Электрод потенциаллари. Гальваник элементлар. Режа

Электрод потенциаллари. Гальваник элементлар.


Режа:
1. Металларнинг физик хоссалари.
2. Металларнинг электрод потенциаллари. Нормал водород электроди.
3. Гальваник элементлар ва ундаги электр юритувчи куч.
4. Металларнинг кучланиш қатори.
5. Нерст тенгламаси. Гибсс энергияси.


Адабиётлар:
1. Рахимов Х.Р. Анорганик кимё. II нашр. Т. “¤қитувчи”. 1984.
2. Ахмеров К.М., Жалилов А., Исмоилов А. Умумий ва анорганик кимё. Т. “¤қитувчи. 1988.
3. Ахметов Н.С. Анорганик кимё. Высшая школа. 1975.


Металларнинг физик хоссалари. Д.И.Менделеевнинг элементлар даврий жадвалидаги элементларнинг тахминан 80 фоизини металлар ташкил қилади. Металл кристал панжарасининг тугунларида металл ионлари туради, бу ионлар орасида маълум ион билан боҚланган эркин электронлар харакат қилади. Ионлар тебранма харакатда бўлади. Металларнинг физикавий, кимёвий ва электрокимёвий хоссалари уларнинг ана шу ички тузилишидан келиб чиқади. Ядро билан кучсиз боҚланган валент электронлар, яъни сиртқи қаватдаги электронлар, атомдан осон узилиб кетиши мумкин. Доимо металлнинг бир қисми атомлари ионларга айланиб туради, бир вақтнинг ўзида бир қисм ионлар эса аксинча, атомларга айланиб туради. Бундай холда металл кристалларида мувозанат вужудга келади:
Ме Меⁿ⁺ + ne
Металл ионларининг умумлашган (эркин) электронлар билан ўзаро таъсири натижасида вужудга келадиган боҚланиш металл боҚланиш дейилади.
Металл кристалларида эркин электронлар мавжудлигидан металлар электр токини ва иссиқликни яхши ўтказади. Тартибсиз харакатда бўлган эркин электронлар жуда кичик электр потенциали таъсирида хам батартиб - бир томонга силжийди.
Электронларнинг эркин харакатланиш тезлигига хар хил фактарлар таъсир этади. Хароратнинг кўтарилиши билан ионларнинг тебранма харакати кучаяди ва улар ичида электронларнинг харакати қийинлашади. Натижада харакатнинг кўтарилиши билан металларнинг электр ўтказувчанлиги пасаяди. Јуйидаги графикда темир ва платиналарнинг электр ўтказувчанлигига харакатнинг таъсири кўрсатилган.
электр
ўтказувчанлик



Fe

Pt

харорат
Металдаги қўшимчалар хам электронларнинг харакатига тўсқинлик қилади. Агар металда қўшимчалар қанча кўпайса, унинг электр ўтказувчанлиги шунча пасаяди. Јуйидаги графикда темир қўшимчасининг миснинг электр ўтказувчанлигига таъсири кўрсатилган.
Нисбий электр
ўтказувчанлик


100
98
96
94
92
90

0,04 0,08 % Fe

Графикдан кўриниб турибдики, миснинг таркибида темир қўшимчасининг миқдори кўпайиши билан миснинг электр ўтказувчанлиги камаяди. Бизга маълумки, металлар иссиқликни хам яхши ўтказади, чунки металлардаги тўхтовсиз харакат қилувчи электронлар ионлар билан доимо энергия алмашиниб туради. Јиздириш натижасида ионларнинг тебранма харакати кучаяди ва бу тебраниш шу захотиёқ қўшни ионларга ўтказилади. Натижада металнинг иссиқлик холати тезда тенглашади, ёки унинг бутун массаси бир хил хароратга эга бўлиб қолади. Айниқса кумуш, олтин, мис ва алюминий иссиқлик ва электр токини жуда яхши ўтказувчилар хисобланади.

