Faradayning elektroliz qonunlari

Pb 0 + Pb +4 O 2 + 4N + + 2SO 4 2- «2Pb 0 + 2SO 4 2- + 2H 2 O.
Qo'rg'oshin batareyasidan tashqari, ishqoriy batareyalar amalda qo'llaniladi: nikel-kadmiy, nikel-temir.

Elektrod jarayonlari. Ikki qavatli elektr.
Elektr va kimyoviy hodisalar o'rtasida chambarchas bog'liqlik mavjud bo'lib, ularda energiyaning elektr va kimyoviy shakllarining o'zaro konversiyasi mavjud. Elektrokimyo zaryadlangan zarrachalarni almashish qobiliyatiga ega bo'lgan fazalarni ajratish yuzalarida sodir bo'ladigan jarayonlarni o'rganadi. Ko'pincha, kontakt fazalaridan biri metall, ikkinchisi elektrolitlar eritmasi. Ushbu fazalardagi o'tkazuvchanlik mexanizmi bir xil emas. Metall birinchi turdagi o'tkazgichdir, elektronlar elektr tokini tashuvchilardir. Elektrolitlar eritmasining elektr o'tkazuvchanligi ionlarning harakati bilan ta'minlanadi. Bu ikkinchi tur.
Kimyoviy reaktsiyalar natijasida yuzaga keladigan elektr potentsiallarining farqi kimyoviy oqim manbalarining - elektrokimyoviy hujayralar va batareyalarning ishlashiga asoslanadi.
Elektrod - tashqi kontaktlarning zanglashiga olib galvanik ulanishi uchun xizmat qiluvchi elektr zanjirining bir qismi.
Elektrod eritma ichiga tushirilganda elektrod jarayonlari sodir bo'ladi.
Elektrod jarayonlari o'zaro bog'liq jarayonlarning ikkita guruhini o'z ichiga oladi.
1. Galvanik elementdagi kimyoviy reaksiya natijasida elektr potentsiallari farqi va shuning uchun elektr tokining paydo bo'lishi).
2. El o'tishida yuzaga keladigan teskari kimyoviy jarayonlar. eritma orqali oqim (elektroliz).
Jarayonlarning bu ikki guruhi ko'p hollarda o'zaro teskari (qo'rg'oshin akkumulyatori) va har doim atomlar (ionlar) yoki atom guruhlari zaryadining o'zgarishi bilan bog'liq, ya'ni. oksidlanish-qaytarilish reaksiyalaridir.
Metall va uning tuzi eritmasi orasidagi elektr potentsial farqining paydo bo'lish mexanizmini ko'rib chiqamiz. Eritmaga botirilgan metalldan yuqori issiqlik harakati energiyasiga ega bo'lgan kristall panjara ionlarining bir qismi uni tark etadi va eritma ichiga kiradi. Bu jarayon ionlarning qattiq jism yuzasiga yaqin joylashgan erituvchi molekulalari bilan o'zaro ta'siri orqali osonlashadi. Shu bilan birga, teskari jarayon sodir bo'ladi, ya'ni. eritmadagi ionlarning solvatlanish qobig'ini yo'q qilish va ularni metallning kristall panjarasiga kiritish.
Dastlab, metallning erishi ustunlik qiladi, eritmaga o'tadigan kationlar o'zlari bilan ijobiy elektr zaryadini olib yuradilar. Bunda eritma musbat, metall esa manfiy zaryadlanadi. Eritmaning ortiqcha musbat zaryadga ega bo'lgan ionlari va metalning kompensatsiyalanmagan erkin elektronlari bir-biriga tortiladi va uning har ikki tomonidagi faza kesimining yuzasiga yaqin joylashgan bo'lib, so- qo'sh elektr qatlam deb ataladi, uning ichida elektr potentsiali keskin o'zgaradi. Olingan elektr maydon metallning erishini murakkablashtiradi va teskari jarayonni kuchaytiradi. Keyinchalik, bu jarayonlarning o'zaro kompensatsiyasi va metall va eritma o'rtasidagi ma'lum potentsial farq tufayli dinamik muvozanat o'rnatiladi.
Elektr qo'sh qavatidagi potentsial o'zgarishlarning tabiati undagi zich va diffuz qismlarni ajratish imkonini beradi. Ikki qavatli elektr qatlamining zich qismi (Gelmgolts qatlami) ustida joylashgan ionlar tomonidan hosil bo'ladi. minimal masofa interfeysdan. Bunday qatlam metall plitalari bo'lgan kondansatkichga o'xshaydi. Undagi potentsiallar chiziqli ravishda o'zgaradi.
Ikki qavatli elektr qatlamining diffuz qismi (Guy qatlami) kondansatkichga to'g'ri keladi, uning plitalaridan biri, xuddi loyqa. Bu plastinka issiqlik harakati tufayli eritmaning ichki qismiga o'tgan ionlarga mos keladi. Interfeysdan uzoqlashganda, ortiqcha ionlar miqdori tez kamayadi va eritma neytral bo'ladi. Fazalararo potentsial sakrash qo'sh qavatning zich qismidagi sakrashlar yig'indisi va Xyuy qatlamidagi potentsial sakrashga teng. Elektr qo'sh qavatining umumiy qalinligi ahamiyatsiz bo'lib qolishi sababli, bir fazadan ikkinchisiga o'tishda potentsialning o'zgarishi tabiatda doimo keskin bo'ladi.
Dastlab ionlarning eritmadan metallga o`tishi ustunlik qiladi, keyin metall musbat, eritma manfiy zaryadlanadi. Elektr potentsiali qo'sh elektr qavat ichida keskin o'zgaradi, lekin undagi zaryad belgisi aksincha o'zgaradi.
Fazalar orasidagi potentsial farqning paydo bo'lishining yana bir sababi - interfeysdagi turli zarrachalarning adsorbsiyasi.
Eritma-metall interfeysida potentsial sakrashning hosil bo'lish mexanizmini tushuntiruvchi ko'plab nazariyalar mavjud. Eng taniqli elektrod potentsialining solvatsiya nazariyasi bo'lib, uning asoslari L.V. Pisarjevskiy (1912-1914). Unga ko'ra, eritma-metall interfeysidagi potentsial sakrash ikki jarayonga bog'liq: 1) metall atomlarining metall ichidagi ionlarga dissotsiatsiyasi; 2) metall ionlarining metall yuzasida, u erituvchi molekulalarini o'z ichiga olgan eritma bilan aloqa qilganda solvatlanishi.
Misol sifatida mis sulfatning suvli eritmasiga botirilgan mis elektrodni ko'rib chiqing. Metalldagi mis ionlarining ma'lum haroratdagi kimyoviy potensialini doimiy deb hisoblash mumkin, eritmadagi mis ionlarining kimyoviy potentsiali esa tuz konsentratsiyasiga bog'liq. Umuman olganda, bu kimyoviy potentsiallar bir xil emas. Mis sulfatning konsentratsiyasi shunday bo'lsinki, eritmadagi solvat qobig'i bilan o'ralgan mis ionlarining kimyoviy potentsiali bu ionlarning metalldagi kimyoviy potensialidan kamroq bo'lsin. Keyin, metall eritmaga botirilganda, mis ionlarining metallning kristall panjarasidan eritmaga o'tishi uchun harakatlantiruvchi kuch paydo bo'ladi, uning amalga oshirilishi ionlarning panjara bilan kimyoviy bog'lanishi bilan to'sqinlik qiladi.
Dipol erituvchi molekulalar, o'zlarini metall sirt maydoniga yo'naltirish, aksincha, kristall panjaradan ionlarning chiqishini osonlashtiradi. Natijada, mis ionlarining bir qismi neytral kristall panjara va gidratni tark etadi va elektrod yuzasi manfiy zaryadlanadi. Bu zaryad mis ionlarining eritmaga keyingi o'tishini oldini oladi. Ikki qavatli elektr qavat paydo bo'ladi va elektrokimyoviy muvozanat o'rnatiladi, bunda metall va eritmadagi ionlarning kimyoviy potentsiallari qo'sh elektr qatlamining potentsial farqining kattaligi bilan farqlanadi.
Elektrokimyoviy muvozanat tabiatan dinamik bo'lib, qo'sh elektr qatlamini tashkil etuvchi ionlar doimiy ravishda yangilanib turadi, ammo eritmadan metallga kationlar oqimi metalldan eritmaga kationlar oqimiga teng, shuning uchun elektrodning potensiali o'z qiymatini saqlab qoladi. o'zgarmas shartlar. Uning qiymati elektrod va erituvchi materialning tabiatiga, qo'sh elektr qatlamini tashkil etuvchi eritmadagi ionlarning konsentratsiyasiga va haroratga bog'liq.
Bir nechta ionlarni o'z ichiga olgan fazalar o'rtasida o'rnatiladigan muvozanatning yana bir turi, ulardan biri interfeys orqali osongina o'tadi, boshqalari uchun bunday o'tish fazoviy yoki kimyoviy sabablarga ko'ra qiyin, shisha eritma yoki ion almashinadigan qatronlar chegaralarida. (ion almashtirgich) - eritma. Ushbu turdagi muvozanat membrana muvozanati deb ataladi. Ikki o'xshash fazalar orasidagi interfeysda elektr qatlami ham hosil bo'ladi va mos keladigan potentsial sakrash paydo bo'ladi - membrana potentsiali.
Ikki qavatli elektr oksidlanish-qaytarilish jarayonlari natijasida yuzaga keladi va elektrod materialining oksidlanish qobiliyatini aks ettiradi. Elektrod materialining oksidlanishi qanchalik oson bo'lsa katta miqdor ionlar, qolgan barcha narsalar teng bo'lsa, elektrodning kristall panjarasini eritma ichiga qoldiradi va uning potentsiali qanchalik salbiy bo'ladi. Shuning uchun elektrodning normal sharoitda o'lchanadigan potentsiali oksidlanish-qaytarilish potensiali deb ataladi.
Har qanday nuqtaning potentsialini eksperimental ravishda o'lchash mumkin emas, lekin uning qiymatini har qanday nuqtaga nisbatan o'lchash mumkin, ya'ni. potentsial farq. Oksidlanish-qaytarilish potentsiallarini o'lchashda standart vodorod elektrodi (SHE) mos yozuvlar nuqtasi sifatida ishlatiladi. UHE potentsiali mis elektrodidagi jarayonlarga o'xshash oksidlanish-qaytarilish jarayonlari asosida hosil bo'ladi, ammo uning potentsiali nolga teng deb qabul qilindi. Elektrodning potentsiali agar elektrod SHE dan ko'ra ijobiyroq zaryadlangan bo'lsa, ijobiy hisoblanadi va standart vodorod elektrodidan ko'ra salbiyroq zaryadlangan bo'lsa, salbiy hisoblanadi.
Materiallarning oksidlanish-qaytarilish sig'imlari standart elektrod potentsiallari bilan taqqoslanadi.
Standart elektrod potentsiali - berilgan elektrod va standart vodorod elektrodi o'rtasidagi potentsial farq, agar reaktsiyada ishtirok etuvchi barcha moddalarning faolligi birlikka teng bo'lsa..
Barcha elektrodlar standart elektrod potentsialiga ko'ra bir qatorda joylashtirilishi mumkin. Elektrodlarni yozishda ion-elektrod ketma-ketligi qo'llaniladi. Elektrodning javobi pasayish javobi sifatida qayd etiladi, ya'ni. elektronlarning biriktirilishi.
Standart elektrod potentsialining qiymati elektrod reaktsiyasining ionni kamaytirish yo'nalishi bo'yicha davom etish tendentsiyasini tavsiflaydi. Elektrod reaktsiyasi qanchalik past bo'lsa, shunga moyillik shunchalik yuqori bo'ladi. oksidlangan shakl elektronlarni biriktiradi va qaytarilgan shaklga aylanadi. Aksincha, jadvalda elektrod reaktsiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, qisqartirilgan shaklning elektronlardan voz kechish va oksidlangan shaklga o'tish tendentsiyasi shunchalik yuqori bo'ladi. Masalan, natriy va kaliy faol metallar juda katta manfiy standart elektrod potentsialiga ega va. shuning uchun elektronlarni yo'qotish uchun kuchli tendentsiyani ko'rsatadi.
Har qanday element yoki ionning bitta faolligida kamaytirilgan shakli kamroq salbiy standart elektrod potentsialiga ega bo'lgan element yoki ionning oksidlangan shaklini tiklaydi.
Ikki elektroddan tashkil topgan tizimni ko'rib chiqing, masalan, sink va mis. Ularning har biri o'z tuzining eritmasiga botiriladi va eritmalar elektrolitik kalit bilan bog'lanadi. Kalit eritmalarning elektr aloqasini ta'minlaydi, lekin hujayraning bir qismidan boshqasiga ionlarning o'tishiga yo'l qo'ymaydi.
Bunday sistemadagi metallarning har biri eritma bilan uning muvozanatiga mos keladigan ionlar miqdorini eritma ichiga chiqaradi. Biroq, bu metallarning muvozanat potentsiallari bir xil emas. Rux misga qaraganda ionni eritmaga chiqarish qobiliyatiga ega va shuning uchun yuqori manfiy zaryad oladi. U misga qaraganda ko'proq ortiqcha elektronlarni o'z ichiga oladi. Agar hozir elektrodlar sim (tashqi zanjir) bilan ulangan bo'lsa, u holda ortiqcha elektronlar tashqi kontur bo'ylab sinkdan misga oqib o'tadi va shu bilan ikkala elektroddagi qo'sh qavatning muvozanatini buzadi. Rux elektrodida zaryad kamayadi va ionlarning bir qismi yana elektrodni tark etadi, mis elektrodda esa elektrodlar muvozanat holatidan ko'proq bo'ladi va shuning uchun eritmadagi ionlarning bir qismi zaryadsizlanadi. elektrod. Elektrodlarning zaryadlarida yana farq bo'ladi. Elektronlarning tashqi kontur bo'ylab sinkdan misga o'tishi yana sodir bo'ladi. Bu yana ion almashinuvini boshlaydi va butun sink elektrodi eriguncha davom etadi.
Shunday qilib, o'z-o'zidan sodir bo'ladigan jarayon yuzaga keladi, bunda sink elektrodi eriydi va misga mis ionlari chiqariladi va metall mis chiqariladi. Elektronlarning sim bo'ylab rux plastinkasidan mis plastinkaga o'tishi elektr tokini hosil qiladi. U turli jarayonlarni amalga oshirish uchun ishlatilishi mumkin. bunday qurilma galvanik element deb ataladi.
Galvanik element - bu ma'lum bir kimyoviy reaktsiya tufayli elektr tokini olish imkonini beradigan har qanday qurilma.
Galvanik elementning elektrod potentsiallarining farqi uning aniqlangan sharoitlariga bog'liq. Galvanik elementdagi eng katta potentsial farq elektromotor kuch deb ataladi. (EMF).
Har qanday galvanik konturning markazida oksidlanish elektrodlarning birida (salbiy) sodir bo'ladigan tarzda amalga oshiriladigan oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasi, bu holda sinkning erishi, ikkinchisida (ijobiy) - qaytarilish, ya'ni. misni ajratish.
Daniel-Jakobi elektrokimyoviy elementi ularning tuzlarining sulfat kislota eritmalariga botirilgan mis va rux plitalaridan iborat. Ushbu eritmalar eritmalarni aralashtirishga imkon bermaydigan gözenekli qism bilan ajratiladi. Bunday tizim joriy manba hisoblanadi. Musbat qutb mis plastinka, manfiy qutb sinkdir. Ushbu elementning ishlashi jarayonida sink plitasi eriydi va mis plastinkadagi eritmadan mis cho'kadi.
Eritmada mis va rux ion sifatida mavjud. Oksidlanish reaktsiyasi sink elektrodida sodir bo'ladi:
Natijada rux kationlar holida eritmaga kiradi va qolgan elektronlar unga manfiy zaryad beradi. Mis elektrodda eritmadan mis plastinkasiga yaqinlashib, uning ustiga yotqizilgan mis ionlarining qaytarilish reaktsiyasi sodir bo'ladi:
Ushbu reaksiya natijasida mis plastinkaning ma'lum miqdordagi erkin elektronlari iste'mol qilinadi va u musbat zaryad oladi. Umumiy javob:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu yoki Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu
Bu reaktsiya normal sharoitda o'z-o'zidan paydo bo'lishi mumkin. Ammo keyin oksidlanish va qaytarilish jarayonlari birlashtiriladi va elektronlarning harakati qisqa yo'lda sodir bo'ladi va elektr toki paydo bo'lmaydi. Bu elektrodlarning teng bo'lmagan kimyoviy tabiati tufayli ishlaydigan galvanik hujayraning namunasidir.
Konsentratsiyali galvanik hujayralar bir xil tabiatdagi elektrodlardan iborat bo'lib, eritmalarning konsentratsiyasi har xil. Masalan, teng bo'lmagan konsentratsiyali kumush nitrat eritmalariga botirilgan ikkita kumush plastinani o'z ichiga olgan element. Kamroq konsentrlangan eritmaga botirilgan plastinka salbiy qutb, ikkinchisi esa ijobiydir. Elementning ishlashi paytida manfiy plastinka eriydi va kumush musbatga cho'ktiriladi.
Salbiy elektrod:
Ijobiy elektrod: