அலகு 13 — விரைவு திரும்பப் பார்வை

1. மின்பகுபொருள் மின்கடத்தலும் மூலர் கடத்துத்திறனும் (≈ 1 நிமிடம்)

• மின்பகுபொருள் உருகிய அல்லது கரைசல் நிலையில் இயங்கும் அயன்களை ஆக்கி மின்னோட்டத்தைக் கடத்துகின்றது; உலோகத்தில் இலத்திரன்கள் கடத்துகின்றன, மின்பகுபொருளில் அயன்கள் கடத்துகின்றன.
• வன்மின்பகுபொருள் (NaCl, HCl, NaOH) நீரில் முற்றாக அயனாகின்றது; மென்மின்பகுபொருள் (CH₃COOH, NH₃) பகுதியளவே அயனாகின்றது.
• தனித்துப் பெறு கடத்துத்திறன் (κ) கரைசலின் கடத்தும் ஆற்றலை அளக்கின்றது; மூலர் கடத்துத்திறன் Λₘ = κ / c.
• செறிவு குறையும்போது Λₘ கூடுகின்றது; வன்மின்பகுபொருளுக்கு வரைபு கிட்டத்தட்ட நேர்கோடாக இருந்து c → 0 இல் எல்லையற்ற நீர்த்தலில் மூலர் கடத்துத்திறன் (Λₘ°) தருகின்றது; மென்மின்பகுபொருளுக்கு வரைபு கூர்மையாக உயர்வதால் நீட்டித்து Λₘ° பெற முடியாது.

2. நியம மின்வாய் அழுத்தமும் நியம ஐதரசன் மின்வாயும் (≈ 1 நிமிடம்)

• ஒரு மின்வாயின் தனிமுழுமையான அழுத்தத்தை அளக்க முடியாது; எனவே ஒரு குறிப்புமின்வாயுடன் ஒப்பிட்டே அளக்கப்படுகின்றது.
• நியம ஐதரசன் மின்வாய் (SHE) — 298 K இல், 1 bar அமுக்கத்தில் H₂ வாயு, 1 mol dm⁻³ H⁺ அயன் கரைசலில் மூழ்கிய பிளாட்டின (Pt) மின்வாய்; இதன் E° = 0.00 V எனக் கொள்ளப்படுகின்றது.
• நியம மின்வாய் அழுத்தம் (E°) — 298 K, அயனுக்கு 1 mol dm⁻³ செறிவு, வாயுவுக்கு 1 bar அமுக்கம் எனும் நியம நிலையில், SHE உடன் ஒப்பிட்டு அளக்கப்படும் தாழ்த்தேற்ற அழுத்தம்.
• E° நேராயின் அவ்வினம் H⁺ ஐ விட இலகுவாகத் தாழ்த்தேற்றப்படுகின்றது; E° எதிராயின் இலகுவாக ஒட்சியேற்றமடைகின்றது.

3. நான்கு மின்வாய் வகைகளும் கல்வானிக் கலமும் (≈ 1 நிமிடம்)

• உலோக–உலோக அயன் மின்வாய்: அதன் அயன் கரைசலில் மூழ்கிய உலோகம் (Cu|Cu²⁺).
• உலோக–கரையாத உப்பு மின்வாய்: அதன் கரையாத உப்புப் படலத்தால் மூடப்பட்ட உலோகம் (கலோமல் மின்வாய், Ag|AgCl) — குறிப்புமின்வாயாகப் பயன்படுகின்றது.
• வாயு மின்வாய்: ஒரு வாயுவும் அதன் அயனும் சேர்ந்த தொகுதி, பிளாட்டின மேற்பரப்பில் (H₂ மின்வாய், Cl₂ மின்வாய்).
• தாழ்த்தேற்ற மின்வாய்: ஓர் அயனின் இரு ஒட்சியேற்ற நிலைகள் சடத்துவ (inert) பிளாட்டின மின்வாயில் தொடுவது (Pt|Fe³⁺,Fe²⁺).
• கல்வானிக் கலம் இரு அரைக்கலங்களை உப்புப் பாலத்தால் இணைத்து, தன்னிச்சையான தாக்கத்திலிருந்து மின்சக்தியைத் தருகின்றது; அனோடில் ஒட்சியேற்றம், கதோடில் ஒட்சிஇறக்கம்.
• கல வரிபடம்: அனோடு | அனோடு அயன் ‖ கதோடு அயன் | கதோடு — எ.கா. Zn|Zn²⁺‖Cu²⁺|Cu.

