I. I. Qo`qonboyev, M. A. Yigitaliyeva
Download 0.65 Mb. Pdf ko'rish
|
elektrokimyo asoslariga oid masalalarni yechish usullari
- Bu sahifa navigatsiya:
- Aktiv metallarning kationlari Kam aktiv metallarning kationlari Passiv metallarning
- Elektroliz jarayonida elektrodda ajralib chiqadigan moddaning og`irlik miqdori eritmadan o`tgan elektr miqdoriga to`g`ri praporsionaldir.
- Agar bir necha elektrolit eritmasi orqali (ketma-ket ulangan holda) bir xil miqdorda elektr o`tkazilsa, elektrodlarda ajralib
- Elektr toki ta`sirida boradigan oksidlanish – qaytarilish reaksiyalari - elektroliz deyiladi.
- Agar tuz elektrokimyoviy kuchlanishlar qatorida vodoroddan
|
Elektroliz
XVI asrda statik birinchi generatorning yaratilishi va nemis fizigi Otto fon Gerike ishlari elektr haqidagi tadqiqotlarning boshlanishi hisoblanadi. Ingliz olimi Vilyam Gilbert 17 yil davomida magnetizmni, qisman elektr jarayonini ham o`rganadi. Uning tadqiqotlari magnitizm va elektr toki haqidagi bilimlarning rivojlanishiga katta ta`sir ko`satgan. Shu sababli u ―Magnetizm otasi‖ nomi bilan mashxur -yilda Otto fon Gerike ishqalanish hisobiga statik elektr ishlab chiqaruvchi birinchi elektr generatorini yaratgan. Generator qalin oltingugurt bilan qoplangan tutqich va shisha shardan iborat bo`lgan. XVIII asrning o`rtalariga kelib fransuz kimyogari Sharl Fransua Dyufe (Charles Franҫois de Cisternay du Fay) statik elektr tokining ikki turi mavjudligi to`g`risida xulosa chiqaradi. Uning fikriga ko`ra elektr toki ikki qarama - qarshi manfiy va musbat ―flyuid‖lardan tashkil topgan Bu nazariyaga qarshi B Franklin statik elektr toki bir flyuiddan tashkil topganligini aytadi, zaryadni esa shu flyuidning ortiqchaligi yoki yetishmasligi bilan tushuntiradi. 1781-yil Sharl Ogyusten Klaun (Charles-Augustin de Coulomb) zaryadlangan jismlarning o`zaro ta`sirini tushuntiruvchi ―Kulon qonunini‖ taklif qiladi 1771-yil italyan anatomi va fiziologi Luiji Galvani (Luigi Galvani) ning baqa oyoqlaridan preparat tayyorlangan mushaklari bilan o`tkazgan tajribalari elektrokimyoning rivojlanishiga katta
turtki bo`ldi.
Galvanining aniqlashicha muskullarga har xil metallar joylashtirib o`tkazgichlar yordamida tutashtirilganda baqa mushaklari qisqaradi.
1791-yil uning ―De Viribus Elecitatis in Motu Musculari Commentarius‖ Muskul harakatlaridagi elektr kuchlarining traktatlari haqida) nomli ishi e`lon qilinadi. Unda Galvani muskul va nervlarga ikki metal joylashtirilganda faollashuvchi ―Hayvonlarda elektr‖ mavjudligi haqida o`z fikrlarini bildiradi. Bu ish shov- shuvga sabab bo`ldi. U chaqmoq urganda hosil bo`luvchi bu yangi kuch ―tabbiy‖ shakliga qo`shiladigan elektrning shakllardan biri ekanligiga, shuningdek ishqalanishda hosil bo`ladigan suniy ―tabiiy bo`lmagan‖static elektr borligiga ishonadi. Galvani ishlarida birinchi marta kimyoviv reaksiyalar va elektr toki o`rtasida bog`liqlik borligi haqidagi tasavvurlar paydo bo`ladi. 1791-yil elektrokimyoning ―tug`ilgan vaqti‖ hisoblanadi Ko`pchilik olimlar Galvani nazariyasini qabul qilgan, biroq A.Volta (Alessandro Volta) qarshi bo`lgan. Voltaning fikricha muskullar faqat elektr toki o`tkazuvchi hisoblanadi, uning manbai emas. Shunda Galvani muskullarning qiqarishini ularga metal qo`yib va metallsiz muskullarni son nerv tolalari bilan birlashtirib tajribani namoyish etadi. A.Volta 8 yil davomida elektr ishlab chiqaruvchi skatlar va ilonbaliqlarni o`rganadi. Uning tadqiqotlari natijasida 1799-yilda birinchi kimyoviy tok manbasi ―Volta ustuni‖ tayyorlanadi Bu juda nihoyatda muxim elektr toki manbasi bo`lib, ko`pgina kashfiyotlarni ochilishiga sabab bo`ladi. Jumladan 1808-1809-yillarda ingliz olimi Ganfri Devi (Humphry Davy) tomonidan Na, K, Ba, Sr, Ca, va Mg kabi metallarni toza holda olinishi. XVIII asrning oxirlariga kelib, nemis fizigi Vilgelm Ritter (Johann Wilhelm Ritter ―Galvanizm‖ nomli maqola yozadi va oddiy akkumulyator yaratadi. Ingliz olimi U. Nikkolson bilan birgalikda suvni
elektroliz yo`li bilan parchalab vodorod va kislorod olishadi. Shundan keyin tez orada V. Ritter galvanik qoplash jarayonini ishlab chiqadi. Uning aniqlashicha cho`kadigan metallning miqdori, shuningdek hosil bo`layotgan kislorod elektrodlar orasidagi masofaga bog`liq. 1801- yilda Ritter termoelektr tokni kuzatadi va uni tadqiq qilishni Tomas Zeebekga (Thomas Johann Seebeck) topshiradi. 1820-yilda G.X.Ersted davr kashfiyoti bo`lgan elektr tokidagi magnit effektini kashf qiladi. Andrey – Mari Amper (Andrѐ -Marie Ampѐre) Erstst tajribasini takrorlaydi va matematik ifodalaydi. 1821-yil nemis-eston fizigi T. Zeebek ikki har xil metallarni tutashtirish nuqtasida (bu nuqtalarda harorat farqlari bo`lgan) termoelktrik potensial namoyon bo`lishini namoyish qiladi. 1827-yilda nemis olimi G Om Ghm Georg Simon ―Die galvanische kette mathematisch bearbeitet‖ galvanik zanjirni matematik ishlanmasi) nomli mashxur kitobida o`z qonunini beradi va o`zining elektr toki haqidagi nazariyasini to`liq tushuntiradi. - yil mashxur ingliz fizigi Maykl Faradey (Michael Faraday) elektroliz qonunlarini kash qiladi va elektrolit, elektrod, katod, anod, kation, anion kabi tushunchalarni kiritadi. 1836-yil D.Daniel birlamchi elektr tokini yaratadi. Daniel qutblanish muammosi bilan shug`ullanadi. 1839-yilda ingliz fizigi Uilyan Robert Grove (Grove) birinchi issiqlik elementini yaratadi. 1866-yilda fransuz Jorj Leklanshe (Georges Leslanchѐ) yangi element– ko`mir-rux galvanik elementi uchun patent oladi.
1884-yilda Svante Arienus Svante August Arrhenius ―Recherches sur la conductibilitѐ galvanique des ѐlectrolytesc‖ elektrolitlarning galvanik elektr o`tkazuvchanligini tadqiq qilish) nomli desertatsiyasini chop qiladi. Uning fikriga ko`ra elektrolitlar eriganda musbat va manfiy ionlarga parchalanadi. 1886-yilda Pol Lui Tussen (Paul Hѐroult) va Charlz Holl (Charles M. Hall), bir vaqtda bir-biridan mustasno Faradey qonunlari asosida alyuminiyni elektroliz yo`li bilan sanoat usulida olish usulini ishlab chiqadilar. 1888-yil V.Nernest elektrolit eritmasiga tushirilgan ikki
elektrolitdan iborat birlamchi elementdagi elektr yurituvchi kuch nazariyasini yaratadi. U keyinchalik Nernest tenglamasi deb nomlangan mashxur ionlarning konsentratsiyasi va elektr yurituvchi kuchning bog`liqlik tenglamasini ishlab chiqadi. 1894-yil F.Ostvald (Fridrich Ostwald) organik kislotalarning elektrolitik dissotsiyalanishi va elektr o`tkazuvchanligi ustidagi muhim tadqiqotlarini yakunlaydi. 1902-yil Elektrokimyogarlar jamiyati - The Electrochemical Society (ECS), 1949-yil Xalqaro elektrokimyogarlar jamiyati - International Society of Electrochemistry (ISE) tashkil topadi. 1959-yil chex olimi Yaroslav Geyerovskiy Jaroslav Heyrovský elektrokimyoviy analizning yangi turi- polyarografiya rivojlantirish soxasidagi kashfiyoti uchun Nobel mukofotiga sazovor bo`ladi.
Gazlardagi elektroliz ionizator ishtirokida boradi va bu jarayon quyidagicha tushuntiriladi: ionlashgan gazdan doimiy elektr toki o`tganda elektrodlarda moddalarning ajralishi kuzatiladi. Faradey qonunlari gazlarga ta`sir ko`rsatmaydi biroq gazlar uchun ham ayrim qonuniyatlar mavjud: 1) Ionizator ishtirokisiz hatto yuqori kuchlanishda ham elektroliz bormaydi. 2) Ayrim gazlar va kislorodsiz kislotalargina gaz holatida elektrolizga uchrashi mumkin. 3) Elektroliz tenglamasi elektrolitlardagi kabi gazlarda ham o`zgarmasdan doimiyligicha qoladi. Elektrokimyo- kimyo fanlarining bir bo`limi bo`lib, sistemalardan yoki fazalar chegarasida elektr toki o`tganda elektrodlarda (metallardan yoki yarim o`tkazgichlardan, grafit), o`tkazgichlarda va ionli o`tkazgichlarda (elektrolitlarda) boradigan jarayonlarni o`rganadi. Elektrokimyo elektod atrofida sodir bo`ladigan oksidlanish- qaytarilish jarayonlarida elektronlar va ionlarning almashinuvini o`rganadi. Elektrokimyo molekuladan molekulaga to`g`ridan- to`g`ri zaryad o`tishini o`rganmaydi.
Ionning kimyoviy ekvivalenti deb - ionning molyar massasini uning valentligiga nisbatiga aytiladi. Elektrokimyoviy ekvivalentning matematik ifodasi
Bu yerda F=faraday doimiysi
Faradeyning ikkinchi qonunini quyidagi ko`rinishda yiozish mumkin:
Bu yerda M elektroliz natijasida hosil bo`lgan moddaning molyar massasi (hosil bo`lgan bo`lishi shart emas hosil bo`lish vaqtida boshqa qandaydir reaksiyaga kirishishi ham mumkin), g/mol; I eritma yoki suyuqlanmadan o`tgan tok miqdori, A; elektroliz brogan vaqt, sek; F Faraday doimiysi K∙mol - ; n- elektroliz jarayonida bevasita ishtirok etgan elektronlar soni. Moddalarning elektroliz vaqtida o`zgarishi. O`zidan elektr toki o`tganda hamma moddalar ham elektrolizga uchrayvermaydi. Elektroliz uchun ba`zi qonuniyat va qoidalar mavjud. Aktiv metallarning kationlari Kam aktiv metallarning kationlari Passiv metallarning kationlari Li + , Cs + , Rb + , K
+ , Ba Sr
, Ca
, Na
+ , Mg ,Be
, Al
Mn , Cr , Zn , Ga , Fe
, Fe
, Cd
, In , Tl
+ , Co
, Ni
, Mo , Sn
, Pb
Bi , Cu
, Ag
+ , Hg
, Pd , Pt
, Au
Qiyin parchalanadi(faqat suyuqlanmalarida), suvli eritmalarida suv elektrolizga uchrab vodorod
ajralib chiqadi. Suvli eritmalarda metall qaytariladi (eritmada kationlar konsentratsiyasi kam bo`lganda metal va vodorod) Oson parchalanadi va faqat metal
qaytariladi Kislorod tutuvchi kislota anionlari va ftorid ioni Gidroksil ionlari; kislorodsiz kislota anionlari (ftoriddan tashqari)
parchalanadi (faqat
suyuqlanmalarda), suvli eritmalarda Oson parchalanadi
suv osongina elektrolizga uchrab kislorod ajraladi. Suyuqlanmalar: I. Faol metallar 1) faol metal va kislorodsiz kislota qoldiqli tuz NaCl Na + + Cl
- Katod (-): Na + + 1e =Na
Anod (+): Cl - -1e =Cl
; Cl
+ Cl
=Cl
Xulosa:
2) Faol metal va kislorodli kislota qoldiqli tuz Na
2Na
+ +SO
-
Katod (-): 2Na + +2e =2Na Anod (+): 2SO
-
+O
Xulosa: 3) Faol metal gidroksidi 4NaOH (elektroliz) 4Na + 2H
O + O
II. Kam faol metall III. Passiv metal Elektrokimyoda katod va anoddagi jarayonlarni esda saqlab qolish uchun quyidagi mnemonik qoidalar mavjud: ANodda ANionlar oksidlanadi. KATodda KATionlar qaytariladi. Birinchi qatordagi so`zlar bosh harflar bilan boshlanadi, ikkinchi qator esa undosh harflar bilan yoki yanada soddaroq: KATod KATionlar
ANod ANionlar Ingliz olimi M.Faradey elektrolitlar eritmalari elektrolizi ustida o`tkazgan bir qancha tajribalaridan elektr energiyasi bilan kimyoviy jarayonlar orasidagi miqdoriy bog`lanishlarni aniqladi va 1836-yilda quyidagi xulosaga keldi: Elektroliz jarayonida elektrodda ajralib chiqadigan moddaning og`irlik miqdori eritmadan o`tgan elektr miqdoriga to`g`ri praporsionaldir. Bu xulosa Faradeyning I-qonuni deb ataladi. Agar elektorodda ajralib chiqadigan moddaning massasini - m, elektr miqdorini - Q bilan belgilasak, u holda Faradeyning I-qonunining matematik ifodasi: m= K
Bu yerda K - elektroliz qilinayotgan elementning elektrokimyoviy ekvivalenti, ya`ni eritma orqali 1 Kulon zaryad o`tganda ajralib chiqadigan miqdoridir. Agar eritma orqali o`tgan tok miqdori – Q, tok kuchi-J, tok o`tgan vaqtini - t bilan belgilasak, Q=J
matematik ifodasi m= K
Agar bir necha stakan olib ularning birinchisiga NiCl , ikkinchisiga AgNO , uchinchisiga CuSO , to`rtinchisiga FeCl
eritmasi quyilib, har bir stakanga elektrodlar tushirilib, ularni ketma-ket ulansa va 26,8 amper-soat (96500 kulon) tok o`tkazilsa 1-stakanda 29,5 g nikel va 35,5 g xlor, ikkinchisida 108 g kumush va 8 g kislorod, uchinchisida 32,0 g mis va 8 g kislorod, to`rtinchi stakandagi elektrodlarda 18,67 g temir va 35,5 g xlor ajralib chiqadi. Kumush nitratning 1 molida Avagadro soniga teng (6,02
ta) kumush ioni bo`lishini hisobga olsak, 108 gr. Ag
ajratib chiqishi uchun 6,02
dona elektronni kumush ionini qabul qilishi zarur. Bir dona elektronni zaryadi 1,6
= 96500 kulon (F) tok o`tishi kerak bo`ladi. Ni
va Cu ionlari ikki zaryadli ion bo`lganligi tufayli Avagadro soniga teng
ta) elektron o`tganda 0,5 mol miqdorida (29,5 g .Ni, 32 g. Cu) ajralib chiqadi. Bitta temir ioni ajralib chiqishi uchun Avagadro sonidan uch barobar ko`p elektron zarur bo`ladi. Demak 6,02
ta elektron ta`sirida 56:3=18,67 g. temir ajralib chiqadi. Endi olingan raqamlar ayni metallarning gramm-ekvivalentlariga teng ekanligini bilib olish qiyin emas:
108
1 108
g Э Ni 5 , 29 2 59
g Э Cu 32 2 64 g Э Fe 67 , 18 3 56
Agar bir necha elektrolit eritmasi orqali (ketma-ket ulangan holda) bir xil miqdorda elektr o`tkazilsa, elektrodlarda ajralib chiqadigan moddalarning og`irlik miqdorlari ayni moddalarning kimyoviy ekvivalentlariga proporsional bo`ladi. Bu xulosa Faradeyning 2-qonuni deb ataladi va uning matematik ifodasi:
96500 ligidan Э K 965000 1 kelib chiqadi. Agar bu qiymat Faradeyning 1- qonuni formulasi o`rniga qo`yilsa:
965000 t i Э m kelib chiqadi va bu formula Faradeyning 1- va 2- qonunlarining matematik ifodasidir. Elektroliz jarayonida asosiy jarayondan tashqari turli qo`shimcha hodisalar ham sodir bo`lib turadi. Shuning uchun ham ma`lum miqdor elektr berilganda elektrodlarda ajralib chiqadigan moddaning miqdorlari Faradey qonunlari bilan hisoblanadigan miqdordan kamroq bo`ladi. Shunga ko`ra «tokka nisbatan unum» yoki «elektroliz unumi» degan tushuncha kiritilgan. Agar elektroliz unumi -(nyu) harfi bilan belgilansa: % 100 1 m m
Bu yerda m – Faradey qonuni bo`yicha ajralib chiqadigan moddaning massasi, m – amalda ajralib chiqadigan moddaning massasi. Agar bu qiymatga Faradeyning 1-va 2- qonunlari ifodasiga qo`yilsa: % 100 96500 1 t J Э m formulaga ega bo`lamiz. Test masalalarinida ko`pchilik hollarda vaqt soatlarda beriladi, bunday holatda 1 soat = 3600 sekund ekanligini hisobga olinsa, 96500:3600 = 26,8 amper-soat qo`yib echilsa ham bo`ladi.
U – simon nay olib, unga CuCl
eritmasidan quyamiz. Mis (II)- xlorid tuzi suvda eriganda mis va xlorid ionlariga ajraladi: CuCl
Cu
+2Cl
-
U – simon nayga ikkita elektrod tushiramiz va ularni o`zgarmas tok manbaiga ulaymiz. Bunda elektrodlarning manfiy qutbi katod (K), musbat qutbi esa anod (A) vazifasini o`taydi. O`zgarmas tok manbai go`yoki «elektron nasos» vazifasini bajaradi (akkumulyator yoki
o`zgaruvchan tokni o`zgarmas tok manbaiga aylantirib beruvchi to`g`rilagich). Elektrodlar o`zgarmas tok manbaiga ulangunga qadar eritmadagi mis va xlorid ionlari tartibsiz harakatda bo`ladi. Elektrodlar tok manbaiga ulangach, ionlarning tartibsiz harakati to`xtab, mis ionlari katod atrofiga, xlorid ionlari esa anod atrofiga to`planadi. Elektronini yo`qotgan mis ionlari elektronning kuchli oqimi ta`sirida katodda elektron qabul qilib qaytariladi: katodda: Cu
+2e - → Cu
(qaytarilish) Agar eritmadan bitta mis ioni katoddan ikkita elektron qabul qilib qaytarilsa, eritmada ikkita xlorid ionlari zaryadi hisobiga ikkita elektron ortiqcha bo`lib qoladi va ikkita xlorid ioni ikkita elektronni anodga beradi va oksidlanadi: anodda: 2 2 2 Cl e Cl (oksidlanish) Shunday qilib, tok manbaidan chiqib kelgan elektrodlar yana tok manbaiga (akkumulyator yoki tok to`g`rilagichga) qaytib ketadi, buni uzatgichlarga qo`yilgan ampermetr ham ko`rsatib turadi. Agar elektrodlar tok manbaidan uzib qo`yilsa anodda gaz ajralishi to`xtaydi. Demak, katodda misning qaytarilishi, anodda esa xlorning oksidlanishi
sodir bo`lmaydi. Agar sistemaga yana tok manbaiga ulansa katadda qaytarilish, anoda esa oksidlanish davom etadi. Elektr toki ta`sirida boradigan oksidlanish – qaytarilish reaksiyalari - elektroliz deyiladi. Mis (II) – xlorid tuzini elektrolizning birinchi holi deb qaraylikda moddani tashkil qiluvchi zarrachalarni tahlil kilib ko`raylik – mis metallarning elektrokimyoviy kuchlanishlar qatorida vodoroddan keyinda turadi:
Shunga ko`ra mis elektronini aktiv metallarga nisbatan qiyinlik bilan yo`qotadi va imkon bo`lganda yo`qotgan elektronini osonlik bilan qaytarib oladi. Xlorid ioni esa kislorodsiz kislotaning qoldig`i bo`lib, uning oksidlanishi hakida keyingi hollarda Yana to`xtab o`tamiz va elektroliz jarayonining I – xoli to`g`risida quyidagicha xulosa chiqaramiz:
Download 0.65 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|