Электр тоғын химиялық реакциялардан алу

Электр тоғын химиялық реакциялардан алу. Метал – ерітінді шекарасынадағы тепе – теңдік. Электродтық потенциал. Сутектік электрод. Стандартты сутекті электрод. Стандартты потенциалдар қатары. Гальваникалвқ элементтер. Металдардың электро – химиялық кернеу қатары. Стандартты ТТ – потенциалдары. Олардың ТТР жүруін болжаудағы, және тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыштардың активтігін салыстырудағы маңызы. Қышқыл, негіз, тұздардың судағы ерітінділердің электролизі. Фарадей заңдары.

... Жоғарыдағы көрсетілген ЭБ және ИЭБ - тәсілдерімен ТТР теңестіріп, М. В. Ломоносовтың зат масасының сақталу заңының негізінде коэффициенттерін қойып, теңдеулерін теңестірдік.

Сұрақтар тууы мүмкін: Бұл реакциялар қай бағытта жүреді? Тотықтырғыш пен тотықысздандырғыштарды анықтау үшін арнайы тәжірибе (эксперимент) қою керек пе? Немесе, басқадай түсініктер ме бар ма? Иә, бар. Жауапты беру үшін адамзат баласы, қиын да, ұзақ та жол жүрді...
Бұл сұрақтарға, тек қана 200 – жыл өткен соң: Гальвани мен Вольтаның (итальян ғалымдары), гальваникалық элементтер, ЭҚК пайда болу себептері ашылған соң ғана мүмкін болды.

1. Егер кез келген металл пластинкасын стакандағы суға салса, онда полярлы су молекуласының (диполь) әсерінен, біраз металл
ериді, металл беті оң зарядталады, ал катиондар Zn металл ішінде қалып, теріс зарядталады. Суға өткен катиондар, металл пластинкасының жанына орналасып екі электр қабатын құрады. Ал бұл, металл – ерітінді шекарасында, потенциал секірісін туғызады. ; Сонымен, катиондар ертінді көлеміне еркін жүзіп жүре алмайды. Сол себепті, металл – ерітінді шекарасында қос электр қабаты пайда болады, ал ол жацпақ конденсаторға ұқсас. Металдың теріс зарядтарын – қос электр қабаты бейтараптайды. (компенсация).
Конденсатордың заряды тығыз бөлігінде – заряд сызықша өзгерсе, ал диффузиялық бөлігінде - парабола тәрізді өзгереді. Потенциал секірімі - металл бетінен (электродтан) 10-4 см. Қашықтықта жүреді. Осы потенциал айырымы (секіру) – металдың электродтық потенциалы деп аталады.

2. Егер металл суға емес,концетрациясы төмен өзінің (ZnSO4) ерітіндісіне батырылса, онда қос қабаттың түзілуі судікіндей болады.
3. Егер ZnSO4 концентрациясы үлкен болса, онда катиондар металл бетінде бөлінеді де оң зарядталады (Zn2+ ), SO аниондары оған тартылып қос электр қабатты қабаты түзеді.
4. Егер Cu пластинкасын CuSO4 ерітіндісіне салсақ, онда да жоғарыдағы тәрізді – қабаты түзіледі.
5. Егер инертті электродтарды (Pt, көміртек, шыны көміртек) пайдалансақ, (электрод иондары ерітіндіде жоқ), онда да қос электр қабаты түзіледі. Мысалы, Pt + HCl + H нәтижесінде H Pt – да адсорбцияланып төмендегідей тепе – теңдік орнайды; H
Pt мен ерітіндінің арасында потенциал секірісі пайда болып, қос электр қабаты түзілуі. Pt, т.б. инертті электродтық ролі – электрон беріп, қосып алу.

Электродтық потенциалдың абсолюттік мәнін – тәжірибе арқылы табу мүмкін емес, сондықтан оны стандартты сутекті электродпен салыстырып анықтайды, оның потенциалы нольге тең деп алынады.

Стандартты сутекті электрод дегеніміз – 1н H2SO4 ерітіндісін түсірілген Pt – пластинкасы, ол 101,3 кПа қысымда, Т=298К температурада газ H жуылады.

Концентрациясы 1моль/литр (немесе активтігі) металл тұзының ерітіндісі мен метал шекарасында пайда болатын және сутек электродымен салыстырып өлшенетін – электродтық потенциалды – сол металдың стандарттық электр потенциалы деп атайды.

Стандартты электродтық потенциалдың өсуі бойынша металдарды қатарға орналастырсақ, металдардың электро – химиялық кернеу қатарын – алуға болады (таблица).
Бұл қатар, металл мен олардың иондардың ТТ - қасиеттерін, тек қана судағы ерітінділерінде сипаттайды. Электродтық потенциалдарды гальваникалық элементтердің көмегімен анықтаймыз.
Гальваникалық элементтердің жұмысына негізделген - ТТР бағыты - ЭҚК оң мәні жағына ығысады.
Мысалы: Концентрациялары ерітінділеріне түсірілген Mg және Zn құралған гальваникалық элементтердің электродтарында төменгі процестер жүреді: ; ;
ЭҚК ;
Электродтық потенциал: металл табиғатына, концентрацияға, температураға байланысты болады. Егер болса, Теңдеудің физикалық мәні - электродтың басты (негізгі) сипаттамасы.
Осы жерде сутектік электродтың құрылысын көрсетіп, оны электродтық потенциалды өлшеуге қолданып, тізбекке қосу (схема).
Электродтық потенциалды өлшеу негізінде, кейбір металдардың, сутектік электродтан оң зарядталатын көреміз, оларды асыл металдар деп атайды, олардың катиондары ерітіндіге өтпейді (ерімейді).
ТТР жүру бағытын осылай түсіндіреді (мысалы: өзінен кейін тұрған металдан жасалған электрод, бұрын тұрғанға қарағанда тотықсыздандырғыш болады). Сутекке дейінгі тұрған металдар (теріс стандартты электродты потенциал) HNO3, HCl, H2SO4, тіпті CH3COOH әрекеттеседі.
Ал олар сумен әрекеттесе ме, себебі судың құрамында да сутек бар ғой? Неліктен 1н H2SO4 системасының электродтық потенциалы нолге тең, ал басқа иондардан тазартылған судікі - 0,41B.
Шешімі: а) Нернст формуласы бойынша ал системасының электродтық потенциалы сутек ионының активтігіне байланысты, , сондықтан ; сондықтан
б). Тазартылған суда , сондықтан, ;
Осы себепке байланысты сутек солға қарай ығысып, активтік қатарында Zn пен Fe алдына шығады, бірақ әлі де сілтілік, сілтілік – жер металдарынан кейін орналасады, сондықтан олар сумен әрекеттесіп, H бөлінеді.
Ескерту: Осы мәселені металл катиондарын электролизге түсіргендегі до Al3+ ... после... заңдылықпен салыстыру керек.

Жоғарыда біз, электрод деп, өзінің ертіндіде иондары бар, кез – келген металды атадық. (соған түсірілген). Оларды - жаздық. Алымында – ттотықсыздандырғыш, бөлімінде – тотыққан формасы. Шын мәнінде – бұлар ТТ – жұптар. Сондықтан, өлшенген потенциалдар кестесіне тотықтырғыш, тотықсыздандырғыш енгізіп, ең соңғы графадағы (жолдағы) электродтық потенциал деген жерге стандартты ТТ – потенциалы деп жазамыз. (өз ерітіндісіне түсірілген металл демей, ТТ – потенциалы дейміз).

Сол себепті де металдардың тотыққан, тотықсызданған формаларында бос элементпен, иондар ғана емес сонымен қатар және оның иондары да болады. - тек орта ғана емес, ол - жүріп жатқан ТТР – ң ең белсенді қатысушысы болып табылады. ТТР – потенциалдарын Нернст теңдеуімен анықтайды:
;

Енді, химиялық ТТР энергиясын пайдаланып электр энергиясын қалай алуға болады?
Табиғатта энергия өмір сүріп келген, әлі де бар сондықтан оны алмайды, оны бір күйден екінші бір күйге айналдырады (немесе бір түрден екінші бүр түрге). (мысалы: ТЭЦ, ДЭС, ГЭС т.б КПД = 35-40%).

Атақты итальян ғалымдары Даниэль, Гальвани, Вольта ғаламат жаңалық ашып, қолымызға гальваникалық элементті берді және ЭҚК – ң пайда болу механизмін ашты. (Плакаттарды көрсету).

Барлығы түсінікті, бірақ электролитік көпір (мост) не үшін керек деген сұрақ туады?

Гальваникалық элемнттің жұмысының нәтижесінде, электрондар бір электродтан екіншісіне ауысып, ерітіндідегі электробейтараптықты бұзды. (ZnSO4 құйылған стаканда Zn2+ көбейіп, ал CuSO4 құйған стаканда - анионы көбейген).
Сондықтан, осы пайда болған потенциал айырымын жоғалту керек, оны аниондары электролиттік көпір (мост) арқылы мыс (Cu) электродынан, мырыш (Zn) электродына қарай ағып жояды. Осының нәтижесінде екі тасқын пайда болады:
а) Сыртқы тізбек арқылы ағылған электрон; б) Көпір (мост) арқылы қарсы аққан иондары. Мұны біз электр тоғы дейміз. Электрондар пайдалы жұмыс жасау үшін, оларды сыртқы тізбекпен қозғалтып, жүргізу керек.

Электролиз ТТ – процесі.
Электролиздің негізі. Тұрақты электр тоғының әсерінен жүретін ТТП – ді электролиз деп атайды. Электролиз кезінде, электр энергиясы химиялық энергияға айналады. Электр тоғының тотықтырғыш – тотықсыздандырғыш әсері химиялық реактивтердікінен әлдеқайда күштірек. Мысалы, химиялық кез – келген тотықтырғыш фторид ионнан (F-) оның электронын тартып ала алмайды. Сондытан да минералды табиғатта NaF, CaF2 көп тараса да, бос күйінде F2 алынбаған.