4. மின்னியக்கு விசையும் நேர்ன்சற் சமன்பாடும் (≈ 1 நிமிடம்)

• கலத்தின் மின்னியக்கு விசை E°_கலம் = E°_{கதோடு} − E°_{அனோடு}; கூடிய E° உடைய மின்வாயே கதோடாகும்.
• E°_கலம் நேராயின் ΔG° = −nFE°_கலம் எதிராகி, தாக்கம் தன்னிச்சையானது.
• நேர்ன்சற் சமன்பாடு நியம நிலையற்ற செறிவுகளில் அழுத்தத்தைத் தருகின்றது: E = E° − (RT/nF) ln Q; 298 K இல் E = E° − (0.059/n) log Q.
• செறிவு வேறுபடும்போது மின்வாய் அழுத்தமும் கலத்தின் EMF உம் மாறுகின்றன; சமநிலையில் E = 0, Q = K.

5. கலங்களின் வகைகள், மின்னாற்பகுப்பு, பரடேயின் விதிகள் (≈ 1 நிமிடம்)

• முதன்மைக் கலம் மீளவைக்க முடியாது; இரண்டாம் கலம் மீளவைக்கக் கூடியது; எரிபொருள் கலம் எரிபொருள் தொடர்ச்சியாக வழங்கப்படும்; செறிவுக் கலம் செறிவு வேறுபாட்டாலேயே EMF தருகின்றது.
• ஐந்து மின்னாற்பகுப்புக் கலங்கள் — நீர் (கதோடு H₂, அனோடு O₂); CuSO₄ Cu மின்வாயுடன் (கதோடு Cu படிதல், அனோடு Cu கரைதல்); CuSO₄ சடத்துவ மின்வாயுடன் (கதோடு Cu, அனோடு O₂); NaCl நீர்க்கரைசல் / குளோர்–அல்கலி (கதோடு H₂, அனோடு Cl₂); உருகிய NaCl / டவுன்ஸ் கலம் (கதோடு Na, அனோடு Cl₂).
• பரடேயின் முதலாம் விதி — வெளிப்படும் பொருளின் நிறை கடந்த மின்னூட்டத்திற்கு (Q = It) நேர்விகிதசமம்.
• பரடேயின் இரண்டாம் விதி — இலத்திரன்களின் மோல் எண்ணிக்கை = Q / F; F ≈ 96500 C mol⁻¹.
• கல்வானிக் vs மின்பகுப்புக் கலம் — கல்வானிக் தன்னிச்சையானது (இரசாயன → மின்சக்தி); மின்பகுப்புக் கலம் தன்னிச்சையற்றது (மின்சக்தி → இரசாயன).

பிரிவு 1: மின்பகுபொருள் மின்கடத்தலும் மூலர் கடத்துத்திறனும் (3 நி)

