11. Электрхимия туралы түсінік

Химиялық реакциялардың нәтижесінде электр тогҢн процестерҢн және электр тоғының әсерінен химиялық реакциялар жүру процестерін зерттейтін химияның саласын электр химиясы дейдҢ.

11.1Гальвани элементі

Егер мырышты мыс сульфатының ерітіндісіне салсақ, мынадай реакция жүреді:

Zn⁰ + CuSO₄ = ZnSO₄ +Cu⁰

Бұл тотығу-тотықсыздану реакциясы

Zn⁰ - 2е = Zn²⁺ – тотығу

Cu²⁺+2e = Cu⁰ – тотықсыздану

Осы процестер мырыштың ерітіндіге тиіп тұрған жерінде жүреді.

Егер осы реакцияларды бір ыдыста, бірақ бөлінген кеңістіктерде жүргізсе, Даниэль-Якоби элементі деген қондырма шығады. Бұл қондырма гальвани элементі деп аталады және электр тоғының химиялық көзі болып табылады. Гальвани элементінде мырыш мырыш сульфатының ерітіндісіне, ал мыс мыс сульфатының ерітіндісіне салынады.

8.1-суре. Гальвани элементі

Ерітіндіге салынған металдар “электродтар” деп аталады, олар сыммен жалғанады, екеуінің ортасына амперметр қойылады. Амперметрдің стрелкасы қозғалса тізбек арқылы электр тоғы жүргені, демек химиялық реакцияның энергиясы электрлік энергияға айналғаны.

Гальвани элементінің схемасы:

Zn/Zn²⁺ Cu²⁺/Cu⁰

11.2 Гальвани элементінің электрқозғаушы күші

Егер гальвани элементінде тізбекке вольтметр қоссақ, екі электродтың арасындағы потенциалдар айырымын өлшеуге болады. Бұл потенциалдар айырымы мырыш пен Cu^2+-ионының арасында жүретін тотығу – тотықсыздану реакциясының нәтижесінде пайда болады. Оны осы гальвани элементінің электр қозғаушы күші деп атайды.

Стандартты электродтық потенциал

Әрбір металды электродтың потенциалдарын өлшеу қиын, сондықтан олардың салыстырмалы потенциалдары өлшенеді. Ол үшін потенциалын өлшеу керек болған металдан және қалыпты сутекті электродтан Гальвани элементін құрады. Металл ионының концентрациясын 1 моль/л-ге тең етіп алады. Осылай анықталған электр қозғаушы күш осы металдың стандартты электродты потенциалы деп аталады. (Сутекті электродтың потенциалы 0-ге тең). Мысалы: E⁰ =(Zn/Zn²⁺) = -0,76В. Бірқатар элементтердің стандарттық электродтық потенциалдарын 8.1-кестеде келтірдік.

Стандартты электродты потенциалдың өзгеруі бойынша металдар кернеу қатарына орналасқан. Ол қатарды электр химиялық қатар дейді.

Электр қозғаушы күшті есептеу

Егер стандарттық электродтық потенциалдар белгілі болса, кез келген гальвани элементі үшін, басқаша айтқанда, кез келген тотығу-тотықсыздану реакциясы үшін электр қозғаушы күшті (Э.Қ.К.) есептеуге болады. Ол үшін тотықтырғыштың потенциалынан тотықсыздандырғыштың потенциалын алу керек (Э.Қ.К. немесе Е).

Мысалы: мыс-мырышты гальвани элементі үшін

Э.Қ.К. = E⁰ _Cu/Cu²⁺- E⁰ _Zn/Zn²⁺= 0,34-(-0,76) = +1.1В

11.3Нернст теңдеуі

Гальвани элементтері – қайтымды ж‰йе. Бұл ж‰йеде жұмыс жасалады, сондықтан оны Гиббс энергиясымен сипаттауға болады:

(G = (H - T(S

Стандартты жағдайда энтропиялық фактор T(S - өте аз шама, сондықтан (G энтальпиялық фактормен анықталады, ал энтальпиялық фактор ж‰йедегҢ жұмысты, демек ішкі энергияның өзгеруін көрсетеді. Ал гальвани элементі үшін мұндай жұмыс электр қозғаушы күштің пайда болуына жұмсалады, сондықтан:

(G = - nFE, бұл формулада (G - Гиббс энергиясы, n - тотығу -тотықсыздандыруға қатысқан электрондар саны, E- электр қозғаушы күш, F - Фарадей тұрақтысы.

Ал басқа жағынан қарастырғанда, ТТР қайтымды ж‰йе, демек:

(G = - RT lnK, бұл формулада K- тепе-теңдік константасы,

Сонда: RT lnK = - nFE

RT lnK

Осы теңдеуден стандартты жағдай үшін. Е =

nF

Ал егер ж‰йе стандартты жағдайдан өзгеше жағдайда болса, концентрация 1моль/л ден артық не кем болса, Э.Қ.К. былай есептеледі , яғни Нернст теңдеуі басқаша, толығырақ жазылады:

RT [тотыққан]

Е = Е⁰ + ln

nF [тотықсызданған]

Мысалы: Fe³⁺ + e =Fe²⁺

RT [Fe³⁺ ]

Е= Е⁰ + ln

nF [Fe²⁺]

осы теңдеуге тұрақтыларды қойсақ:

0,058 [Fe³⁺ ]

Е = Е⁰ + ln

nF [Fe²⁺]

11.4 ТТР-дің жүру бағыты

Егер (G < 0 болса, ал Э.Қ.К. > 0 болса, ТТР стандартты жағдайда өз еркімен тура бағытта жүре алады. Ал егер Е < 0 болса, ТТР өз еркімен тура бағытта жүрмейді.

Мысал :

KІ + 2 FeCl₃ ( І₂ + 2FeCl₂ + 2KCl

Fe³⁺ + e ( Fe²⁺

^{тотықсыздану тотығу}

Тотықтырғыш үшін:

Е⁰_(Fe⁺³_{/ Fe}²⁺₎ = -0,77 B

Тотықсыздандырғыш үшін: 2І - 2e = І₂ - тотығу процесі

Е⁰_{( І}^-_{/ І}⁰ ₎ = -0,54 B

E = 0,77 – 0,54 = 0,23B

E > 0 реакция тура бағытта жүреді.

Ал егер

КBr + 2 FeCl₃ = - бұл реакция жүрмейді, себебі

Е⁰_{( Br}^-_/Br⁰ ₎ = 1,07 B

E = 0,77 – 1,07 = -0,30B E < 0