Электрохимиявий жараёнлар

Электролиз
Электролиз деб, электролитнинг суюкланмаси ёки эритмасидан электр токи утганда борадиган оксидланиш - кайтарилиш реакцияларига айтилади.
Маълумки электролиз суюкланмада ва эритмада бориши мумкин. Суюкланмада борадиган электролиз натижасида анодда шу модда таркибига кирган анион оксидланади, катодда эса шу модда таркибидаги катион кайтарилади. М: NaCI тузи суюкланмаси электролизида: NaCI Na⁺ + CI^- да Na⁺ иони катодда кайтарилади: Na⁺ + е^- Na⁰; CI^- аниони анодда оксидланади: 2CI^- - е^- CI₂. Умумий холда: 2NaCI 2Na + CI₂ реакция боради.
Эритманинг электролизи. Эритма электролизида туз молекулалари билан биргаликда сув (эритувчи) молекулалари иштирок этгани учун анча мураккабдир. Эритмада борадиган электролиз схемасини тузаетганда куйидаги коидаларни билиш зарур:
Катод жараёнлари учун:
1. Агар эритмада оксидланиш потенциали водороднинг оксидланиш потенциалидан кичик булган катионлар (активлик каторида Li⁺ дан Al⁺³ гача) булса, катодда сув молекулалари кайтарилиб, бу металл ионлари эритмада узгармасдан колади.
2. Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан кичик, лекин Al никидан катта булган катионлар (Al⁺³ дан Pb⁺² гача) булса, у холда катодда бир вактнинг узида хам водород ионлари, хам шу металл катиони кайтарилади.
3. Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан юкори булган катион булса, катодда аввал шу катион кайтарилади (активлик каторида бу катионлар Н⁺ - дан кейин турибди).
Анод жараёнлар учун:
1. Агар эритмада кислородсиз кислоталарнинг анионлари; Cl^-, Br^-, J^-, F^- лар билан бирга H₂О - ионлари мавжуд булса, анодда аввал кислородсиз кислота анионлари оксидланади.
2. Агар эритмада кислородли кислота анионлари: SO₄^-2, CО₃^-2, PO₄^-3, NO₃^- лар H₂О билан биргаликда келса, у холда анодда H₂O молекулалари оксидланади, чунки бу анионларнинг оксидланиш потенциаллари сув молекуласининг оксидланиш потенциалидан катта.
Энди юкоридаги коидаларга амал килган холда баъзи – бир электролиз жараёнларини куриб чикайлик.
М: Ош тузи эритмасининг электролиз схемасини тузинг. Анод ва катодда борадиган оксидланиш - кайтарилиш реакциялари тенгмаласи тузнинг.