Металлар зичлигига кўра шартли равишда икки группага бўлинади: зичлиги 5 дан кам бўлган металлар енгил металлар группасига, солиштирма оҚирлиги 5 дан ортиқ металлар эса оҚир металлар группасига киради.
Энг енгил металл литий бўлиб, унинг зичлиги 0,58 г/см³ бўлса, энг оҚир металл осмий бўлиб, унинг зичлиги 22,48 г/см³ га тенг. Металлар, рангига қараб, қора ва рангли металларга бўлинади. Јора металларга темир ва унинг қотишмалари чўян, пўлат киради. Јолган металларнинг хаммаси рангли металлар жумласига киради.
Металларнинг кимёвий хоссалари. Металларнинг асосий кимёвий хоссаси шуки, уларнинг атомлари валент электронларини бериб, мусбат зарядланган ионларга айлана олади. Демак, металлар эркин холда қайтарувчилардир. Элементлар даврий системасининг асосий группачаларида юқоридан пастга томон атомларнинг радиуси ортиши билан металларнинг қайтариш хоссалари хам ортиб боради. Масалан, II группанинг асосий группачасида берилийдан барийга ўтилган сари элементларнинг қайтарилиш хоссалари кучайиб боради. Битта даврнинг ўзидаги элементлар атомларида электрон қаватлари сони бир хил бўлади.
Бироқ чапдан ўнгга, элементдан-элементга ўтган сари ядро заряди ортиб бориши натижасида электрон қаватлар ядрога кучлироқ тортилади ва атомларнинг радиуслари кичрайиб боради. Бу ўз навбатида металларнинг қайтариш хусусиятини сусайтиради. Масалан, магний атомининг радиуси 1,60 А⁰ натрий атомининг радиуси эса 1,92 А⁰. Демак, магний атоми натрий атомига қараганда кучсизроқ қайтарувчидир.
Металларнинг мухим кимёвий хоссалари уларнинг кислород, сув хамда тузлар, асослар ва кислоталарнинг сувдаги эритмалари билан ўзаро таъсир этишидир. Баъзи металлар, масалан, ишқорий ва ишқорий-ер металлар хатто сув молекуласини хам шиддатли равишда қайтаради.
1. 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂
2Na⁰ - 2e = 2Na⁺ (оксидланиш)
2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^- (қайтарилиш)
2. Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂
Zn⁰ - 2e = Zn⁺² (оксидланиш)
2H⁺ 2e = H₂⁰ (қайтарилиш)

Рух, алюминий, қалай каби амфотермик хоссалари бор металлар ишқорлар билан реакцияга киришиши натижасида тегишли жуда кучсиз кислоталарнинг тузлари хосил бўлади ва водород ажралиб чиқади:

Zn + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂
натрий цинкат
Маълумки, оксидланиш-қайтарилиш реакцияларида электронлар бир атом ёки ионлардан бошқа атом ёки ионларга ўтади. Бу холатда кимёвий реакция энергияси иссиқлик энергиясига айланади. Агар икки металл (ёки қаттиқ модда) электролит эритмасига туширилса, бу металлар орасида потенциаллар айирмаси вужудга келади. Бундай металлар электродлар дейилади. Агар электродлар бир-бири билан сим орқали туташтирилса, занжирда электр токи хосил бўлади. Электролит эритмасига туширилган икки электроддан иборат система гальваник элемент дейилади.
Гальваник элемент ишлаганда оксидланиш-қайтарилиш жараёни боради. Гальваник элемент воситаси билан кимёвий энергия электр энергияга айлантирилади.
Металларнинг кристалл панжаралари тугунларида ионлар бўлади. Металл сувга ботирилганда сиртқи қаватидаги ионлар сувнинг қутбли молекулалари таъсирида металдан узилади ва гидратланган холатда сувли мухитга ўтади (1-расм).

1-расм. Металнинг сирт қаватидаги ионларнинг сув

молекулалари билан ўзаро таъсирлашув схемаси.

Бундай холда металл яқинидаги эритма мусбат зарядланади. Ионларнинг сувга ўтиши натижасида металда ортиқча эркин электронлар пайдо бўлиб, металл манфий зарядланиб қолади 2-расм. Сувга ўтган мусбат зарядли ионлар металда манфий заряд вужудга келганлиги сабабли қайтадан металга тортилади. Натижада вақт бирлиги ичида металдан эритмага ўтаётган ионлар сони металга қайтаётган ионлар сонига тенглашиб мувозанат қарор топади:

Me + mH₂O Meⁿ⁺(H₂O)_m + ne
эритмада металл кристалида




Zn

+--+
+--+

+--+
+--+ Zn²⁺
+--+
+ +

Рух пластинкасида заряд хосил бўлиш схемаси.

Металл билан уни қуршаб олган сув мухити орасида маълум даражада потенциаллар айирмаси юзага келади. Бу потенциаллар айирмаси металнинг электрод потенциали дейилади.

