்து ஒரு கல்வானிக் கலம் அமைக்கும்போது எது
அனோட்டு, எது கதோட்டு எனக் காரணத்துடன் கூறுக. (ஆ) E°cell =
E°cathode − E°anode எனும் சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி
கலத்தின் நியம மின்னியக்கு விசையைக் கணிக்க. (இ) கணிக்கப்பட்ட EMF இன் குறியின்
அடிப்படையில் இக்கலத் தாக்கம் தானியல்பாக நிகழுமா எனக் கூறி, மொத்தக் கலத்
தாக்கத்தை எழுதுக.
(ஆ) E°cell = E°cathode − E°anode = E°(Fe²⁺/Fe) − E°(Mg²⁺/Mg) = (−0.44 V) − (−2.37 V) = −0.44 + 2.37 = +1.93 V.
(இ) E°cell = +1.93 V, இது நேர்க்குறி ஆதலால் இக்கலத் தாக்கம் தானியல்பாக நிகழக்கூடியது (E°cell > 0 எனின் ΔG° = −nFE°cell எதிராகி தாக்கம் தானியல்பாகும்). மொத்தக் கலத் தாக்கம்: Mg(s) + Fe²⁺(aq) → Mg²⁺(aq) + Fe(s).
வினைபடாத மின்வாய்களைப் பயன்படுத்தி அமிலமாக்கப்பட்ட நீரை மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும் ஒரு கலத்தினூடாக 5.0 A மின்னோட்டம் 32 நிமிடம் 10 செக்கனுக்குச் செலுத்தப்படுகின்றது. (F = 96500 C mol⁻¹; H இன் மூலர் திணிவு 1 g mol⁻¹; நியம வெப்பநிலை-அழுத்தத்தில் ஒரு வாயுவின் ஒரு மூல் கனவளவு 22400 cm³). (அ) கலத்தினூடாகச் செலுத்தப்பட்ட மொத்த ஏற்றத்தையும் (Q) செலுத்தப்பட்ட இலத்திரன்களின் மூல்களையும் கணிக்க. (ஆ) கதோட்டில் வெளியேறும் ஐதரசன் வாயுவின் திணிவைக் கணிக்க. (இ) நியம வெப்பநிலை-அழுத்தத்தில் வெளியேறும் ஐதரசன் வாயுவின் கனவளவைக் கணிக்க.
(ஆ) கதோட்டுத் தாக்கம்: 2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g). எனவே 2 mol இலத்திரன் 1 mol H₂ ஐத் தருகின்றது; வெளியேறும் H₂ இன் மூல்கள் = 0.10 ÷ 2 = 0.05 mol. H₂ இன் மூலர் திணிவு = 2 g mol⁻¹. H₂ இன் திணிவு = 0.05 mol × 2 g mol⁻¹ = 0.10 g.
(இ) நியம வெப்பநிலை-அழுத்தத்தில் H₂ இன் கனவளவு = மூல்கள் × 22400 cm³ = 0.05 × 22400 = 1120 cm³ (அதாவது 1.12 dm³).
(அ) செப்பு மின்வாய்களைப் பயன்படுத்தி CuSO₄(aq) ஐ மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போதும், வினைபடாத மின்வாய்களைப் பயன்படுத்தி அதே கரைசலை மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போதும் அனோட்டில் நிகழும் தாக்கங்களை எழுதி, அவை ஏன் வேறுபடுகின்றன எனக் காரணம் கூறுக. (ஆ) செறிந்த NaCl(aq) ஐ மின்னாற்பகுப்புச் செய்யும்போது அனோட்டில் ஏன் ஒட்சிசனைவிட குளோரின் வெளியேறுகின்றது எனத் தெரிவுமுறை வெளியேற்றத்தின் (selective discharge) அடிப்படையில் விளக்குக. (இ) ஒரு கல்வானிக் கலத்தையும் ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தையும் — சக்தி மாற்றம், தாக்கத்தின் தானியல்புத்தன்மை, அனோட்டின் ஏற்றம் ஆகிய மூன்று அம்சங்களில் — ஒப்பிடுக.
(ஆ) அனோட்டில் ஒட்சியேற்றமடைய முடியும் இனங்கள் Cl⁻ உம் H₂O உம். நியம மின்வாய் அழுத்தங்கள் மட்டும் பார்த்தால் நீர் ஒட்சியேற்றமடைந்து O₂ வெளியேற வேண்டும்; ஆனால் இரண்டு காரணிகள் Cl⁻ க்கு உதவுகின்றன — முதலில், செறிந்த NaCl இல் Cl⁻ இன் அதிக செறிவு அதன் ஒட்சியேற்றத்தை விருப்பமாக்குகின்றது; இரண்டாவது, ஒட்சிசன் வெளியேற்றத்துக்கான மிகைஅழுத்தம் (overpotential) அதிகமாதலால் நீரை ஒட்சியேற்றுவது நடைமுறையில் கடினமாகின்றது. இவ்விரு காரணிகளும் சேர்ந்து அனோட்டில் குளோரின் வெளியேற்றத்தை முதன்மைப்படுத்துகின்றன.
(இ) சக்தி மாற்றம்: கல்வானிக் கலம் இரசாயனச் சக்தியை மின்சக்தியாக மாற்றுகின்றது; மின்னாற்பகுப்புக் கலம் மின்சக்தியை இரசாயனச் சக்தியாக மாற்றுகின்றது. தானியல்புத்தன்மை: கல்வானிக் கலத் தாக்கம் தானியல்பானது (E°cell > 0); மின்னாற்பகுப்புக் கலத் தாக்கம் தானியல்பற்றது, வெளி மின்மூலம் தேவை. அனோட்டின் ஏற்றம்: கல்வானிக் கலத்தில் அனோட்டு எதிர்மின்வாய்; மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தில் அனோட்டு நேர்மின்வாய். (இரு கலங்களிலும் ஒட்சியேற்றம் அனோட்டிலேயே நிகழ்கின்றது.)