Ечиш: Масаланинг шартидан куриниб турибдики электролиз эритмада бораяпти. Ош тузи (NaCl) малекулалари эритмада диссоциацияланган холда булади: NaCl Na⁺ + Cl^-. Бу ионлардан Nа⁺ манфий зарядли электрод - катодга тортилади, Cl^- эса мусбат зарядли электрод - анодга тортилади. Булардан ташкари эритмада сув молекулалари хам булгани учун улар хам электролиз жараёнида катнашадилар, аникроги сувнинг диссоциацияланиши натижасида хосил буладиган Н⁺ ва ОН^- ионлари мос равишда катод ва анодга тортилади. Буни куйидаги схемада куриш мумкин:
(-) Катод Na⁺ NaCl Cl^- Анод (+)
H⁺ H₂O OH^-
Схемадан куриняптики катодда Na⁺ ва Н⁺ ионлари кайтарилиши керак. Булардан Na⁺ ионнинг оксидланиш потенциали (E⁰ = -2,71 в) водород ионнинг шартли оксидланиш потенциали (Е⁰ = О в) дан кичик:
E < E
Шунинг учун катодда водород ионлари кайтарилади, эритмада Na⁺ - ионлари колади: 2Н⁺ + 2е^- Н₂⁰ (тугрироги: 2Н₂O + 2е^- Н₂⁰ + 2ОН^- сув молекулалари кайтарилади).
Анодда хлор ва Н₂O молекулалари оксидланиши керак. Лекин хлор ионлари кислородсиз кислота колдиги булганлиги учун анодда Cl ионларининг оксидланиши руй беради:
2Cl^- - 2e^- Cl₂⁰
Демак NaCl тузининг эритмаси электролиз килинганда катодда Н₂O молекулалари кайтарилади, анодда хлор ионлари оксидланади. Электролиз махсулоти сифатида водород ва хлор газлари хосил булади. Эритмада эса Na⁺ ва OH^- ионлари колади, эритма кучли ишкорий мухитга эга булади:
2NaCI + 2H₂O H₂ + CI₂ + 2Na⁺ + 2OH^-
Энди куйидаги масалани куриб чикайлик. М: CиCl₂ тузи эритмасининг электролиз схемасини тузинг.
Ечиш: Электролиз килинаётган туз таркибига кирган катион юкорида куриб чикилган масаладаги туз таркибидаги ионлардан анча килади. Чунки катион (Си⁺²) оксидланиш потенциали каторида водороддан кейин туради. Cl^- аниони кислородли кислота колдиги. Шунинг учун бу туз эритмасининг электролизи куйидагича боради.
Эритмада туз диссоцияланади: CиCl₂ Cи⁺² + 2Cl^-
Бу эритмага электродлар туширилиб уларга ток уланса, катодга мис (II) ионлари анодга эса хлор ионлари тортилади. Эритмада сув молекулалари хам булгани учун электролиз жараёнида улар хам иштирок этадилар. Буни схематик куринишда ёзсак; (16 расм)
(-) Катод Cи⁺² СиCl₂ 2Cl^- Анод(+)
H⁺ H₂O OH^-
Юкоридаги коидаларга кура электродларда борадиган оксидланиш кайтарилиш реакция тенгламаларини езамиз. Катодда: Си⁺² + 2е^- Cи⁰ (эритмада H⁺- ионлари колади. Чунки, E⁰ < E⁰ Анодда: E⁰_Cl-/_CI⁰ <