மின்னிரசாயனம் (electrochemistry) என்பது இரசாயனத் தாக்கங்களுக்கும் மின்சக்திக்கும் இடையிலான தொடர்பை ஆராயும் இரசாயனவியலின் கிளை. ஒரு மின்பகுபொருள் (electrolyte) உருகிய அல்லது கரைசல் நிலையில் இயங்கக் கூடிய அயன்களை ஆக்கி மின்னோட்டத்தைக் கடத்துகின்றது; உலோகங்களில் இலத்திரன்களே மின்னேற்றத்தைக் கடத்துகின்றன, ஆனால் மின்பகுபொருளில் நேர் அயன்களும் எதிர் அயன்களும் எதிர்த் திசைகளில் நகர்வதன் மூலம் மின்னோட்டம் கடத்தப்படுகின்றது. நீரில் முற்றாக அயனாகும் NaCl, HCl, NaOH போன்றவை வன்மின்பகுபொருள்கள்; பகுதியளவே அயனாகும் CH₃COOH, NH₃ போன்றவை மென்மின்பகுபொருள்கள். ஒரு கரைசலின் கடத்தும் ஆற்றலை அளக்க தனித்துப் பெறு கடத்துத்திறன் (κ) பயன்படுகின்றது; ஆனால் வெவ்வேறு செறிவுடைய கரைசல்களை ஒப்பிட மூலர் கடத்துத்திறன் (molar conductivity, Λₘ = κ / c) பயன்படுகின்றது. செறிவு குறையும்போது அயன்களுக்கிடையிலான இடைவினை குறைவதால் Λₘ கூடுகின்றது. வன்மின்பகுபொருளுக்கு Λₘ–√c வரைபு கிட்டத்தட்ட நேர்கோடாக இருப்பதால் அதை நீட்டித்து c → 0 இல் எல்லையற்ற நீர்த்தலில் மூலர் கடத்துத்திறனை (Λₘ°) பெறலாம்; ஆனால் மென்மின்பகுபொருளுக்கு வரைபு c சிறிதாகும்போது கூர்மையாக உயர்வதால் இவ்வாறு நீட்டித்து Λₘ° ஐ நேரடியாகப் பெற முடியாது.

பிரிவு 2: நியம மின்வாய் அழுத்தமும் நியம ஐதரசன் மின்வாயும் (3 நி)

ஒரு மின்வாய் அதன் அயன் கரைசலில் மூழ்கும்போது மின்வாய்க்கும் கரைசலுக்கும் இடையில் ஒரு மின்னழுத்த வேறுபாடு உருவாகின்றது; இது மின்வாய் அழுத்தம் (electrode potential) எனப்படுகின்றது. ஒரு தனிமின்வாயின் முழுமையான அழுத்தத்தை அளக்க முடியாது; எனவே அது ஒரு குறிப்புமின்வாயுடன் ஒப்பிட்டே அளக்கப்படுகின்றது. இதற்காகத் தெரிவுசெய்யப்பட்ட நியம மின்வாய் நியம ஐதரசன் மின்வாய் (Standard Hydrogen Electrode, SHE) ஆகும். இது 298 K வெப்பநிலையில், 1 bar அமுக்கத்தில் ஐதரசன் வாயு செலுத்தப்படும், 1 mol dm⁻³ செறிவுடைய H⁺ அயன் கரைசலில் மூழ்கிய பிளாட்டின (Pt) மின்வாயைக் கொண்டது; இதன் நியம மின்வாய் அழுத்தம் E° = 0.00 V எனக் கொள்ளப்படுகின்றது. ஒரு மின்வாயின் நியம மின்வாய் அழுத்தம் (E°) என்பது நியம நிலையில் — அயனுக்கு 1 mol dm⁻³ செறிவு, வாயுவுக்கு 1 bar அமுக்கம், 298 K வெப்பநிலை — அம்மின்வாயை SHE உடன் இணைத்து அளக்கப்படும் தாழ்த்தேற்ற அழுத்தமாகும். E° நேர்க் குறியுடையதாயின் அவ்வினம் H⁺ ஐ விட இலகுவாக ஒட்சிஇறக்கம் (தாழ்த்தேற்றம்) அடைகின்றது; E° எதிர்க் குறியுடையதாயின் அவ்வினம் இலகுவாக ஒட்சியேற்றம் அடைகின்றது. எனவே E° பெறுமானங்கள் ஒட்சியேற்றி / ஒட்சிஇறக்கியின் வலிமையை ஒப்பிடவும், கல்வானிக் கலத்தின் EMF ஐக் கணிக்கவும் பயன்படுகின்றன.

பிரிவு 3: நான்கு மின்வாய் வகைகளும் கல்வானிக் கலமும் (3 நி)

தாக்கத்தின் தன்மைக்கேற்ப மின்வாய்கள் நான்கு வகைப்படுகின்றன. உலோக–உலோக அயன் மின்வாய் ஒரு உலோகம் அதன் சொந்த அயன் கரைசலில் மூழ்கியது (Cu|Cu²⁺). உலோக–கரையாத உப்பு மின்வாய் ஒரு உலோகம் அதன் கரையாத உப்புப் படலத்தால் மூடப்பட்டு அப்பொது அயன் கரைசலில் மூழ்கியது — கலோமல் மின்வாய் (Hg|Hg₂Cl₂|Cl⁻) மற்றும் வெள்ளி–வெள்ளி குளோரைட்டு மின்வாய் (Ag|AgCl|Cl⁻) இதற்கு உதாரணங்கள்; இவை நிலையான அழுத்தம் தருவதால் குறிப்புமின்வாய்களாகப் பயன்படுகின்றன. வாயு மின்வாய் ஒரு வாயுவும் அதன் அயனும் சேர்ந்த தொகுதி, சடத்துவ பிளாட்டின மேற்பரப்பில் அமைந்தது (H₂ மின்வாய், Cl₂ மின்வாய்). தாழ்த்தேற்ற மின்வாய் ஒரே மூலகத்தின் இரு வேறு ஒட்சியேற்ற நிலைகளைக் கொண்ட கரைசலில் ஒரு சடத்துவ (inert) பிளாட்டின மின்வாய் தொடுவது (Pt|Fe³⁺,Fe²⁺). இரு அரைக்கலங்களை ஒரு உப்புப் பாலத்தால் (salt bridge) இணைத்தால் ஒரு கல்வானிக் கலம் (galvanic cell) அமைகின்றது; இது ஒரு தன்னிச்சையான தாழ்த்தேற்றத் தாக்கத்திலிருந்து மின்சக்தியைத் தருகின்றது. குறைந்த E° உடைய மின்வாய் அனோடு (anode) ஆகி அங்கு ஒட்சியேற்றம் நிகழ்கின்றது; கூடிய E° உடைய மின்வாய் கதோடு (cathode) ஆகி அங்கு ஒட்சிஇறக்கம் நிகழ்கின்றது. உப்புப் பாலம் சுற்றை நிறைவுசெய்து இரு கரைசல்களிலும் மின்நடுநிலையைப் பேணுகின்றது. கலம் கல வரிபடத்தால் குறிக்கப்படுகின்றது — அனோடு | அனோடு அயன் ‖ கதோடு அயன் | கதோடு; ஒற்றைக் கோடு கட்ட எல்லையையும், இரட்டைக் கோடு (‖) உப்புப் பாலத்தையும் குறிக்கின்றது (எ.கா. Zn|Zn²⁺‖Cu²⁺|Cu).

பிரிவு 4: மின்னியக்கு விசையும் நேர்ன்சற் சமன்பாடும் (3 நி)

ஒரு கல்வானிக் கலத்தின் இரு மின்வாய்களுக்கிடையிலான மின்னழுத்த வேறுபாடே மின்னியக்கு விசை (electromotive force, EMF) ஆகும்; நியம நிலையில் இது E°_கலம் = E°_{கதோடு} − E°_{அனோடு} எனக் கணிக்கப்படுகின்றது, இங்கு கதோடு என்பது கூடிய E° உடைய மின்வாய். E°_கலம் நேர்க் குறியுடையதாயின் அத்தாக்கம் தன்னிச்சையானது; இது ΔG° = −nFE°_கலம் எனும் தொடர்பால் உறுதிசெய்யப்படுகின்றது — E°_கலம் நேராயின் ΔG° எதிராகின்றது. இங்கு n இடமாற்றப்படும் இலத்திரன்களின் மோல் எண்ணிக்கை, F பரடே மாறிலி. செறிவுகள் நியம நிலையிலிருந்து வேறுபடும்போது மின்வாய் அழுத்தம் நேர்ன்சற் சமன்பாட்டால் (Nernst equation) கணிக்கப்படுகின்றது: E = E° − (RT/nF) ln Q; 298 K வெப்பநிலையில் இது E = E° − (0.059/n) log Q என எளிமைப்படுகின்றது, இங்கு Q தாக்க ஈவு (reaction quotient). இச்சமன்பாட்டின்படி தாக்கி அயனின் செறிவு கூடும்போது தாழ்த்தேற்ற அழுத்தம் கூடுகின்றது; விளைவயனின் செறிவு கூடும்போது குறைகின்றது. தாக்கம் சமநிலையை அடையும்போது E = 0 ஆகி Q = K ஆகின்றது; இதிலிருந்து E°_கலம் இற்கும் சமநிலை மாறிலி K இற்கும் இடையிலான தொடர்பைப் பெறலாம்.

பிரிவு 5: கலங்களின் வகைகள், மின்னாற்பகுப்பு, பரடேயின் விதிகள் (3 நி)

கல்வானிக் கலங்கள் பயன்பாட்டின் அடிப்படையில் வகைப்படுத்தப்படுகின்றன — முதன்மைக் கலம் ஒரு முறை மட்டுமே பயன்படுத்தக் கூடியது, மீளவைக்க முடியாது; இரண்டாம் கலம் மின்னூட்டத்தை மீண்டும் ஏற்றி மீளவைக்கக் கூடியது (ஈய சேமக்கலம்); எரிபொருள் கலம் எரிபொருளும் ஒட்சிசனும் தொடர்ச்சியாக வழங்கப்படும் வரை மின்சக்தியைத் தருகின்றது; செறிவுக் கலம் ஒரே இரசாயனத்தின் இரு வேறு செறிவுகளுக்கிடையிலான வேறுபாட்டாலேயே EMF தருகின்றது. மின்னாற்பகுப்பு (electrolysis) என்பது வெளியிலிருந்து வழங்கப்படும் மின்சக்தியால் தன்னிச்சையற்ற தாக்கத்தை நிகழ்த்துவது. ஐந்து முக்கிய வழக்குகள் — (i) நீர் மின்னாற்பகுப்பில் கதோடில் H₂ உம் அனோடில் O₂ உம் வெளிப்படுகின்றன; (ii) Cu மின்வாய்களுடன் CuSO₄ கரைசலின் மின்னாற்பகுப்பில் கதோடில் Cu படிகின்றது, அனோடில் Cu கரைகின்றது (மின்முலாம் கோடல், சுத்திகரிப்பு); (iii) சடத்துவ மின்வாய்களுடன் CuSO₄ கரைசலின் மின்னாற்பகுப்பில் கதோடில் Cu படிகின்றது, அனோடில் O₂ வெளிப்படுகின்றது; (iv) NaCl நீர்க்கரைசலின் மின்னாற்பகுப்பில் (குளோர்–அல்கலி முறை) கதோடில் H₂ உம் அனோடில் Cl₂ உம் வெளிப்பட்டு, கரைசலில் NaOH எஞ்சுகின்றது; (v) உருகிய NaCl இன் மின்னாற்பகுப்பில் (டவுன்ஸ் கலம்) கதோடில் உலோக Na உம் அனோடில் Cl₂ உம் கிடைக்கின்றன. ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட அயன்கள் இருக்கையில் தேர்ந்தெடுத்த வெளியேற்றம் நிகழ்கின்றது — கதோடில் தாழ்த்தேற்ற அழுத்தம் கூடிய அயனும், அனோடில் ஒட்சியேற்றம் இலகுவான அயனும் முதலில் வெளியேற்றப்படுகின்றன. மின்னாற்பகுப்பின் அளவுவகைத் தொடர்புகளை பரடேயின் விதிகள் தருகின்றன — முதலாம் விதிப்படி மின்வாயில் வெளிப்படும் பொருளின் நிறை கடந்த மின்னூட்டத்திற்கு (Q = It) நேர்விகிதசமம்; இரண்டாம் விதிப்படி இலத்திரன்களின் மோல் எண்ணிக்கை = Q / F, இங்கு பரடே மாறிலி F ≈ 96500 C mol⁻¹. கல்வானிக் கலத்துக்கும் மின்பகுப்புக் கலத்துக்கும் இடையிலான அடிப்படை வேறுபாடு — கல்வானிக் கலம் தன்னிச்சையான தாக்கத்திலிருந்து மின்சக்தியை உருவாக்குகின்றது, மின்பகுப்புக் கலம் வழங்கப்படும் மின்சக்தியால் தன்னிச்சையற்ற தாக்கத்தை நிகழ்த்துகின்றது.

அத்தியாவசிய அட்டவணை (1 நி)

தலைப்பு	முக்கிய உண்மை	குறிப்பு
மின்பகுபொருள்	வன் = முற்றாக அயனாகும்; மென் = பகுதியளவே	அயன்களே மின்னோட்டத்தைக் கடத்தும்
மூலர் கடத்துத்திறன்	Λₘ = κ / c; செறிவு குறைய Λₘ கூடும்	c → 0 இல் Λₘ°
நியம ஐதரசன் மின்வாய்	298 K, 1 bar H₂, 1 mol dm⁻³ H⁺	E° = 0.00 V (ஒப்பீட்டு அலகு)
நியம மின்வாய் அழுத்தம்	நியம நிலையில் SHE உடன் ஒப்பிட்ட தாழ்த்தேற்ற அழுத்தம்	E° நேர் = இலகுவாக ஒட்சிஇறக்கம்
மின்வாய் வகைகள்	உலோக–அயன், உலோக–கரையாத உப்பு, வாயு, தாழ்த்தேற்றம்	நான்கு வகை
கல்வானிக் கலம்	அனோடு = ஒட்சியேற்றம்; கதோடு = ஒட்சிஇறக்கம்	உப்புப் பாலம் சுற்றை நிறைவுசெய்யும்
கல வரிபடம்	அனோடு | அயன் ‖ அயன் | கதோடு	‖ = உப்புப் பாலம்
மின்னியக்கு விசை	E°கலம் = E°கதோடு − E°அனோடு	ΔG° = −nFE°கலம்
நேர்ன்சற் சமன்பாடு	E = E° − (0.059/n) log Q (298 K)	சமநிலையில் E = 0, Q = K
கலங்களின் வகைகள்	முதன்மை, இரண்டாம், எரிபொருள், செறிவுக் கலம்	இரண்டாம் கலம் மீளவைக்கக் கூடியது
நீர் மின்னாற்பகுப்பு	கதோடு H₂; அனோடு O₂	சடத்துவ மின்வாய்
CuSO₄ + Cu மின்வாய்	கதோடு Cu படிதல்; அனோடு Cu கரைதல்	சுத்திகரிப்பு / மின்முலாம்
NaCl(aq) குளோர்–அல்கலி	கதோடு H₂; அனோடு Cl₂; கரைசலில் NaOH	தேர்ந்தெடுத்த வெளியேற்றம்
உருகிய NaCl (டவுன்ஸ்)	கதோடு Na; அனோடு Cl₂	உலோக Na பெறும் முறை
பரடேயின் விதிகள்	Q = It; இலத்திரன் மோல் = Q / F	F ≈ 96500 C mol⁻¹