Конспектісі «э лектрохимияның Қолданбалы аспектілері»
жүктеу/скачать 0,6 Mb.
|
Лекция
- Бұл бет үшін навигация:
- Дәріс 1. Электрохимия пәні. Бірінші және екінші текті дирижерлар. Электрохимиялық реакциялардың ерекшеліктері.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ТАРАЗСКИЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. Х. ДУЛАТИ Дәріс конспектісі «ЭЛЕКТРОХИМИЯНЫҢ ҚОЛДАНБАЛЫ АСПЕКТІЛЕРІ» пән бойынша 7М05311 – Химия мамандығының магистранттарына арналған Тараз 2022 7М05311-«Химия» мамандықтарының магистранттарына «Электрохимияның қолданбалы аспектілері» пәні бойынша дәрістерді орындауға арналған әдістемелік нұсқау дәрісті әзірлеген: PhD докторы, «Химия және химиялық технология» кафедрасының доцент м.а. Нұрлыбаева А.Н. Әдістемелік нұсқаулар «Химия және химиялық технология» кафедрасының отырысында талқыланды.
Электрохимия – физикалық химияның химиялық және электрлік құбылыстардың өзара байланысының заңдылықтарын зерттейтін бөлімі. Электрохимияның негізгі пәні ерітінділерден ток өткенде электродтарда болатын процестер – электродтық процестер. Электрохимияның екі негізгі бөлімін бөліп көрсетуге болады: электрод-ерітінді жүйелерінің тепе-теңдік күйлерін қамтитын электродтық процестердің термодинамикасы және осы процестердің уақыт бойынша жүру заңдылықтарын зерттейтін электродтық процестердің кинетикасы. Электрохимия электролиттер теориясын да зерттейді. Электрохимияның маңызы зор, өйткені электрохимия заңдары маңызды техникалық процестерді дамытудың теориялық негізі болып табылады - электролиз және электросинтез, т.б. ерітінділерден ток өткенде электродтарда химиялық өнімдерді алу (хлор мен сілтілерді алу, түсті және сирек металдарды алу және тазарту, органикалық қосылыстардың электросинтезі). Электролизді практикалық қолданудың маңызды саласы - металдармен гальванизация - электролиз. Электрохимиялық процестерге негізделген технологияның тағы бір маңызды саласы электр тогының көзі ретінде химиялық реакция қолданылатын химиялық ток көздерін (гальваникалық элементтер, батареяларды қоса) жасау болып табылады. Химиялық талдаудың электрохимиялық әдістері (электроанализ, кондуктометрия, потенциометрия, полярография және т.б.) үлкен дамуға ие болды. Электрохимияның ғылым ретінде пайда болуы 18-19 ғасырлар тоғысында болған Гальвани, Вольта және Петровтың есімдерімен байланысты. электрохимиялық (гальваникалық) элементтерді ашты және зерттеді. 19 ғасырдың бірінші жартысында Деви мен Фарадей электролизді зерттеді. ХІХ ғасырдың соңындағы электрохимияның қарқынды дамуы. Аррениустың (1887) электролиттік диссоциация теориясының пайда болуымен және Нернсттің электродтық процестердің термодинамикасындағы жұмыстарымен байланысты. Аррениус теориясын электростатикалық теорияны жасаған Дебай мен Гюкель (1923) жасады. Соңғы онжылдықтар электрохимиялық кинетиканың қарқынды дамуымен, асқын кернеу құбылыстарын зерттеумен, коррозиямен, гальваникалық жабынмен және т.б. БІРІНШІ ЖӘНЕ ЕКІНШІ ТҮРЛІ КОНДИРУГТОРЛАР. Қатты және сұйық өткізгіштер, олар арқылы электр тогы өтуі заттардың ион түріндегі берілуін тудырмайды, бірінші текті өткізгіштер деп аталады. Бірінші текті өткізгіштердегі электр тогы электрондар ағыны арқылы жүзеге асады (электрондық өткізгіштік). Мұндай өткізгіштерге қатты және сұйық металдар және кейбір бейметалдар (графит, мырыш және қорғасын сульфидтері) жатады. Электр тогы арқылы заттың ион түріндегі қозғалысын (иондық өткізгіштік) және токтың кіру және шығу нүктелерінде химиялық түрлендірулерді (электрохимиялық реакциялар) тудыратын заттарды екінші текті өткізгіштер деп атайды. Екінші түрдегі типтік өткізгіштерге тұздардың, қышқылдардың және негіздердің судағы және кейбір басқа еріткіштердегі, балқытылған тұздардағы және кейбір қатты тұздардың ерітінділері жатады. Әдетте, екінші текті өткізгіштерде электр тогын оң (катиондар) және теріс (аниондар) иондар тасымалдайды, бірақ кейбір қатты тұздар бірполярлы өткізгіштікпен сипатталады, яғни олардағы ток тасымалдаушылар тек бір таңбалы иондар болып табылады. - катиондар (мысалы, AgCl-де) немесе аниондар (BaCl2, ZrO2+ CaO, сілтілі металдардың сұйық аммиактағы ерітінділері). Өткізгіштердің өткізгіштік түріне (электрондық немесе иондық) байланысты бөлінуі шартты болып табылады. Аралас өткізгіштігі бар қатты заттар белгілі, мысалы, Ag2S, ZnO, Cu2O және т.б. Кейбір тұздарда қыздырғанда иондық өткізгіштіктен аралас өткізгіштікке (CuCl) өту байқалады. Екінші текті өткізгіштер электролиттер деп аталады. Бұл таза заттар немесе ерітінділер болуы мүмкін. Электролиттер көбінесе ерітінділері электр тогын өткізетін заттар деп аталады. Бұл ерітінділер электролит ерітінділері деп аталады. ЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ РЕАКЦИЯЛАР. Электрохимиялық реакциялар электродтың (бірінші текті өткізгіш) – электролиттің (екінші текті өткізгіш) шекарасында жүреді. Олар электрондардың – электродтардағы ток тасымалдаушылардың электролитте еркін қозғала алмауынан туындайды. Бұл реакциялар ерітіндідегі электрод пен иондар (молекулалар) арасындағы электрондардың алмасуынан тұрады. Катодта электрондар электродтан ионға (немесе молекулаға), анодта - ионнан (молекуладан) электродқа ауысады, ал иондар (молекулалар) электр зарядын жоғалтады немесе өзгертеді. Бұл біріншілік электрохимиялық реакция, оның өнімдері көбінесе иондар арқылы ток берумен тікелей байланысты емес келесі реакцияларға түседі. Катодтық реакцияларға келесі реакциялар мысал бола алады: Cu2+ + 2e → Cu (1) Fe3+ + e → Fe2+ (2) 2H3O+ + 2e → H2(г) + 2H2O (3) На аноде могут протекать реакции типа: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e (4) Fe2+ → Fe3+ + e (5) 2Cl- →Cl2(г) + 2e (6) Zn → Zn2+ + 2e (7) Электрод материалы электрохимиялық реакцияға [реакция (7)] қатыса алады, бірақ ол инертті де болуы мүмкін (басқа реакциялар). Соңғы жағдайда электрод бетінде металдар [реакция (1)] немесе газдар [реакциялар (3, 4, 6)] бөлінуі мүмкін. Ақырында, электрохимиялық реакция ерітіндіден электродқа ионның тасымалдануы болмаған жағдайда да жүруі мүмкін және керісінше. Бұл жағдайларда электр тогын беру тек электрондар арқылы жүзеге асады, бірақ ерітіндідегі электрод бетінде иондар валенттілігін өзгертеді [реакциялар (2) және (5)]. Дәріс 2. «Электролиттік диссоциация туралы түсініктерді дамыту». Аррениустың электролиттік диссоциациялану теориясы. Электролит ерітінділеріндегі иондық тепе-теңдік. Электролиттік диссоциацияның классикалық теориясының кемшіліктері. Электролиттер ұғымын алғаш рет 19 ғасырдың бірінші жартысында М.Фарадей енгізді. Оның анықтамасы бойынша: Электролиттер – судағы ерітінділері немесе балқымалары электр тогын өткізетін заттар. Ток көзіне қосылған және электр шамы бар тізбек арқылы жалғанған графит таяқшаларын стақан суға салайық. Коммутатор қосулы кезде, көрінетін өзгерістер болмайды. Бұл судың электр тогын өткізбейтінін білдіреді, яғни ол электролит емес. Бір стақан суға натрий хлориді NaCl қосамыз. Шам жарқырап жыпылықтайды.Өткізгіштіктің болуы ерітіндідегі зарядталған бөлшектердің пайда болуын көрсетеді. Бөлшектердің бағытталған қозғалысы балқытылған тұздарда да байқалады (мысалы, натрий хлоридінің балқымасының электролизі катодта бөлінетін металл натрийді және анодта газ тәрізді хлорды алуға мүмкіндік береді). Анықтама Электр зарядын алып жүретін атомдар мен атомдар топтары иондар деп аталады. Оң зарядты иондарды катиондар, теріс зарядты иондарды аниондар деп атайды. Қосымша тәжірибеден кейін құрғақ ас тұзының электр тогын өткізбейтініне көз жеткізуге болады. Сонымен, тұз суда еріген кезде де балқымада бос иондар пайда болады деген қорытынды жасауға болады. Суға түскен кезде тұз кристалымен не болатынын атомдық деңгейде қарастырайық. Тұз - иондық кристалдық торы бар зат, оның түйіндерінде натрий катиондары мен хлорид аниондары орналасқан. Олар электростатикалық тартылыс күштерінің әсерінен бір-біріне жақын ұсталады. Су молекуласы диполь болып табылады, өйткені ішінара оң зарядтар сутегі атомдарында локализацияланған, ал оттегі атомында теріс. Су молекуласында оттегінің атомдық орбитальдары sp3 гибридизациясында (яғни оның тетраэдр пішіні бар) және жетіспейтін төрт орбитальдың екеуі екі жұп электрон арқылы түзілген (сыртқы оттегі деңгейінің электрондық конфигурациясы). 2s22p4). Демек, су молекуласындағы байланыстар арасындағы бұрыш шамамен 104 градусқа тең, яғни молекула сызықтық емес, бұрыштық пішінге ие. Осыған байланысты су молекуласы диполь, ал оның дипольдік моменті нөлге тең емес. Электролиттердің сулы ерітінділерінің қасиеттерін түсіндіру үшін С.Аррениус 1887 жылы электролиттік диссоциация теориясын ұсынды. Бұл теория неліктен кейбір заттардың ерітінділері электр тогын өткізетінін түсіндірді, бірақ неге кейбір заттар электролит, ал басқалары жоқ деген сұраққа жауап бермеді. Толығырақ, ерітінділердегі заттардың мінез-құлқының ерекшеліктерін Д.И. Менделеев, электролиттердің еруі кезінде еріген заттың молекулалары мен еріткіштің молекулалары арасында химиялық әсерлесу болатынын тәжірибе жүзінде дәлелдеген. Химиялық иондық байланыстың табиғаты негізінде электролиттік диссоциация процесінің мәні түсіндірілді. Д.И. теориясы бойынша. Менделеев, электролит молекулаларының электролиттік диссоциациясы үш сатыда жүреді. Бұл кезеңдерді ас тұзы NaCl мысалында қарастырайық. 1. Суға түскен кезде су молекулалары тұз кристалдарын қоршап, теріс зарядталған ұштары арқылы натрий катиондарына, оң зарядталған ұштары арқылы хлор аниондарына тартылады. Бұл кезең ассоциация деп аталады. 2. Электростатикалық әсерлесу салдарынан су молекулалары электролит молекуласын «тартып», кристалдағы иондар арасындағы байланыс әлсірейді және үзіледі, яғни молекулалардың диссоциациясы (ыдырауы) тікелей жүреді. 3. Судың дипольдері ыдырау кезінде түзілген иондарды, катиондарды және аниондарды толығымен қоршап, гидратациялық қабық түзеді. Гидратталған иондар ерітіндіге түседі. Сусыз ерітінділерде этанол сияқты басқа полярлы еріткіштер судың орнына диполь ретінде әрекет ете алады. Бұл жағдайда иондар еріткіш молекулаларымен қоршалған (сольватация қабығын құрайды) және сольватталған деп аталады. Сулы ерітіндідегі иондар су молекулаларымен қоршалған, яғни гидратталған қабықшаға ие және гидратталған деп аталады. Сонымен, жоғарыда сипатталған процесті мына теңдеумен сипаттауға болады: NaCl(aq)→Na(aq)+ + Cl(aq)− мұндағы Na(aq)+,Cl(aq)− гидратталған иондар, яғни. су молекулаларымен қоршалған иондар. Көп жағдайда бұл процесс иондардың гидратталған күйін көрсетпей, жеңілдетілген түрде жазылады: NaCl(aq)→Na+ + Cl− Заттың суда немесе балқуда ерігенде иондарға ыдырау процесі электролиттік диссоциация деп аталады. Электролиттік диссоциация бір мезгілде жүретін екі кері процесстен тұрады: диссоциациядан (молекулалардың иондарға ыдырауы) және ассоциациядан (иондардан молекулалардың түзілу процесі). Сондықтан электролиттік диссоциация теңдеуінде әрқашан ↔ белгісі қойылады. Су ерітінділерінде қышқылдар, күшті негіздер және еритін тұздар диссоциацияға ұшырайды: HCl↔H+ + Cl– NaOH↔Na+ + OH− Al2(SO4)3↔2Al3+ + 3SO42– Диссоциация кезінде ерітіндідегі бөлшектер санының күрт өсуі орын алады - бұл электролит ерітінділерін электролит емес ерітінділерден ажыратады. Сондықтан тұз ерітінділері электролит емес ерітінділерге қарағанда төмен температурада қатады. Әсіресе сутегі ионы Н+ жоғары гидратталған. Ол сулы ерітінділерде гидроний ионы H3O+ немесе одан да күрделі иондар түрінде кездеседі. Электролиттік диссоциация теориясының негізгі ережелері С.Аррениус пен Д.И.Менделеевтің электролиттік диссоциация теориясына сәйкес электролиттік диссоциация теориясының (ТЭД) негізгі ережелерін тұжырымдауға болады: Суда (немесе балқытылған) еріген кезде электролиттер оң және теріс зарядталған иондарға ыдырайды (электролиттік диссоциацияға ұшырайды). Электролиттік диссоциация – қайтымды процесс (кері реакция ассоциация деп аталады). Электролиттік диссоциация дәрежесі α иондарға ыдырайтын молекулалар санының жалпы (Ntotal) дисс ерітіндісіне енгізілген молекулалардың жалпы санына қатынасын көрсетеді. (Ndiss.) және электролит пен еріткіштің табиғатына, температура мен концентрацияға байланысты: α = Nдисс./Nжалпы Электролиттік диссоциация теориясына сүйене отырып, бейорганикалық қосылыстардың ең маңызды кластарын анықтауға болады.
жүктеу/скачать 0,6 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|