Ионларнинг эритмага ўтиш тезлиги уларнинг қайтадан металга ўтиш тезлигига тенг бўлган холатга, яъни мувозанат холатига тўҚри келувчи электрод потенциали мувозанат потенциали дейилади. ¤згармас хароратда металл ионларининг концентрацияси эритмада маълум қийматга эга бўлади. Металл ўз тузларининг суюлтирилган эритмаларига ботирилганда кучли манфий, концентрланган эритмага ботирилганда эса кучсиз манфий зарядланади, чунки эритманинг концентрацияси қанча кучли бўлса, металдан шунча кам ион эритмага ўтади.
Хар қайси электроднинг потенциали металнинг табиатига, унинг эритмадаги ионларининг концентрациясига ва хароратга боҚлиқ. Алохида олинган электроднинг потенциал катталигини бевосита ўлчаш имконияти йўқ. Шунинг учун электрод потенциаллар таққослаш учун қабул қилинган электроднинг потенциалига солиштириш йўли билан ўлчанади. Таққослаш электроди сифатида одатда стандарт водород электрод ишлатилади ва унинг потенциали қиймати шартли равишда 0 га тенг деб олинади.
Бу электрон платина пластинкасидан иборат бўлиб сульфат кислотасининг 2 н. ли эритмасига ботирилган бўлади. Бу эритмада водород ионларининг концентрацияси 1 г-ион/л га тенг.
Шу эритма орқали 1 г атмосфера босим остида 25⁰С хароратда газ холатидаги тоза водород ўтказилади ва кўп миқдорда платинага адсорбцияланади, натижада платина электроди худди водород электродга ўхшаб қолади ва бу электродда қуйидаги жараён боради:
Н₂ - 2е = 2Н⁺
Водород ионлари водород электроддан эритмага ўтади. Натижада водородга тўйинган платина пластинка билан сульфат кислота эритмаси орасида потенциаллар айирмаси вужудга келади. У шартли равишда 0 га тенг деб олинади:
Е⁰ ₊ = 0
2H/ H₂
Бу водороднинг стандарт электрод потенциалидир. Бирор металл стандарт электрод потенциалини аниқлаш учун стандарт водород эллектрод ва ўз тузи эритмасига ботириб қўйилган текширилаётган металдан иборат гальваник элемент тузиш керак. Бу холда эритмадаги металл ионларининг концентрацияси 1 г-ион/л бўлиши керак.
Стандарт водород электрод билан ўз тузи эритмасига ботирилган металл орасидаги потенциаллар айирмаси металлнинг стандарт электрод потенциали дейилади.
Агар металл водородга нисботан қийинроқ оксидланса ва унинг ионлари водород ионларига қараганда осонроқ қайтарилса, электрод потенциалининг қиймати плюс ишора билан кўрсатилади. Металлнинг стандарт электрод потенциали алгебраик қиймати қанча кичик бўлса, унинг кимёвий активлиги шунча катта, қайтарувчанлик (электрон йўқотиш) хусусияти шунча кучли бўлади.
Металлар кимёвий активлигига кўра стандарт электрод потенциаллар қатори ёки кучланишлар қатори деб аталувчи қаторга жойлаштирилади. Кучланишлар қаторига қараб металларнинг кимёвий хоссаларига оид қуйидаги хулосаларни чиқариш мумкин.
1. Хар бир металл электрод потенциаллар қаторида ўзидан кейин турувчи, яънистандарт электрод потенциалининг алгебраик қиймати катта бўлган хар қандай бошқа металлни шу металл тузининг эритмасидан сиқиб чиқара олади. Масалан: Е⁰ ₂₊ = -0,76 в; Е⁰ ₂₊ = -0,44 в.
Zn/ Zn Fe/ Fe
Демак, кучланишлар қаторида рух темирдан олдин туради, шунинг учун рух темирни темир тузи эритмасидан сиқиб чиқаради.
Zn + FeSO₄ = ZnSO₄ + Fe
Fe + ZnSo₄ =
2. Суюлтирилган кислоталардан водородни фақат стандарт электрод потенциаллари манфий бўлган металларгина сиқиб чиқариши мумкин. Мисол: никель ва симоб хлорид кислотасида эрийдими?
Е⁰ ₂₊ = -0,25 в; Е⁰ ₂₊ = +0,80 в.
Ni/ Ni Hg/ Hg
Никель эрийди, чунки унинг потенциали водородникидан кичик:
Ni + 2HCl = NiCl₂ + H₂
Симоб хлорид кислотаси билан ўзаро таъсир этмайди.
3. Стандарт электрод потенциалининг алгебраик қиймати қанча кичик бўлса металнинг қайтарувчанлик хусусияти шунча кучли бўлади ва аксинча металл ионининг оксидланиш хусусияти шунча паст бўлади. Демак, энг актив қайтарувчи калий металидир, энг актив оксидловчи - олтин иони Au³⁺ дир.
Металлнинг потенциали В.Нернест формуласи билан хисоблаб чиқилади:
0,058
Е = Е⁰ + -------- lgC
n
Е - металлнинг потенциали
Е⁰ - металнинг стандарт электрод потенциали
n - металл ионининг валентлиги
С - эритмада металл ионларининг концентрацияси.


Гальваник элементлар. Кимёвий энергияни электр энергиясига айлантириш учун хизмат қиладиган асбоблар гальваник элементлар дейилиб, ишлаш принципи металларнинг бошқа металларни уларнинг тузларидан сиқиб чиқариш реакциясига асосланган.




Рb Zn



Pb²⁺ Zn²⁺


Pb(NO₃)₂ Zn(NO₃)₂

Иккита стакан олиб, улардан бирига Zn(NO₃)₂ эритмасидан, иккинчисига Pb(NO₃)₂ эритмасидан қуямиз. Биринчи стакандаги эритмага рух пластинка, иккинчи стакандаги эритмага эса қўрҚошин пластинкасини туширамиз. Иккала стакандаги эритмаларни бирор электролит, масалан, KNO₃ билан тўлдириб, тўнкарилган U-cимон най ёрдамида бир-бирига туташтирамиз, шунда туз ионларининг бир эритмадан иккинчи эритмага бемалол ўтишига имкон туҚилади. Агар бу пластинкаларни металл сим ёрдамида бир-бирига уласак, дархол ток хосил бўлади. Металл симга электр токини ўлчайдиган асбоб туширилса, хақиқатдан хам металл сим орқали электр токи ўтаётганини кўрамиз.

Рух қўрҚошинга қараганда электроманфийроқ бўлганлиги учун қўрҚошин пластинка чегарасида вужудга келган потенциал рухдагига қараганда мусбийроқ бўлади. Бу металлар сим билан туташтирилганда қўрҚошин ва рух пластинкаларидаги (электродларидаги) потенциаллар бараварлашишга интилади. Потенциал электронлар рух пластинкадан қўрҚошин пластинкага ўтиши билангина бараварлашуви мумкин. Натижада рух пластинка чегарасидаги потенциалнинг манфийлиги, қўрҚошин пластинка чегарасидаги потенциалнинг мусбийлиги камаяди. Шундай қилиб, электронларнинг оқими, яъни электр токи вужудга келади.
Гальваник элементда оксидланиш-қайтарилиш реакциясининг кимёвий энергияси электр энергияга айланади. ЈўрҚошин пластинкага электронлар келиши натижасида манфий заряд устун кела бошлайди. Мувозанат қайтадан қарор топиши учун, эритмадан пластинкага қўрҚошин ионлари ўтириб, келаётган электронлар билан реакцияга киришади ва нейтрал холда пластинкага ажралиб чиқа бошлайди:
Pb²⁺ + 2e = Pb
Шундай қилиб, бу электродда қайтарилиш жараёни вужудга келади.
Рух пластинкадан электронлар кетиши сабабли, унда мусбат ионлар устун кела бошлайди. Мувозанат қайтадан қарор топиши учун рух атомларининг янги қисми ионлар холида эритмага ўтади ва электронларини пластинкада қолдириб кетган электронларнинг ўрнини қоплайди. Демак, электродда оксидланиш жараёни боради:
Zn - 2e = Zn²⁺
Јайтарилиш жараёни бораётган электрод шартли равишда мусбат қутб ёки катод деб, оксидланиш жараёни бораётган электрод эса манфий қутб ёки анод деб қабул қилинган.
Электродларда борган жараёнлар қўшилса, гальваник элементда содир бўладиган реакциянинг умумий тенгламаси хосил бўлади.
Pb²⁺ + 2e = Pb
Zn - 2e = Zn²⁺

Pb²⁺ + Zn = Pb + Zn²⁺

ёки молекуляр кўринишда:
Pb(NO₃)₂ + Zn = Pb + Zn(NO₃)₂
Гальваник элементларда асосан манфий электрод сифатида доимий равишда металл ишлатилади, чунки у ўз электронларини унча актив бўлмаган металл ионларига бериб, уларни нейтрал атомларга айлантиради.
Гальваник элементларни схемалар тарзида тасвирлаш қабул қилинган. Масалан, юқорида кўриб ўтилган қўрҚошин - рух элементининг схемаси қуйидагича бўлади:
(-) Zn [Zn(NO₃)₂][Pb(NO₃)₂] Pb (+)
Электродлар потенциалларининг айрмаси, гальваник элементнинг электр юритувчи кучи дейилади. Гальваник элементнинг ишлаши учун, унинг электр юритувчи кучи мусбат қийматга эга бўлиши керак. Бунинг учун оксидловчининг потенциалидан қайтарувчининг потенциалини, яъни катта қийматли потенциалдан кичигини айириш керак:
E = _oк - _қай
Гальваник элементлар электр токи манбалари сифатида техникада кенг кўламда ишлатилади. Гальваник элементни биринчи бўлиб 1799 йилда италиялик физик А.Вольт яратган.
Гальваник элементларнинг ишлаши натижасида электродлар потенциалларининг ўзгариши гальваник поляризация дейилади. Гальваник элемент поляризациясининг камайиши деполяризация, шу мақсадда ишлатиладиган моддалар эса деполяризаторлар дейилади. Деполяризаторлар сифатида MnO₂, O₂, K₂Cr₂O₇, Cu²⁺ лар ишлатилади.