Понятие электролиз в химии

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролиз дегеніміз – электролит балқымасы немесе ерітіндісі арқылы электр тогы өткенде электродтарда жүретін тотығу – тотықсыздану реакциялары.

Осы кезде катодта тотығу, яғни катод электролиз процесі кезінде тотықсыздану, ал анод тотықтыру ролін атқарады. Электр тогының тотықтыру және тотықсыздану құбылысы химиялық құбылыс кезіндегі тотығу тотықсызданудан анағұрлым күштірек. Электродтық процеске:

а) электрод құрлысы;

б) электрод табиғаты;

в) электролиз жұмысы (ток тығыздығы. Температура) әсер етеді.

14.1 Электрод құрылысының әсері

а) Катодта жүретін тотықсыздану процесі электротерістілік қатар бойынша жүзеге асады.

K Na Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Au

3 2 1

Электротерістілік қатарын үш топқа бөлуге болады. Бірінші топ катиондар сутегіден бірінші тотықсызданады. Екінші топ катиондары сутегімен бірге тотықсызданады. Үшінші топ катиондары тек ерітіндіде сутегі иондары жоқ болған кезде ғана тотықсызданады.

ә) Аниондардың тотығу процесі анодта мына тәртіппен жүреді:

I^- Br^- Cl^- OH^- SO NO PO т.б.

2Cl^- - 2 → Cl₂

4OH^- + 4 → O₂ + 2H₂O

Мысалға: Электр тогы мыс сульфатының және натрий хлориді ерітінділерінен өткен. Бұл кезде катодта Na⁺, Cu²⁺, ал анодта Cl^-, OH^-, SO иондары болады. Cu²⁺ пен Cl^- иондарын жоғалтады.

К (-) Na⁺, Cu²⁺, H⁺ Cu²⁺ + 2 → Cu⁰

A (+) Cl^-, OH^-, SO 2Cl^- - 2 → Cl₂↑

Ерітіндіде натрийдің сульфаты Na₂SO₄ мен су H₂O болады.

б) Күміс нитратының AgNO₃, калий сульфаты K₂SO₄ және мырыш хлоридінің ZnCl₂ ерітінділерінің және мыс сульфатымен калий хлоридінің CuSO₄ + KCl балқымасының электролиз схемасын көрсет.

1) Электрод табиғатының әсері

Электролиз процесін электролит табиғаты көп әсер етеді. Еритін және ерімейтін электрод болады. Ерімейтін электродтар графиттер, платинадтар, иридидан жасалады. Электролиз процесі кезінде ерімейтін электрод өздері электронды бермейді, электрондар тотыққан аниондар және су молекуласы есебінде бермейді.

Электронды беру кезінде электрод пен еритін арасында тепе-теңдік орнайды.

Ме → Ме⁺ + е^- және анод ериді

Анод ерітінді

Еритін электродтар күмістен, мырыштан, кадмийдан т.б. жасалынады.

Мысалға: ZnCl – электролизі

К (-) Zn²⁺ + 2 → Zn⁰

A (+) Zn⁰ - 2 → Zn²⁺

Электролизді Фарадейдің заңымен түсіндіруге болады:

Анодтағы тотыққан немесе катодтағы тотықсызданған зат массасы электролит ерітіндісінен өткен ток мөлшеріне тура пропорционал.

m = K*Q

немесе

m = K * I *t

2) Әр түрлі зат массасы, тотығатын немесе тотықсызданатын электродқа бірдей мөлшерде ток жібергенде, химиялық эквивалентіне тура пропорционал:

мұндағы, m – тотыққан немесе тотықсызданған зат массасы, Э – эквивалент, І – тоқ күші, t – уақыт, Ғ – Фарадей саны.

Бұл анализден мынандай қорытындылар жасауға болады.

а) Егер H = Q = 96500 кулон, онда m = Э

ә) Егер H = Q = I*K , онда m = .

б) Егер металл электротерістілік қатарда неғұрлым солға қарай орналасса, соғұрлым химиялық активті және оңай өз ионынан тотығып, қиын тотықсызданады.

в) Бұл қатардың әрбір металы сутегіге дейін орналасқан тотықсызданып, қышқыл қалдықтарымен қосылып өзінің тұздарын түзеді.

г) Ал сутегіден кейін орналасқан металдар қышқылдың құрамынан сутегіні ығыстырып шығара алмайды.

д) Екі берілген элемент бір – бірінен неғұрлым алыс орналасса, олардан гальваникалық элемент құрағанда соғұрлым ЭҚК-і үлкен болады. Гальваникалық элементтің ЭҚК-ін табу үшін алгебралық мәні жоғары стандартты потенциалдан алгебралық мәні төмен стандартты потенциалды алып тастау керек. Гальваникалық элемент тек электроқозғаушы күші болған жағдайда ғана жұмыс істейді.

Металдың активтілік ионы бірге тең болмаған а ≠1 жағдайда, 25⁰С температурада электрондық потенциал Нернст теңдеуімен өрнектеледі:

Е = E₀ + ; (а)

мұндағы, Е₀ – стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалы, R – универсал газ тұрақтысы (8,316 Дж/град*моль), Ғ – Фарадей саны (96500Кл), n – ауысатын электрон саны, Т – абсолютті температура (273К), С – ерітіндідегі металл ионының концентрациясы.

Осы сан мәндерді орнына қойып жинақтағанда мына теңдеу шығады:

Е = E₀ + (ә)

Стандартты электрондық потенциалды және Нернст теңдеуін қолдана отырып, біз әртүрлі электролит концентрациясындағы гальваникалық элементтің ЭҚК-ін таба аламыз.

(-) Zn / Zn²⁺ // Cu²⁺ / Cu(+)

Бір сызық, ол электрод ерітіндінің шекарасын, ал екі сызық, ол ерітінділер шекарасын, (+) таңбасы анод, ал (-) таңбасы катодты білдіреді. Әрбір ОХ/Red жұп элементтерінің тотыққан (ОХ) және тотықсызданған (Red) күйін көрсетеді. (Sn⁴⁺/Sn²⁺; Fe³⁺/Fe²⁺).

Осыған байланысты Нернст теңдеуін былай жазуға болады.

E = E₀ + (б)

мұндағы, С^х_ОХ немесе С^х тотыққан концентарциясы, ал С^У_Red немесе С^У_redC^y – тотықсызданған концентрация, х тотыққан кездегі, ал у – тотықсызданған кездегі коэффициент.

Электрондық потенциалдың сан мәні неғұрлым кіші сан болса, редокс жұпқа кіретін бөлшектің тотықсыздану қасиеті басым, ал керісінше неғұрлым үлкен сан болса, соғұрлым редокс жұпқа кіретін бөлшектің тотықтыру қасиеті басым болады. Тотығу – тотықсыздану процесін біле отырып, біз тотығу – тотықсыздану процесі қай бағытта жүретінін біле аламыз.

ЭҚК = E_{тотыққан} - Е_{тотықсызданған}

немесе,

ЭҚК = Е_ОХ - Е_Red