E⁰_H+/_H2 булгани учун хлор ионлари оксидланади, яъни; 2Сl^- -2e^- Cl₂⁰ . Бу электролиз пайтида борадиган оксидланиш-кайтарилиш реакцияларини биргаликда ёзиб, электролизнинг умумий тенгламасини тузамиз:

Си⁺² +2Cl^- + H₂O Си⁰ + Cl₂⁰+ H₂O
Демак, СuCl₂ тузи эритмаси электролиз килинса, анодда хлор ионлари оксидланиб хлор гази чикар экан. Катодда Сu⁺² ионлари кайтарилиб мис метали холида ажралар экан. Эритмада сув молекулалари колаверади.
Баъзи холларда электролизни электролиз килинаетган туз таркибига кирган металлардан ясалган электродлар ердамида хам утказилади. Бундай электролизни "эрувчан анод" электролизи дейилади. Бунга куйидаги электролиз мисол булади.
Масала: NiSO₄ эритмасини никель электродлари ердамида электролиз килинди. Шу электролизнинг схемасини тузинг.
Ечиш: эритмада Ni⁺², SO₄^-2 ионлари ва сув молекулалари бор.
Электродларга кучланиш берилганда никелдан ясалган анод эрий бошлайди, янъни никель атомлари оксидланиб эритмага никель ионлари холида ута бошлайдилар: Ni⁰ - 2e^- Ni⁺²
Эритмадаги никель ионлари катодга тортилиб кайтарила бошлайди:
Ni⁺² + 2e^- Ni⁰
Бунда анод эриб канча ионларини хосил килса, шунча Ni⁺² иони катодда кайтарилиб никель металини хосил килади. Эритилган туз микдори ва ионлари электролиз пайтида узгаришсиз колади.
Айтилганларни схема куринишида ёзсак:
(-) Катод: Ni⁺² + 2e^- Ni⁰ .
(+)Анодда: (Ni) Ni⁰ - 2e^- Ni⁺²
Электролизнинг умумий тенгламаси:
Ni⁺² + SO₄^-2 + Ni⁰ Ni⁰ + SO₄^-2 + Ni⁺²
Маълумки, электролиз пайтида электродларда ажралиб чикадиган моддалар микдорини хисоблаш мумкин. Электролиз пайтида ажралиб чикадиган моддалар микдорини Фарадей конунлари асосида олинган формулалар ердамида хисобланади.
Фарадейнинг биринчи конунига биноан: электролиз натижасида электродларда ажралиб чикадиган моддалар микдори эритмадан утган электр микдори (J*t) га тугри пропорционалдир.
Фарадейнинг иккинчи конуни куйидагича таърифланади: электродларда ажралиб чикадиган моддалар микдори шу модда (ион) ларнинг химиявий эквивалентига тугри пропорционалдир. Модда микдорига тегишли булгани учун иккала конуни умумлаштириб электродларда ажралиб чикадиган модда микдорини хисоблаш мумкин:
m = I*t*Э/F
Бу ерда: m - ажралиб чикаетган модда маcсаси, г; кг.
I - ток кучи, А, t - вакт, секунд
F - Фарадей сони = 96500 Кл.
Э - химиявий эквивалент
Бу формулани газсимон моддалар учун хам ёзиш мумкин;
V=I*t V_э/F
Бу ерда: V - ажралиб чиккан газнинг хажми, мл; л. V_э - ажралиб чиккан газнинг эквивалент хажми. Формулаларда келтирилган I*t купайтма эритмадан утаетган электр микдорини ифодалайди ва Q харфи билан белгиланади. Агар 1 Кл электр микдори электролизердан утса электродларда Е = Э/F микдор модда ажралиб чикади. Бунда Е - модданинг электрохимиявий эквиваленти дейилади. Унинг маъноси, эритмадан 1 Кл электр микдори утганда ажралиб чикадиган моддалар массасидир.
Масала: Рух хлорид эритмасидан 1 соат давомида 0,6 ампер ток кучи утганда электродларда ажралиб чикадиган моддалар микдорини хисобланг.
Ечиш: Аввал электролиз схемасини тузамиз;
(-) Катод Zn⁺² ZnCl₂ 2Cl^- Анод(+)
H₂O
Бу туз таркибидаги Zn⁺² катион оксидланиш потенциали каторида водород билан Al уртасида жойлашган Е = -0,76 в. Шу сабабли катодда бир вактда рух ионлари ва водород ионлари (аникроги сув молекулалари) кайтиралади. Анодда эса Cl^- ионлари оксидланади:
Катодда: Zn⁺² + 2e^- Zn⁰ ва 2H₂O + 2e^- H₂ + 2OH^-
Анодда: 2Cl^- -2e^- Cl₂⁰
Электролизнинг умумий тенгламаси:
Zn⁺² + 2Cl^- + 2H₂O Zn⁰ + H₂ + Cl₂⁰ + 2OH^-
Демак, катодда рух метали ва водород, анодда эса хлор гази ажралиб чикади. Рух металининг массасини водород ва хлор газ холида чиккани учун уларнинг хажмини хисоблаймиз:
г
л

Баъзи холларда электролиз натижасида ажралиб чикадиган модда микдори назарий хисоблангандан кам булади. Буни микдорий томондан характерлаш учун электролизнинг ток буйича унуми деган тушунча киритилган. Ток буйича унум - харфи билан белгиланиб куйидагича хисобланади:

Бунда: m_{тажриба} - тажрибада ажралиб чиккан модда массаси.

m_{назарий} - шу модданинг назарий хисобланганда ажралиб чикиши керак булган массаси.

Адабиётлар: