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धातुओं के विद्युतरसायन में लघु पाठ्यक्रम

हम पहले से ही क्षार धातु क्लोराइड के समाधान के इलेक्ट्रोलिसिस और पिघल का उपयोग करके धातुओं के उत्पादन से परिचित हो चुके हैं। आइए अब जलीय घोलों और गैल्वेनिक कोशिकाओं के इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री के कुछ नियमों का अध्ययन करने के लिए कई सरल प्रयोगों का उपयोग करने का प्रयास करें, और सुरक्षात्मक गैल्वेनिक कोटिंग्स के उत्पादन से भी परिचित हों।
आधुनिक विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान में इलेक्ट्रोकेमिकल विधियों का उपयोग किया जाता है और सैद्धांतिक रसायन विज्ञान की सबसे महत्वपूर्ण मात्रा निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाता है।
अंत में, धातु की वस्तुओं का क्षरण, जो राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था को बहुत नुकसान पहुंचाता है, ज्यादातर मामलों में एक विद्युत रासायनिक प्रक्रिया है।

धातु तनाव श्रृंखला

विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं को समझने की मूलभूत कड़ी धातुओं की वोल्टेज श्रृंखला है। धातुओं को एक श्रृंखला में व्यवस्थित किया जा सकता है जो रासायनिक रूप से सक्रिय से शुरू होती है और सबसे कम सक्रिय महान धातुओं के साथ समाप्त होती है:
ली, आरबी, के, बा, सीनियर, सीए, एमजी, अल, बीई, एमएन, जेएन, सीआर, गा, फे, सीडी, टीएल, सीओ, नी, एसएन, पीबी, एच, एसबी, बीआई, एएस, क्यू, एचजी, एजी, पीडी, पीटी, औ.
नवीनतम विचारों के अनुसार, यह सबसे महत्वपूर्ण धातुओं और हाइड्रोजन के लिए वोल्टेज की एक श्रृंखला है। यदि गैल्वेनिक सेल के इलेक्ट्रोड एक पंक्ति में किन्हीं दो धातुओं से बनाए जाते हैं, तो पंक्ति से पहले की सामग्री पर एक नकारात्मक वोल्टेज दिखाई देगा।
वोल्टेज मान ( विद्युत रासायनिक क्षमता) वोल्टेज श्रृंखला में तत्व की स्थिति और इलेक्ट्रोलाइट के गुणों पर निर्भर करता है।
हम कई सरल प्रयोगों से वोल्टेज श्रृंखला का सार स्थापित करेंगे, जिसके लिए हमें एक वर्तमान स्रोत और विद्युत माप उपकरणों की आवश्यकता होगी।

धातु कोटिंग्स, "पेड़" और "बर्फ के पैटर्न" बिना करंट के

100 मिलीलीटर पानी में लगभग 10 ग्राम क्रिस्टलीय कॉपर सल्फेट घोलें और एक स्टील की सुई या लोहे की शीट के टुकड़े को घोल में डुबोएं। (हम अनुशंसा करते हैं कि आप पहले लोहे को तब तक साफ करें जब तक वह बारीक सैंडपेपर से चमकने न लगे।) थोड़े समय के बाद, लोहे को तांबे की लाल परत से ढक दिया जाएगा। अधिक सक्रिय लोहा विलयन से तांबे को विस्थापित कर देता है, लोहा आयनों के रूप में घुल जाता है और तांबा धातु के रूप में निकल जाता है। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक घोल लोहे के संपर्क में रहता है। एक बार जब तांबा लोहे की पूरी सतह को ढक लेगा, तो यह व्यावहारिक रूप से बंद हो जाएगा। इस मामले में, तांबे की एक छिद्रपूर्ण परत बन जाती है, इसलिए करंट के उपयोग के बिना सुरक्षात्मक कोटिंग प्राप्त नहीं की जा सकती है।
निम्नलिखित प्रयोगों में, हम जिंक और सीसा शीट धातु की छोटी पट्टियों को कॉपर सल्फेट के घोल में डालेंगे। 15 मिनट के बाद, हम उन्हें बाहर निकालते हैं, धोते हैं और माइक्रोस्कोप के नीचे उनकी जांच करते हैं। हम सुंदर बर्फ जैसे पैटर्न देख सकते हैं, जो परावर्तित प्रकाश में लाल रंग के होते हैं और तांबे से बने होते हैं। यहाँ भी, अधिक सक्रिय धातुओं ने तांबे को आयनिक से धात्विक अवस्था में परिवर्तित कर दिया।
बदले में, तांबा उन धातुओं को विस्थापित कर सकता है जो वोल्टेज श्रृंखला में कम हैं, यानी कम सक्रिय हैं। सिल्वर नाइट्रेट घोल की कुछ बूँदें तांबे की शीट या चपटे तांबे के तार की एक पतली पट्टी पर लगाएं (सतह को पहले से चमकाने के लिए साफ कर लें)। नग्न आंखों से आप परिणामी काली परत को देख सकते हैं, जो परावर्तित प्रकाश में माइक्रोस्कोप के नीचे पतली सुइयों और पौधों के पैटर्न (तथाकथित डेंड्राइट्स) की तरह दिखती है।
जिंक को बिना करंट के अलग करने के लिए अधिक सक्रिय धातु का उपयोग करना आवश्यक है। पानी के साथ तीव्र प्रतिक्रिया करने वाली धातुओं को छोड़कर, हम जिंक के ऊपर वोल्टेज श्रृंखला में मैग्नीशियम पाते हैं। जिंक सल्फेट घोल की कुछ बूँदें मैग्नीशियम टेप के एक टुकड़े पर या पतली इलेक्ट्रॉन छीलन पर रखें। जिंक सल्फेट घोलतनु सल्फ्यूरिक एसिड में जिंक का एक टुकड़ा घोलकर किरण। जिंक सल्फेट के साथ, डिनेचर्ड अल्कोहल की कुछ बूंदें मिलाएं। मैग्नीशियम पर, थोड़े समय के बाद, हम देखेंगे, विशेष रूप से एक माइक्रोस्कोप के तहत, जिंक पतले क्रिस्टल के रूप में जारी होता है।
सामान्य तौर पर, वोल्टेज श्रृंखला के किसी भी सदस्य को समाधान से विस्थापित किया जा सकता है, जहां यह आयन के रूप में मौजूद होता है, और धात्विक अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। हालाँकि, सभी प्रकार के संयोजनों को आज़माते समय, हमें निराशा हो सकती है। ऐसा प्रतीत होता है कि यदि एल्यूमीनियम की एक पट्टी को तांबे, लोहे, सीसा और जस्ता के लवणों के घोल में डुबोया जाए, तो ये धातुएँ उस पर निकल जाएँगी। लेकिन ऐसा होता नहीं है. विफलता का कारण वोल्टेज श्रृंखला में त्रुटि नहीं है, बल्कि प्रतिक्रिया के एक विशेष निषेध पर आधारित है, जो इस मामले में एल्यूमीनियम की सतह पर एक पतली ऑक्साइड फिल्म के कारण होता है। ऐसे विलयनों में एल्युमीनियम को निष्क्रिय कहा जाता है।

आइए पर्दे के पीछे देखें

चल रही प्रक्रियाओं के नियम बनाने के लिए, हम खुद को धनायनों पर विचार करने और आयनों को बाहर करने तक सीमित कर सकते हैं, क्योंकि वे स्वयं प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेते हैं। (हालाँकि, जमाव की दर आयनों के प्रकार से प्रभावित होती है।) यदि, सरलता के लिए, हम मानते हैं कि अवक्षेपित और विघटित दोनों धातुएँ दोगुना आवेशित धनायन उत्पन्न करती हैं, तो हम लिख सकते हैं:

मैं 1 + मैं 2 2+ = मैं 1 2+ + मैं 2

और पहले प्रयोग के लिए Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
तो, इस प्रक्रिया में दोनों धातुओं के परमाणुओं और आयनों के बीच आवेशों (इलेक्ट्रॉनों) का आदान-प्रदान होता है। यदि हम लोहे के विघटन या तांबे के अवक्षेपण पर अलग से (मध्यवर्ती प्रतिक्रियाओं के रूप में) विचार करें, तो हम प्राप्त करते हैं:

Fe = Fe 2+ + 2 इ --

Cu 2+ + 2 इ-- = घन

अब उस मामले पर विचार करें जब किसी धातु को पानी में या नमक के घोल में डुबोया जाता है, जिसके तनाव श्रृंखला में स्थिति के कारण धनायन का आदान-प्रदान असंभव है। इसके बावजूद, धातु आयन के रूप में घोल में जाती है। इस मामले में, धातु परमाणु दो इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देता है (यदि धातु द्विसंयोजक है), समाधान में डूबी धातु की सतह समाधान के सापेक्ष नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाती है, और इंटरफ़ेस पर एक दोहरी विद्युत परत बन जाती है। यह संभावित अंतर धातु के आगे विघटन को रोकता है, जिससे प्रक्रिया जल्द ही रुक जाती है।
यदि दो अलग-अलग धातुओं को एक घोल में डुबोया जाता है, तो वे दोनों चार्ज हो जाएंगी, लेकिन कम सक्रिय धातु कुछ हद तक कमजोर होगी, इस तथ्य के कारण कि उसके परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन खोने की संभावना कम होती है।
आइए दोनों धातुओं को एक कंडक्टर से जोड़ें। संभावित अंतर के कारण, इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह अधिक सक्रिय धातु से कम सक्रिय धातु की ओर प्रवाहित होगा, जो तत्व का सकारात्मक ध्रुव बनाता है। एक प्रक्रिया होती है जिसमें अधिक सक्रिय धातु घोल में चली जाती है, और घोल से धनायन अधिक उत्कृष्ट धातु पर निकल जाते हैं।

गैल्वेनिक सेल का सार

आइए अब ऊपर दिए गए कुछ हद तक अमूर्त तर्क (जो, इसके अलावा, एक स्थूल सरलीकरण का प्रतिनिधित्व करता है) को कई प्रयोगों के साथ स्पष्ट करें।
सबसे पहले 250 मिलीलीटर के बीकर को बीच में सल्फ्यूरिक एसिड के 10% घोल से भरें और इसमें जस्ता और तांबे के बहुत छोटे टुकड़े न डुबोएं। हम तांबे के तार को दोनों इलेक्ट्रोडों में मिलाते हैं या कीलक लगाते हैं, जिसके सिरे घोल को नहीं छूना चाहिए।
जब तक तार के सिरे एक-दूसरे से जुड़े नहीं होते, हम जस्ता के विघटन का निरीक्षण करेंगे, जिसके साथ हाइड्रोजन भी निकलता है। वोल्टेज श्रृंखला के अनुसार, जिंक, हाइड्रोजन की तुलना में अधिक सक्रिय है, इसलिए धातु आयनिक अवस्था से हाइड्रोजन को विस्थापित कर सकती है। दोनों धातुओं पर विद्युतीय दोहरी परत बन जाती है। इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर का पता लगाने का सबसे आसान तरीका वोल्टमीटर है। डिवाइस को सर्किट से कनेक्ट करने के तुरंत बाद, तीर लगभग 1 V का संकेत देगा, लेकिन फिर वोल्टेज जल्दी से गिर जाएगा। यदि आप एक छोटा प्रकाश बल्ब जो 1 V की खपत करता है, उसे तत्व से जोड़ते हैं, तो यह प्रकाश करेगा - पहले काफी तेज़, और फिर चमक कमजोर हो जाएगी।
डिवाइस टर्मिनलों की ध्रुवीयता के आधार पर, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि कॉपर इलेक्ट्रोड सकारात्मक ध्रुव है। प्रक्रिया की इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री पर विचार करके इसे बिना किसी उपकरण के सिद्ध किया जा सकता है। आइए एक छोटे बीकर या टेस्ट ट्यूब में टेबल नमक का एक संतृप्त घोल तैयार करें, इसमें फिनोलफथेलिन संकेतक के अल्कोहल घोल का लगभग 0.5 मिलीलीटर मिलाएं और तार से बंद दोनों इलेक्ट्रोडों को घोल में डुबोएं। नकारात्मक ध्रुव के पास हल्का लाल रंग देखा जाएगा, जो कैथोड पर सोडियम हाइड्रॉक्साइड के गठन के कारण होता है।
अन्य प्रयोगों में, कोई एक सेल में धातुओं के विभिन्न जोड़े रख सकता है और परिणामी वोल्टेज निर्धारित कर सकता है। उदाहरण के लिए, मैग्नीशियम और चांदी उनके बीच की महत्वपूर्ण दूरी और वोल्टेज की एक श्रृंखला के कारण विशेष रूप से बड़ा संभावित अंतर देंगे, जबकि इसके विपरीत, जस्ता और लोहा, बहुत छोटा, वोल्ट के दसवें हिस्से से भी कम देंगे। एल्यूमीनियम का उपयोग करने से, निष्क्रियता के कारण हमें व्यावहारिक रूप से कोई करंट प्राप्त नहीं होगा।
इन सभी तत्वों, या, जैसा कि इलेक्ट्रोकेमिस्ट कहते हैं, सर्किट का नुकसान यह है कि करंट को मापते समय, उनके पार वोल्टेज बहुत तेज़ी से गिरता है। इसलिए, इलेक्ट्रोकेमिस्ट हमेशा वोल्टेज क्षतिपूर्ति विधि का उपयोग करके डी-एनर्जेटिक अवस्था में वोल्टेज के वास्तविक परिमाण को मापते हैं, अर्थात इसकी तुलना किसी अन्य वर्तमान स्रोत के वोल्टेज से करते हैं।
आइए तांबा-जस्ता तत्व में होने वाली प्रक्रियाओं पर थोड़ा और विस्तार से विचार करें। कैथोड पर, जिंक निम्नलिखित समीकरण के अनुसार घोल में जाता है:

Zn = Zn 2+ + 2 इ --

सल्फ्यूरिक एसिड के हाइड्रोजन आयनों को कॉपर एनोड पर डिस्चार्ज किया जाता है। वे जिंक कैथोड से तार के माध्यम से आने वाले इलेक्ट्रॉनों को जोड़ते हैं और परिणामस्वरूप, हाइड्रोजन बुलबुले बनते हैं:

2एच++2 इ-- = एन 2

थोड़े समय के बाद, तांबा हाइड्रोजन बुलबुले की एक पतली परत से ढक जाएगा। इस मामले में, तांबा इलेक्ट्रोड हाइड्रोजन में बदल जाएगा, और संभावित अंतर कम हो जाएगा। इस प्रक्रिया को इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण कहा जाता है। वोल्टेज ड्रॉप के बाद सेल में थोड़ा पोटेशियम डाइक्रोमेट समाधान जोड़कर कॉपर इलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण को समाप्त किया जा सकता है। इसके बाद, वोल्टेज फिर से बढ़ जाएगा, क्योंकि पोटेशियम डाइक्रोमेट हाइड्रोजन को पानी में ऑक्सीकरण कर देगा। इस मामले में पोटेशियम डाइक्रोमेट एक विध्रुवणक के रूप में कार्य करता है।
व्यवहार में, गैल्वेनिक सर्किट का उपयोग किया जाता है जिनके इलेक्ट्रोड ध्रुवीकृत नहीं होते हैं, या ऐसे सर्किट जिनके ध्रुवीकरण को विध्रुवणक जोड़कर समाप्त किया जा सकता है।
एक गैर-ध्रुवीकरणीय तत्व के उदाहरण के रूप में, डैनियल तत्व पर विचार करें, जिसे अक्सर अतीत में वर्तमान स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता था। यह भी तांबा-जस्ता तत्व है, लेकिन दोनों धातुओं को अलग-अलग घोल में डुबोया जाता है। जिंक इलेक्ट्रोड को तनु (लगभग 20%) सल्फ्यूरिक एसिड से भरी एक छिद्रपूर्ण मिट्टी की कोशिका में रखा जाता है। मिट्टी की कोशिका को एक बड़े गिलास में लटकाया जाता है जिसमें कॉपर सल्फेट का एक केंद्रित घोल होता है, और नीचे कॉपर सल्फेट क्रिस्टल की एक परत होती है। इस बर्तन में दूसरा इलेक्ट्रोड तांबे की शीट से बना एक सिलेंडर है।
यह तत्व एक ग्लास जार, एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध मिट्टी सेल (चरम मामलों में, हम एक फूल के बर्तन का उपयोग करते हैं, नीचे छेद को बंद कर देते हैं) और उपयुक्त आकार के दो इलेक्ट्रोड से बनाया जा सकता है।
तत्व के संचालन के दौरान, जिंक घुलकर जिंक सल्फेट बनाता है, और कॉपर आयन कॉपर इलेक्ट्रोड पर निकलते हैं। लेकिन साथ ही, कॉपर इलेक्ट्रोड ध्रुवीकृत नहीं होता है और तत्व लगभग 1 V का वोल्टेज उत्पन्न करता है। दरअसल, सैद्धांतिक रूप से, टर्मिनलों पर वोल्टेज 1.10 V है, लेकिन करंट इकट्ठा करते समय हम विद्युत के कारण थोड़ा कम मान मापते हैं कोशिका का प्रतिरोध.
यदि हम तत्व से करंट नहीं हटाते हैं, तो हमें सल्फ्यूरिक एसिड समाधान से जिंक इलेक्ट्रोड को हटाने की आवश्यकता है, क्योंकि अन्यथा यह हाइड्रोजन बनाने के लिए घुल जाएगा।
एक साधारण सेल का आरेख जिसमें छिद्रपूर्ण विभाजन की आवश्यकता नहीं होती है, चित्र में दिखाया गया है। जिंक इलेक्ट्रोड ग्लास जार के शीर्ष पर स्थित होता है, और कॉपर इलेक्ट्रोड नीचे के पास स्थित होता है। पूरी कोशिका टेबल नमक के संतृप्त घोल से भरी होती है। जार के तल पर मुट्ठी भर कॉपर सल्फेट क्रिस्टल रखें। परिणामस्वरूप संकेंद्रित कॉपर सल्फेट घोल टेबल नमक घोल के साथ बहुत धीरे-धीरे मिश्रित होगा। इसलिए, जब सेल संचालित होता है, तो कॉपर इलेक्ट्रोड पर तांबा छोड़ा जाएगा, और जिंक सेल के ऊपरी हिस्से में सल्फेट या क्लोराइड के रूप में घुल जाएगा।
आजकल, बैटरियां लगभग विशेष रूप से सूखी कोशिकाओं का उपयोग करती हैं, जिनका उपयोग करना अधिक सुविधाजनक होता है। इनका पूर्वज लेक्लांश तत्व है। इलेक्ट्रोड एक जिंक सिलेंडर और एक कार्बन रॉड हैं। इलेक्ट्रोलाइट एक पेस्ट है जिसमें मुख्य रूप से अमोनियम क्लोराइड होता है। जिंक पेस्ट में घुल जाता है और हाइड्रोजन कोयले पर निकल जाता है। ध्रुवीकरण से बचने के लिए, कार्बन रॉड को कोयला पाउडर और पायरोलुसाइट के मिश्रण वाले लिनन बैग में डुबोया जाता है। कार्बन पाउडर इलेक्ट्रोड की सतह को बढ़ाता है, और पायरोलुसाइट एक विध्रुवणक के रूप में कार्य करता है, जो धीरे-धीरे हाइड्रोजन को ऑक्सीकरण करता है।
सच है, पाइरोलुसाइट की विध्रुवण क्षमता पहले बताए गए पोटेशियम डाइक्रोमेट की तुलना में कमजोर है। इसलिए, जब शुष्क कोशिकाओं में करंट प्राप्त होता है, तो वोल्टेज तेजी से गिरता है, वे " थक जाना"ध्रुवीकरण के कारण। कुछ समय बाद ही पायरोलुसाइट के साथ हाइड्रोजन का ऑक्सीकरण होता है। इस प्रकार, तत्व " आराम", यदि आप कुछ समय के लिए करंट प्रवाहित नहीं करते हैं। आइए इसे टॉर्च के लिए बैटरी पर जांचें, जिससे हम एक प्रकाश बल्ब जोड़ते हैं। लैंप के समानांतर, यानी सीधे टर्मिनलों पर, हम एक वोल्टमीटर जोड़ते हैं।
सबसे पहले, वोल्टेज लगभग 4.5 वी होगा। (अक्सर, ऐसी बैटरियों में श्रृंखला में तीन सेल जुड़े होते हैं, प्रत्येक 1.48 वी के सैद्धांतिक वोल्टेज के साथ।) कुछ समय बाद, वोल्टेज कम हो जाएगा और प्रकाश बल्ब की चमक कम हो जाएगी कमजोर करना. वोल्टमीटर रीडिंग के आधार पर, हम यह अनुमान लगा सकते हैं कि बैटरी को कितने समय तक आराम करने की आवश्यकता है।
एक विशेष स्थान पर पुनर्जीवित तत्वों का कब्जा है जिन्हें कहा जाता है बैटरियों. वे प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं और सेल के डिस्चार्ज होने के बाद बाहरी डीसी स्रोत से जुड़कर रिचार्ज किया जा सकता है।
वर्तमान में, लेड-एसिड बैटरियां सबसे आम हैं; उनमें इलेक्ट्रोलाइट पतला सल्फ्यूरिक एसिड होता है, जिसमें दो सीसे की प्लेटें डुबोई जाती हैं। धनात्मक इलेक्ट्रोड लेड डाइऑक्साइड PbO2 से लेपित है, ऋणात्मक इलेक्ट्रोड धात्विक लेड है। टर्मिनलों पर वोल्टेज लगभग 2.1 V है। डिस्चार्ज करते समय, दोनों प्लेटों पर लेड सल्फेट बनता है, जो चार्ज करने पर फिर से धात्विक लेड और लेड पेरोक्साइड में बदल जाता है।

गैल्वेनिक कोटिंग्स का अनुप्रयोग

विद्युत धारा का उपयोग करके जलीय घोल से धातुओं का जमाव इलेक्ट्रोलाइटिक विघटन की विपरीत प्रक्रिया है, जिससे हम गैल्वेनिक कोशिकाओं पर विचार करते समय परिचित हुए। सबसे पहले, हम तांबे के जमाव की जांच करेंगे, जिसका उपयोग तांबे के कूलोमीटर में बिजली की मात्रा को मापने के लिए किया जाता है।

धातु का निक्षेपण धारा द्वारा होता है

दो पतली शीट वाली तांबे की प्लेटों के सिरों को मोड़कर, हम उन्हें एक बीकर या इससे भी बेहतर, एक छोटे कांच के मछलीघर की विपरीत दीवारों पर लटका देते हैं। हम तारों को टर्मिनलों के साथ प्लेटों से जोड़ते हैं।
इलेक्ट्रोलाइटआइए निम्नलिखित नुस्खा के अनुसार तैयार करें: 125 ग्राम क्रिस्टलीय कॉपर सल्फेट, 50 ग्राम सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड और 50 ग्राम अल्कोहल (विकृत अल्कोहल), बाकी 1 लीटर तक पानी है। ऐसा करने के लिए, पहले कॉपर सल्फेट को 500 मिलीलीटर पानी में घोलें, फिर सावधानी से छोटे भागों में सल्फ्यूरिक एसिड मिलाएं ( गरम करना! तरल पदार्थ के छींटे पड़ सकते हैं!), फिर अल्कोहल डालें और 1 लीटर की मात्रा में पानी डालें।
कूलोमीटर को तैयार घोल से भरें और एक परिवर्तनीय प्रतिरोध, एक एमीटर और एक लीड बैटरी को सर्किट से कनेक्ट करें। प्रतिरोध का उपयोग करके, हम करंट को समायोजित करते हैं ताकि इसका घनत्व इलेक्ट्रोड सतह का 0.02-0.01 ए/सेमी 2 हो। यदि तांबे की प्लेट का क्षेत्रफल 50 सेमी2 है, तो वर्तमान ताकत 0.5-1 ए की सीमा में होनी चाहिए।
कुछ समय बाद, हल्का लाल धात्विक तांबा कैथोड (नकारात्मक इलेक्ट्रोड) पर अवक्षेपित होना शुरू हो जाएगा, और तांबा एनोड (सकारात्मक इलेक्ट्रोड) पर समाधान में चला जाएगा। तांबे की प्लेटों को साफ करने के लिए हम करीब आधे घंटे तक कूलोमीटर में करंट चलाएंगे। फिर हम कैथोड को बाहर निकालते हैं, इसे फिल्टर पेपर से सावधानीपूर्वक सुखाते हैं और इसका सटीक वजन करते हैं। आइए सेल में एक इलेक्ट्रोड स्थापित करें, रिओस्टेट का उपयोग करके सर्किट को बंद करें और एक स्थिर धारा बनाए रखें, उदाहरण के लिए 1 ए। एक घंटे के बाद, सर्किट खोलें और सूखे कैथोड को फिर से तौलें। 1 ए की धारा पर, इसका द्रव्यमान ऑपरेशन के प्रति घंटे 1.18 ग्राम बढ़ जाएगा।
इसलिए, किसी घोल से गुजरने वाली 1 एम्पीयर घंटे के बराबर बिजली की मात्रा 1.18 ग्राम तांबा जारी कर सकती है। या सामान्य तौर पर: जारी किए गए पदार्थ की मात्रा समाधान से गुजरने वाली बिजली की मात्रा के सीधे आनुपातिक होती है।
एक आयन के 1 समकक्ष को अलग करने के लिए, समाधान के माध्यम से इलेक्ट्रोड चार्ज ई और एवोगैड्रो की संख्या के उत्पाद के बराबर बिजली की मात्रा को पारित करना आवश्यक है। एनए:
ई*एनए = 1.6021 * 10 -19 * 6.0225 * 10 23 = 9.65 * 10 4 ए * एस * मोल -1 यह मान प्रतीक द्वारा दर्शाया गया है एफऔर इसका नाम इलेक्ट्रोलिसिस के मात्रात्मक नियमों के खोजकर्ता के नाम पर रखा गया है फैराडे संख्या(सही मूल्य एफ- 96,498 A*s*mol -1). इसलिए, किसी समाधान से दिए गए समकक्षों की संख्या को अलग करना एनई के बराबर बिजली की मात्रा घोल से प्रवाहित की जानी चाहिए एफ*एनई ए*एस*मोल -1। दूसरे शब्दों में,
यह =एफ*एनउह यहाँ मैं- मौजूदा, टी- विलयन से धारा प्रवाहित होने का समय। अध्याय में " अनुमापन मूल बातें"यह पहले ही दिखाया जा चुका है कि किसी पदार्थ के समकक्षों की संख्या एन e मोलों की संख्या और समतुल्य संख्या के गुणनफल के बराबर है:
एनई = एन*जेडइस तरह:

मैं*टी = एफ*एन*जेड

इस मामले में जेड- आयन चार्ज (एजी + के लिए)। जेड= 1, Cu 2+ के लिए जेड= 2, अल 3+ के लिए जेड= 3, आदि). यदि हम मोल्स की संख्या को द्रव्यमान और दाढ़ द्रव्यमान के अनुपात के रूप में व्यक्त करते हैं ( एन = एम/एम), तो हमें एक सूत्र मिलता है जो हमें इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान होने वाली सभी प्रक्रियाओं की गणना करने की अनुमति देता है:

यह =एफ*एम*जेड/एम

इस सूत्र का उपयोग करके आप वर्तमान की गणना कर सकते हैं:

मैं = एफ*एम*जेड/(टी*एम)= 9.65*10 4 *1.18*2 / (3600*63.54) ए*एस*जी*मोल/(एस*मोल*जी) = 0.996 ए

यदि हम विद्युत कार्य के संबंध का परिचय देते हैं डब्ल्यूएल

डब्ल्यूएल = यू*आई*टीऔर डब्ल्यूईमेल/ यू = यह

फिर, तनाव को जानना यू, आप गणना कर सकते हैं:

डब्ल्यूएल = एफ*एम*जेड*यू/एम

यह गणना करना भी संभव है कि किसी पदार्थ की एक निश्चित मात्रा को इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से जारी करने में कितना समय लगता है, या किसी निश्चित समय में कितना पदार्थ जारी किया जाएगा। प्रयोग के दौरान, वर्तमान घनत्व को निर्दिष्ट सीमा के भीतर बनाए रखा जाना चाहिए। यदि यह 0.01 ए/सेमी2 से कम है, तो बहुत कम धातु निकलेगी, क्योंकि कॉपर (आई) आयन आंशिक रूप से बनेंगे। यदि वर्तमान घनत्व बहुत अधिक है, तो इलेक्ट्रोड पर कोटिंग का आसंजन कमजोर होगा और जब इलेक्ट्रोड को समाधान से हटा दिया जाता है, तो यह उखड़ सकता है।
व्यवहार में, धातुओं पर गैल्वेनिक कोटिंग्स का उपयोग मुख्य रूप से संक्षारण से सुरक्षा और दर्पण जैसी चमक प्राप्त करने के लिए किया जाता है।
इसके अलावा, धातुओं, विशेष रूप से तांबा और सीसा, को एनोडिक विघटन और उसके बाद कैथोड (इलेक्ट्रोलाइटिक रिफाइनिंग) पर पृथक्करण द्वारा शुद्ध किया जाता है।
लोहे पर तांबे या निकल की परत चढ़ाने के लिए, आपको पहले वस्तु की सतह को अच्छी तरह से साफ करना होगा। ऐसा करने के लिए, इसे धुले हुए चाक से पॉलिश करें और कास्टिक सोडा, पानी और अल्कोहल के पतले घोल से क्रमिक रूप से इसे कम करें। यदि वस्तु जंग से ढकी हुई है, तो आपको उसे सल्फ्यूरिक एसिड के 10-15% घोल में पहले से ही अचार बनाना होगा।
हम साफ किए गए उत्पाद को इलेक्ट्रोलाइटिक बाथ (एक छोटा मछलीघर या बीकर) में लटकाते हैं, जहां यह कैथोड के रूप में काम करेगा।
कॉपर प्लेटिंग लगाने के घोल में 1 लीटर पानी में 250 ग्राम कॉपर सल्फेट और 80-100 ग्राम सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड होता है (सावधान!)। इस मामले में, तांबे की प्लेट एनोड के रूप में काम करेगी। एनोड की सतह लेपित होने वाली वस्तु की सतह के लगभग बराबर होनी चाहिए। इसलिए, आपको हमेशा यह सुनिश्चित करना चाहिए कि कॉपर एनोड कैथोड के समान गहराई पर बाथटब में लटका रहे।
यह प्रक्रिया 3-4 वी (दो बैटरी) के वोल्टेज और 0.02-0.4 ए/सेमी 2 के वर्तमान घनत्व पर की जाएगी। स्नान में घोल का तापमान 18-25°C होना चाहिए।
आइए हम इस तथ्य पर ध्यान दें कि एनोड तल और लेपित की जाने वाली सतह एक दूसरे के समानांतर हैं। जटिल आकृतियों वाली वस्तुओं का उपयोग न करना बेहतर है। इलेक्ट्रोलिसिस की अवधि को अलग-अलग करके, विभिन्न मोटाई की तांबे की कोटिंग प्राप्त करना संभव है।
अक्सर वे इस परत पर किसी अन्य धातु की टिकाऊ कोटिंग लगाने के लिए प्रारंभिक तांबे की परत का सहारा लेते हैं। इसका उपयोग विशेष रूप से अक्सर क्रोम प्लेटिंग आयरन, निकल प्लेटिंग जिंक कास्टिंग और अन्य मामलों में किया जाता है। सच है, इस उद्देश्य के लिए बहुत जहरीले साइनाइड इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया जाता है।
निकल चढ़ाना के लिए इलेक्ट्रोलाइट तैयार करने के लिए, 25 ग्राम क्रिस्टलीय निकल सल्फेट, 10 ग्राम बोरिक एसिड या 10 ग्राम सोडियम साइट्रेट को 450 मिलीलीटर पानी में घोलें। आप सोडियम हाइड्रॉक्साइड या सोडा घोल के पतले घोल के साथ 10 ग्राम साइट्रिक एसिड के घोल को निष्क्रिय करके स्वयं सोडियम साइट्रेट तैयार कर सकते हैं। एनोड को सबसे बड़े संभावित क्षेत्र की निकल प्लेट होने दें, और बैटरी को वोल्टेज स्रोत के रूप में लें।
एक परिवर्तनीय प्रतिरोध का उपयोग करके, हम वर्तमान घनत्व को 0.005 ए/सेमी 2 के बराबर बनाए रखेंगे। उदाहरण के लिए, 20 सेमी 2 की वस्तु की सतह के साथ, आपको 0.1 ए की वर्तमान ताकत पर काम करने की आवश्यकता है। आधे घंटे के काम के बाद, वस्तु पहले से ही निकल-प्लेटेड होगी। आइए इसे स्नान से बाहर निकालें और कपड़े से पोंछ लें। हालाँकि, निकल चढ़ाना प्रक्रिया को बाधित न करना बेहतर है, क्योंकि तब निकल परत निष्क्रिय हो सकती है और बाद की निकल कोटिंग अच्छी तरह से चिपक नहीं पाएगी।
यांत्रिक पॉलिशिंग के बिना दर्पण की चमक प्राप्त करने के लिए, हम गैल्वेनिक स्नान में एक तथाकथित चमक बनाने वाला योजक पेश करते हैं। ऐसे योजकों में शामिल हैं, उदाहरण के लिए, गोंद, जिलेटिन, चीनी। उदाहरण के लिए, आप निकेल बाथ में कुछ ग्राम चीनी मिला सकते हैं और इसके प्रभाव का अध्ययन कर सकते हैं।
लोहे की क्रोम प्लेटिंग (प्रारंभिक कॉपर प्लेटिंग के बाद) के लिए एक इलेक्ट्रोलाइट तैयार करने के लिए, 100 मिलीलीटर पानी में 40 ग्राम क्रोमिक एनहाइड्राइड सीआरओ 3 (सावधान! जहर!) और ठीक 0.5 ग्राम सल्फ्यूरिक एसिड (किसी भी स्थिति में अधिक नहीं!) घोलें। प्रक्रिया लगभग 0.1 ए/सेमी 2 के वर्तमान घनत्व पर होती है, और एक लीड प्लेट का उपयोग एनोड के रूप में किया जाता है, जिसका क्षेत्र क्रोम-प्लेटेड सतह के क्षेत्र से थोड़ा कम होना चाहिए।
निकेल और क्रोम बाथ को थोड़ा (लगभग 35 डिग्री सेल्सियस तक) गर्म करना सबसे अच्छा है। कृपया ध्यान दें कि क्रोम प्लेटिंग के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स, विशेष रूप से लंबी प्रक्रिया और उच्च धारा के दौरान, क्रोमिक एसिड युक्त वाष्प उत्सर्जित करते हैं, जो स्वास्थ्य के लिए बहुत हानिकारक होते हैं। इसलिए, क्रोम चढ़ाना कर्षण के तहत या खुली हवा में किया जाना चाहिए, उदाहरण के लिए बालकनी पर।
जब क्रोम चढ़ाना होता है (और कुछ हद तक निकल चढ़ाना भी होता है), तो पूरी धारा का उपयोग धातु जमाव के लिए नहीं किया जाता है। इसी समय, हाइड्रोजन जारी होता है। कई वोल्टेज के आधार पर, यह अपेक्षा की जाएगी कि हाइड्रोजन के सामने धातुओं को जलीय घोल से बिल्कुल भी मुक्त नहीं किया जाना चाहिए, बल्कि इसके विपरीत, कम सक्रिय हाइड्रोजन को छोड़ा जाना चाहिए। हालाँकि, यहाँ, धातुओं के एनोडिक विघटन की तरह, हाइड्रोजन का कैथोडिक विकास अक्सर बाधित होता है और केवल उच्च वोल्टेज पर ही देखा जाता है। इस घटना को हाइड्रोजन ओवरवोल्टेज कहा जाता है, और यह विशेष रूप से बड़ा होता है, उदाहरण के लिए, सीसे पर। इस परिस्थिति के लिए धन्यवाद, एक लेड-एसिड बैटरी कार्य कर सकती है। बैटरी चार्ज करते समय, PbO 2 के बजाय, कैथोड पर हाइड्रोजन दिखाई देनी चाहिए, लेकिन, ओवरवॉल्टेज के कारण, बैटरी के लगभग पूरी तरह चार्ज होने पर हाइड्रोजन का विकास शुरू हो जाता है।

कार्य का लक्ष्य:इलेक्ट्रोकेमिकल वोल्टेज श्रृंखला में उनकी स्थिति पर धातुओं के रेडॉक्स गुणों की निर्भरता से परिचित हो जाएं।

उपकरण और अभिकर्मक:टेस्ट ट्यूब, टेस्ट ट्यूब होल्डर, अल्कोहल लैंप, फिल्टर पेपर, पिपेट, 2एन.समाधान एचसीएलऔर H2SO4, केंद्रित H2SO4, पतला और केंद्रित HNO3, 0.5Mसमाधान CuSO 4 , Pb(NO 3) 2या Pb(CH3COO)2; धातु के टुकड़े एल्यूमीनियम, जस्ता, लोहा, तांबा, टिन, लोहे के पेपर क्लिप, आसुत जल।

सैद्धांतिक स्पष्टीकरण

किसी भी धातु का रासायनिक गुण काफी हद तक इस बात से निर्धारित होता है कि वह कितनी आसानी से ऑक्सीकरण करता है, यानी। इसके परमाणु कितनी आसानी से धनात्मक आयन की अवस्था में परिवर्तित हो सकते हैं।

वे धातुएँ जो आसानी से ऑक्सीकरण करने की क्षमता प्रदर्शित करती हैं, आधार धातुएँ कहलाती हैं। वे धातुएँ जो बड़ी कठिनाई से ऑक्सीकृत होती हैं, उत्कृष्ट कहलाती हैं।

प्रत्येक धातु को मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के एक निश्चित मूल्य की विशेषता होती है। मानक क्षमता के लिए ज 0किसी दिए गए धातु इलेक्ट्रोड का, बाईं ओर स्थित एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से बना गैल्वेनिक सेल का ईएमएफ और इस धातु के नमक के घोल में रखी एक धातु की प्लेट ली जाती है, और गतिविधि (पतला समाधान में एकाग्रता हो सकती है) विलयन में प्रयुक्त धातु धनायनों का उपयोग 1 के बराबर होना चाहिए मोल/ली; टी=298 के; पी=1 एटीएम.(मानक शर्तें)। यदि प्रतिक्रिया की स्थिति मानक से भिन्न होती है, तो समाधान और तापमान में धातु आयनों की सांद्रता (अधिक सटीक रूप से, गतिविधियों) पर इलेक्ट्रोड क्षमता की निर्भरता को ध्यान में रखना आवश्यक है।

एकाग्रता पर इलेक्ट्रोड क्षमता की निर्भरता नर्नस्ट समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है, जिसे सिस्टम पर लागू करने पर:

मैं एन + + एन ई -→मुझे

में;

आर– गैस स्थिरांक, ;

एफ -फैराडे का स्थिरांक ("96500 सी/मोल);

एन -

ए मी एन + - मोल/ली.

अर्थ लेना टी=298को,हम पाते हैं

मोल/ली.

जे 0 ,कटौती अर्ध-प्रतिक्रिया के अनुरूप, कई धातु वोल्टेज प्राप्त होते हैं (मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की एक संख्या)। जिस प्रणाली में प्रक्रिया होती है, उसके लिए शून्य के रूप में ली गई हाइड्रोजन की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को एक ही पंक्ति में रखा गया है:

2Н + +2е - = Н 2

इसी समय, आधार धातुओं की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता का नकारात्मक मूल्य होता है, और उत्कृष्ट धातुओं की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता का सकारात्मक मूल्य होता है।

धातुओं की विद्युत रासायनिक वोल्टेज श्रृंखला

ली; क; बी ० ए; सीनियर; सीए; ना; एमजी; अल; एमएन; Zn; करोड़; फ़े; सीडी; सह; नी; एसएन; पंजाब; ( एच) ; एसबी; द्वि; Cu; एचजी; एजी; पीडी; पीटी; ए.यू.

यह श्रृंखला मानक परिस्थितियों में जलीय घोल में "धातु-धातु आयन" प्रणाली की रेडॉक्स क्षमता को दर्शाती है। वोल्टेज की श्रृंखला में धातु जितनी बाईं ओर होगी (उतनी ही छोटी होगी)। ज 0), जितना अधिक शक्तिशाली कम करने वाला एजेंट होता है, और धातु के परमाणुओं के लिए इलेक्ट्रॉनों को छोड़ना उतना ही आसान होता है, जो कि धनायनों में बदल जाता है, लेकिन इस धातु के धनायनों के लिए इलेक्ट्रॉनों को संलग्न करना अधिक कठिन होता है, जो तटस्थ परमाणुओं में बदल जाते हैं।

धातुओं और उनके धनायनों से जुड़ी रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं उस दिशा में आगे बढ़ती हैं, जिसमें कम इलेक्ट्रोड क्षमता वाली धातु एक कम करने वाला एजेंट (यानी, ऑक्सीकरण) होती है, और उच्च इलेक्ट्रोड क्षमता वाले धातु धनायन ऑक्सीकरण एजेंट (यानी, कम) होते हैं। इस संबंध में, निम्नलिखित पैटर्न धातुओं की विद्युत रासायनिक वोल्टेज श्रृंखला की विशेषता हैं:

1. प्रत्येक धातु नमक के घोल से अन्य सभी धातुओं को विस्थापित कर देती है जो धातु वोल्टेज की विद्युत रासायनिक श्रृंखला में उसके दाईं ओर हैं।

2. इलेक्ट्रोकेमिकल वोल्टेज श्रृंखला में हाइड्रोजन के बाईं ओर स्थित सभी धातुएं तनु अम्लों से हाइड्रोजन को विस्थापित करती हैं।

प्रायोगिक पद्धति

प्रयोग 1: हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ धातुओं की परस्पर क्रिया।

चार परखनलियों में 2-3 डालें एमएलहाइड्रोक्लोरिक एसिड और उनमें एल्यूमीनियम, जस्ता, लोहा और तांबे का एक टुकड़ा अलग से रखें। ली गई धातुओं में से कौन सी धातु अम्ल से हाइड्रोजन को विस्थापित करती है? प्रतिक्रिया समीकरण लिखें.

प्रयोग 2: सल्फ्यूरिक एसिड के साथ धातुओं की परस्पर क्रिया।

एक परखनली में लोहे का एक टुकड़ा रखें और 1 डालें एमएल 2एन।सल्फ्यूरिक एसिड। क्या देखा जा रहा है? प्रयोग को तांबे के टुकड़े के साथ दोहराएँ। क्या प्रतिक्रिया हो रही है?

लोहे और तांबे पर सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड के प्रभाव की जाँच करें। प्रेक्षणों को स्पष्ट कीजिए। सभी प्रतिक्रिया समीकरण लिखें.

प्रयोग 3: नाइट्रिक एसिड के साथ तांबे की परस्पर क्रिया।

दो परखनलियों में तांबे का एक टुकड़ा रखें। उनमें से एक में 2 डालो एमएलपतला नाइट्रिक एसिड, दूसरा - केंद्रित। यदि आवश्यक हो, तो टेस्ट ट्यूब की सामग्री को अल्कोहल लैंप में गर्म करें। पहली परखनली में कौन सी गैस बनती है और दूसरी में कौन सी? प्रतिक्रिया समीकरण लिखिए।

प्रयोग 4: धातुओं की लवणों के साथ परस्पर क्रिया।

परखनली में 2-3 डालें एमएलकॉपर (II) सल्फेट का घोल और लोहे के तार का एक टुकड़ा नीचे रखें। क्या हो रहा है? प्रयोग को दोहराएँ, लोहे के तार के स्थान पर जस्ता का एक टुकड़ा डालें। प्रतिक्रिया समीकरण लिखें. टेस्ट ट्यूब में डालें 2 एमएललेड (II) एसीटेट या नाइट्रेट का घोल और जिंक का एक टुकड़ा डालें। क्या हो रहा है? प्रतिक्रिया समीकरण लिखें. ऑक्सीकरण एजेंट और कम करने वाले एजेंट को निर्दिष्ट करें। यदि जिंक को तांबे से बदल दिया जाए तो क्या प्रतिक्रिया होगी? स्पष्टीकरण दीजिए.

11.3 विद्यार्थी की तैयारी का आवश्यक स्तर

1. मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की अवधारणा को जानें और इसके माप का अंदाजा लगाएं।

2. मानक स्थितियों के अलावा अन्य स्थितियों में इलेक्ट्रोड क्षमता निर्धारित करने के लिए नर्नस्ट समीकरण का उपयोग करने में सक्षम हो।

3. जानें कि धातु तनावों की श्रृंखला क्या है और इसकी विशेषता क्या है।

4. धातुओं और उनके धनायनों, साथ ही धातुओं और अम्लों से जुड़ी रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की दिशा निर्धारित करने के लिए धातु तनावों की एक श्रृंखला का उपयोग करने में सक्षम हो।

आत्म-नियंत्रण कार्य

1. तकनीकी लोहे का द्रव्यमान कितना होता है? 18% विलयन से निकल सल्फेट को विस्थापित करने के लिए आवश्यक अशुद्धियाँ (II) 7.42 ग्रामनिकल?

2. ताँबे की एक थाली तोलने की 28 ग्रा. प्रतिक्रिया के अंत में, प्लेट को हटा दिया गया, धोया गया, सुखाया गया और तौला गया। इसका द्रव्यमान निकला 32.52 ग्राम. घोल में सिल्वर नाइट्रेट का कितना द्रव्यमान था?

3. इसमें डूबे तांबे की इलेक्ट्रोड क्षमता का मान निर्धारित करें 0.0005 एमकॉपर नाइट्रेट घोल (द्वितीय).

4. जिंक की इलेक्ट्रोड क्षमता में डूबा हुआ 0.2 एमसमाधान ZnSO4, बराबर है 0.8 वी. पृथक्करण की स्पष्ट डिग्री निर्धारित करें ZnSO4निर्दिष्ट सांद्रता के घोल में।

5. यदि विलयन में हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता हो तो हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की क्षमता की गणना करें (एच+)के बराबर 3.8 10 -3 मोल/ली.

6. किसी विलयन में डूबे लोहे के इलेक्ट्रोड की क्षमता की गणना करें 0.5 लीटर में 0.0699 ग्राम FeCI 2।

7. किसी धातु का मानक इलेक्ट्रोड विभव क्या कहलाता है? कौन सा समीकरण सांद्रण पर इलेक्ट्रोड विभव की निर्भरता को व्यक्त करता है?

प्रयोगशाला कार्य क्रमांक 12

विषय:गैल्वेनिक सेल

कार्य का लक्ष्य:गैल्वेनिक सेल के संचालन के सिद्धांतों से परिचित होना, गणना विधियों में महारत हासिल करना ईएमएफगैल्वेनिक कोशिकाएँ।

उपकरण और अभिकर्मक:कंडक्टरों से जुड़ी तांबे और जिंक की प्लेटें, कंडक्टरों द्वारा तांबे की प्लेटों से जुड़ी तांबे और जिंक की प्लेटें, सैंडपेपर, वोल्टमीटर, 3 रासायनिक बीकर चालू 200-250 मि.ली, ग्रेजुएटेड सिलेंडर, यू-आकार की ट्यूब के साथ स्टैंड, नमक पुल, 0.1 एमकॉपर सल्फेट, जिंक सल्फेट, सोडियम सल्फेट के घोल, 0,1 % फिनोलफथेलिन घोल में 50% एथिल अल्कोहोल।

सैद्धांतिक स्पष्टीकरण

गैल्वेनिक सेल एक रासायनिक वर्तमान स्रोत है, यानी, एक उपकरण जो ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रिया से रासायनिक ऊर्जा के सीधे रूपांतरण के परिणामस्वरूप विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है।

विद्युत धारा (आवेशित कणों की निर्देशित गति) वर्तमान चालकों के माध्यम से प्रसारित होती है, जिन्हें पहले और दूसरे प्रकार के चालकों में विभाजित किया जाता है।

पहले प्रकार के कंडक्टर अपने इलेक्ट्रॉनों (इलेक्ट्रॉनिक कंडक्टर) के साथ विद्युत प्रवाह का संचालन करते हैं। इनमें सभी धातुएँ और उनके मिश्र धातु, ग्रेफाइट, कोयला और कुछ ठोस ऑक्साइड शामिल हैं। इन कंडक्टरों की विद्युत चालकता निम्न से होती है 10 2 से 10 6 ओम -1 सेमी -1 (उदाहरण के लिए, कोयला - 200 ओम -1 सेमी -1, चाँदी 6 10 5 ओम -1 सेमी -1).

दूसरे प्रकार के कंडक्टर अपने आयनों (आयनिक कंडक्टर) के साथ विद्युत प्रवाह का संचालन करते हैं। उन्हें कम विद्युत चालकता की विशेषता है (उदाहरण के लिए, एच 2 ओ - 4 10 -8 ओम -1 सेमी -1).

जब पहले और दूसरे प्रकार के कंडक्टर संयुक्त होते हैं, तो एक इलेक्ट्रोड बनता है। यह अक्सर अपने ही नमक के घोल में डूबी हुई धातु होती है।

जब किसी धातु की प्लेट को पानी में डुबोया जाता है, तो उसकी सतह परत में स्थित धातु के परमाणु ध्रुवीय पानी के अणुओं के प्रभाव में हाइड्रेटेड होते हैं। जलयोजन और तापीय गति के परिणामस्वरूप, क्रिस्टल जाली के साथ उनका संबंध कमजोर हो जाता है और एक निश्चित संख्या में परमाणु हाइड्रेटेड आयनों के रूप में धातु की सतह से सटे तरल की परत में चले जाते हैं। धातु की प्लेट ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाती है:

मी + एम एच 2 ओ = मी एन + एन एच 2 ओ + ने -

कहाँ हुंह– धातु परमाणु; मी एन + एन एच 2 ओ- हाइड्रेटेड धातु आयन; इ-– इलेक्ट्रॉन, एन- धातु आयन का आवेश।

संतुलन की स्थिति धातु की गतिविधि और घोल में उसके आयनों की सांद्रता पर निर्भर करती है। सक्रिय धातुओं के मामले में ( Zn, Fe, Cd, Ni) ध्रुवीय पानी के अणुओं के साथ परस्पर क्रिया सतह से सकारात्मक धातु आयनों के अलग होने और हाइड्रेटेड आयनों के घोल में संक्रमण के साथ समाप्त होती है (चित्र 1) ए). यह प्रक्रिया ऑक्सीडेटिव होती है. जैसे-जैसे सतह के पास धनायनों की सांद्रता बढ़ती है, विपरीत प्रक्रिया की दर - धातु आयनों की कमी - बढ़ जाती है। अंततः, दोनों प्रक्रियाओं की दर बराबर हो जाती है, एक संतुलन स्थापित हो जाता है, जिसमें धातु क्षमता के एक निश्चित मूल्य के साथ एक दोहरी विद्युत परत समाधान-धातु इंटरफ़ेस पर दिखाई देती है।

+ + + +

– – – –

‌

Zn 0 + mH 2 O → Zn 2+ mH 2 O+2e - + + – – Cu 2+ nH 2 O+2e - → Cu 0 + nH 2 O

+ + + – – –

चावल। 1. इलेक्ट्रोड क्षमता की घटना की योजना

जब किसी धातु को पानी में नहीं, बल्कि इस धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो संतुलन बाईं ओर स्थानांतरित हो जाता है, यानी घोल से धातु की सतह तक आयनों के संक्रमण की ओर। इस मामले में, धातु क्षमता के एक अलग मूल्य पर एक नया संतुलन स्थापित होता है।

निष्क्रिय धातुओं के लिए, शुद्ध पानी में धातु आयनों की संतुलन सांद्रता बहुत कम होती है। यदि ऐसी धातु को उसके नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो धातु से घोल में आयनों के संक्रमण की दर की तुलना में धातु के धनायन तेजी से निकलेंगे। इस मामले में, धातु की सतह को एक सकारात्मक चार्ज प्राप्त होगा, और नमक आयनों की अधिकता के कारण समाधान को एक नकारात्मक चार्ज प्राप्त होगा (छवि 1)। बी).

इस प्रकार, जब किसी धातु को पानी में या किसी दिए गए धातु के आयनों वाले घोल में डुबोया जाता है, तो धातु-समाधान इंटरफ़ेस पर एक इलेक्ट्रिक डबल परत बनती है, जिसमें एक निश्चित संभावित अंतर होता है। इलेक्ट्रोड क्षमता धातु की प्रकृति, घोल में उसके आयनों की सांद्रता और तापमान पर निर्भर करती है।

इलेक्ट्रोड विभव का निरपेक्ष मान जेएकल इलेक्ट्रोड को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, दो रासायनिक रूप से भिन्न इलेक्ट्रोडों के बीच संभावित अंतर को मापना संभव है।

हम मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की क्षमता को शून्य के बराबर लेने पर सहमत हुए। एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड प्लैटिनम स्पंज से लेपित एक प्लैटिनम प्लेट है, जिसे 1 की हाइड्रोजन आयन गतिविधि के साथ एसिड समाधान में डुबोया जाता है। मोल/ली.इलेक्ट्रोड को 1 के दबाव पर हाइड्रोजन गैस से धोया जाता है ए.टी.एम.और तापमान 298 कि.इससे संतुलन स्थापित होता है:

2 एन + + 2 ई = एन 2

मानक क्षमता के लिए ज 0इस धातु का इलेक्ट्रोड लिया जाता है ईएमएफएक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड और इस धातु के नमक के घोल में रखी एक धातु की प्लेट से बनी एक गैल्वेनिक सेल, और घोल में धातु के धनायनों की गतिविधि (पतले घोल में सांद्रता का उपयोग किया जा सकता है) 1 के बराबर होनी चाहिए मोल/ली; टी=298 के; पी=1 एटीएम.(मानक शर्तें)। मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के मूल्य को हमेशा कमी अर्ध-प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है:

मी एन + +एन ई - → मी

धातुओं को उनके मानक इलेक्ट्रोड विभव के परिमाण के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करना जे 0 ,कटौती अर्ध-प्रतिक्रिया के अनुरूप, कई धातु वोल्टेज प्राप्त होते हैं (मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की एक संख्या)। सिस्टम की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता, शून्य के रूप में ली गई, एक ही पंक्ति में रखी गई है:

Н + +2е - → Н 2

धातु इलेक्ट्रोड क्षमता की निर्भरता जेतापमान और सांद्रता (गतिविधि) पर नर्नस्ट समीकरण द्वारा निर्धारित किया जाता है, जिसे सिस्टम पर लागू करने पर:

मैं एन + + एन ई -→मुझे

निम्नलिखित रूप में लिखा जा सकता है:

मानक इलेक्ट्रोड क्षमता कहां है, में;

आर– गैस स्थिरांक, ;

एफ -फैराडे का स्थिरांक ("96500 सी/मोल);

एन -प्रक्रिया में शामिल इलेक्ट्रॉनों की संख्या;

ए मी एन + -विलयन में धातु आयनों की गतिविधि, मोल/ली.

अर्थ लेना टी=298को,हम पाते हैं

इसके अलावा, तनु विलयनों में गतिविधि को व्यक्त आयन सांद्रता द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है मोल/ली.

ईएमएफकिसी भी गैल्वेनिक सेल को कैथोड और एनोड की इलेक्ट्रोड क्षमता के बीच अंतर के रूप में परिभाषित किया जा सकता है:

ईएमएफ = जे कैथोड -जे एनोड

तत्व के नकारात्मक ध्रुव को एनोड कहा जाता है, और ऑक्सीकरण प्रक्रिया उसी पर होती है:

मी - ने - → मी एन +

सकारात्मक ध्रुव को कैथोड कहा जाता है, और कमी की प्रक्रिया इस पर होती है:

मैं एन + + ने - → मैं

एक गैल्वेनिक सेल को योजनाबद्ध तरीके से लिखा जा सकता है, जबकि कुछ नियमों का पालन किया जाता है:

1. बाईं ओर इलेक्ट्रोड को धातु-आयन क्रम में लिखा जाना चाहिए। दाहिनी ओर इलेक्ट्रोड क्रम में आयन-धातु लिखा हुआ है। (-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+)

2. बाएं इलेक्ट्रोड पर होने वाली प्रतिक्रिया को ऑक्सीडेटिव के रूप में दर्ज किया जाता है, और दाएं इलेक्ट्रोड पर होने वाली प्रतिक्रिया को कम करने वाले के रूप में दर्ज किया जाता है।

3. यदि ईएमएफतत्व > 0, तो गैल्वेनिक सेल का संचालन स्वतःस्फूर्त होगा। अगर ईएमएफ< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

प्रयोग आयोजित करने की पद्धति

अनुभव 1: कॉपर-जिंक गैल्वेनिक सेल की संरचना

प्रयोगशाला सहायक से आवश्यक उपकरण और अभिकर्मक प्राप्त करें। आयतन वाले बीकर में 200 मि.लीबहना 100 मिली 0.1 एमकॉपर सल्फेट घोल (द्वितीय)और कंडक्टर से जुड़ी तांबे की प्लेट को इसमें नीचे कर दें। दूसरे गिलास में भी उतनी ही मात्रा डालें 0.1 एमजिंक सल्फेट घोल और कंडक्टर से जुड़ी जिंक प्लेट को इसमें नीचे करें। प्लेटों को पहले सैंडपेपर से साफ करना चाहिए। प्रयोगशाला सहायक से एक नमक पुल प्राप्त करें और दो इलेक्ट्रोलाइट्स को इसके साथ जोड़ें। साल्ट ब्रिज जेल (अगर-अगर) से भरी एक कांच की ट्यूब होती है, जिसके दोनों सिरे रुई के फाहे से बंद होते हैं। ब्रिज को सोडियम सल्फेट के संतृप्त जलीय घोल में रखा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप जेल सूज जाता है और आयनिक चालकता प्रदर्शित करता है।

एक शिक्षक की मदद से, परिणामी गैल्वेनिक सेल के ध्रुवों पर एक वोल्टमीटर संलग्न करें और वोल्टेज को मापें (यदि माप एक छोटे प्रतिरोध के साथ वोल्टमीटर के साथ किया जाता है, तो मूल्य के बीच का अंतर ईएमएफऔर वोल्टेज कम है)। नर्नस्ट के समीकरण का उपयोग करके, सैद्धांतिक मूल्य की गणना करें ईएमएफबिजली उत्पन्न करनेवाली सेल। वोल्टेज कम है ईएमएफइलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण और ओमिक हानि के कारण गैल्वेनिक सेल।

अनुभव 2: सोडियम सल्फेट घोल का इलेक्ट्रोलिसिस

प्रयोग में, गैल्वेनिक सेल द्वारा उत्पन्न विद्युत ऊर्जा का उपयोग करके, सोडियम सल्फेट का इलेक्ट्रोलिसिस करना प्रस्तावित है। ऐसा करने के लिए, यू-आकार की ट्यूब में सोडियम सल्फेट का घोल डालें और दोनों कोहनियों में तांबे की प्लेटें रखें, जिन्हें सैंडपेपर से रेत दिया जाए और गैल्वेनिक सेल के तांबे और जस्ता इलेक्ट्रोड से जोड़ा जाए, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 2. यू-आकार की ट्यूब की प्रत्येक कोहनी पर फिनोलफथेलिन की 2-3 बूंदें डालें। कुछ समय बाद, पानी के कैथोडिक अपचयन के दौरान क्षार बनने के कारण इलेक्ट्रोलाइज़र के कैथोड स्थान में घोल गुलाबी हो जाता है। यह इंगित करता है कि गैल्वेनिक सेल वर्तमान स्रोत के रूप में कार्य करता है।

सोडियम सल्फेट के जलीय घोल के इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान कैथोड और एनोड पर होने वाली प्रक्रियाओं के लिए समीकरण लिखें।

(-) कैथोड एनोड (+)

सॉल्ट ब्रिज

→ Zn 2+ Cu 2+→

ZnSO 4 Cu SO 4

एनोड (-) कैथोड (+)

Zn – 2e - → Zn 2+ Сu 2+ + 2e - →Cu

ऑक्सीकरण न्यूनीकरण

12.3 विद्यार्थी की तैयारी का आवश्यक स्तर

1. अवधारणाओं को जानें: पहले और दूसरे प्रकार के कंडक्टर, डाइइलेक्ट्रिक्स, इलेक्ट्रोड, गैल्वेनिक सेल, गैल्वेनिक सेल के एनोड और कैथोड, इलेक्ट्रोड क्षमता, मानक इलेक्ट्रोड क्षमता। ईएमएफबिजली उत्पन्न करनेवाली सेल।

2. इलेक्ट्रोड विभवों के घटित होने के कारणों और उन्हें मापने के तरीकों के बारे में एक विचार रखें।

3. गैल्वेनिक सेल के संचालन के सिद्धांतों का अंदाजा लगाएं।

4. इलेक्ट्रोड विभवों की गणना के लिए नर्नस्ट समीकरण का उपयोग करने में सक्षम हों।

5. गैल्वेनिक सेलों के चित्र लिखने में सक्षम हो, गणना करने में सक्षम हो ईएमएफगैल्वेनिक कोशिकाएँ।

आत्म-नियंत्रण कार्य

1. कंडक्टर और डाइइलेक्ट्रिक्स का वर्णन करें।

2. गैल्वेनिक सेल में एनोड पर ऋणात्मक आवेश क्यों होता है, लेकिन इलेक्ट्रोलाइजर में धनात्मक आवेश क्यों होता है?

3. इलेक्ट्रोलाइज़र और गैल्वेनिक सेल में कैथोड के बीच अंतर और समानताएं क्या हैं?

4. एक मैग्नीशियम प्लेट को उसके नमक के घोल में डुबोया गया। इस मामले में, मैग्नीशियम की इलेक्ट्रोड क्षमता बराबर निकली -2.41 वी. मैग्नीशियम आयनों की सांद्रता की गणना करें मोल/ली. (4.17x10 -2).

5. किस आयन सांद्रता पर Zn 2+ (मोल/ली)जिंक इलेक्ट्रोड की क्षमता बन जाएगी 0.015 वीइसके मानक इलेक्ट्रोड से कम? (0.3 मोल/ली)

6. निकेल और कोबाल्ट इलेक्ट्रोड को क्रमशः घोल में उतारा जाता है। Ni(NO3)2और Co(NO3)2. इन धातुओं के आयनों की सांद्रता किस अनुपात में होनी चाहिए ताकि दोनों इलेक्ट्रोडों की क्षमता समान हो? (सी नी 2+ :सी सीओ 2+ = 1:0.117)।

7. किस आयन सांद्रता पर Cu 2+वी मोल/लीक्या कॉपर इलेक्ट्रोड की क्षमता हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की मानक क्षमता के बराबर हो जाती है? (1.89x 10 -6 मोल/ली).

8. एक आरेख बनाएं, इलेक्ट्रोड प्रक्रियाओं के इलेक्ट्रॉनिक समीकरण लिखें और गणना करें ईएमएफगैल्वेनिक सेल जिसमें कैडमियम और मैग्नीशियम की प्लेटें होती हैं जो एक सांद्रता के साथ उनके लवणों के घोल में डूबी होती हैं = = 1.0 मोल/ली.क्या मूल्य बदल जाएगा ईएमएफ, यदि प्रत्येक आयन की सांद्रता कम हो जाए 0.01 मोल/ली? (2.244 वी).

प्रयोगशाला कार्य क्रमांक 13

साफ है कि कुछ भी स्पष्ट नहीं है.

आइए उन प्रक्रियाओं की अधिक विस्तार से जाँच करें जो तब हो सकती हैं जब एक धातु की प्लेट को उसी धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है जिससे प्लेट स्वयं बनी होती है, जिसे ऐसे मामलों में कहा जाता है इलेक्ट्रोड.

दो विकल्प हैं.

विकल्प 1 । इलेक्ट्रोड एक धातु से बना है जो एक सक्रिय कम करने वाला एजेंट है (यह अपने इलेक्ट्रॉनों को छोड़ने के लिए "खेद" नहीं करता है), इसे जस्ता कहें।

जिंक इलेक्ट्रोड को घोल में डुबोने के बाद, घोल में मौजूद पानी के द्विध्रुव जिंक परमाणुओं के एक निश्चित हिस्से को आकर्षित करना शुरू कर देते हैं, जो हाइड्रेटेड आयनों के रूप में घोल में चले जाते हैं, लेकिन साथ ही अपने इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देते हैं। इलेक्ट्रोड की सतह.

मी 0 +एमएच 2 ओ → मी एन+ एमएच 2 ओ+ने - मी 0 → मी एन+ +ने -

धीरे-धीरे, अधिक से अधिक "फेंक दिए गए" नकारात्मक इलेक्ट्रॉन जिंक इलेक्ट्रोड की सतह पर जमा हो जाते हैं, और जिंक इलेक्ट्रोड एक नकारात्मक चार्ज प्राप्त कर लेता है। इस प्रक्रिया के समानांतर, इलेक्ट्रोड से निकलने वाले धनावेशित जिंक आयनों की मात्रा घोल में बढ़ जाती है। जस्ता धनायन नकारात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रोड द्वारा आकर्षित होने लगते हैं, जिसके परिणामस्वरूप तथाकथित विद्युत दोहरी परत(डीईएस)।

विकल्प 2. इलेक्ट्रोड एक धातु से बना है जो एक कमजोर कम करने वाला एजेंट है (यह अपने इलेक्ट्रॉनों के साथ भाग लेने के लिए "खेद" करता है)। बता दें कि तांबा एक ऐसी धातु की भूमिका निभाता है। इस प्रकार, घोल में मौजूद कॉपर आयन मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट हैं। जब तांबे के इलेक्ट्रोड को किसी घोल में डुबोया जाता है, तो तांबे के कुछ आयन इलेक्ट्रोड की सतह से संपर्क करने लगते हैं और तांबे में मौजूद मुक्त इलेक्ट्रॉनों के कारण कम हो जाते हैं।

मी एन+ +ने - → मी 0

विकल्प 1 की विपरीत प्रक्रिया होती है। धीरे-धीरे, इलेक्ट्रोड की सतह पर अधिक से अधिक तांबे के धनायन जमा हो जाते हैं। पुनर्प्राप्त करते हुए, धनायन तांबे की प्लेट को सकारात्मक रूप से चार्ज करते हैं; जैसे-जैसे चार्ज बढ़ता है, सकारात्मक कॉपर इलेक्ट्रोड अधिक से अधिक नकारात्मक चार्ज किए गए आयनों को आकर्षित करता है, इस प्रकार एक दोहरी विद्युत परत बनाता है, लेकिन विकल्प 1 की तुलना में विपरीत ध्रुवता का होता है।

सीमा पर गठित समाधान इलेक्ट्रोडसंभावित अंतर कहा जाता है इलेक्ट्रोड क्षमता.

ऐसी क्षमता को मापना बहुत कठिन है। कठिन परिस्थिति से बाहर निकलने के लिए, उन्होंने निरपेक्ष मान नहीं, बल्कि सापेक्ष मान लेने का निर्णय लिया, और एक मानक के रूप में उन्होंने हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की क्षमता को शून्य के बराबर लेने का निर्णय लिया।

किसी विशेष धातु इलेक्ट्रोड की क्षमता धातु की प्रकृति, घोल की सांद्रता और तापमान पर निर्भर करती है।

चूंकि जलीय घोल में क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुएं पानी के साथ प्रतिक्रिया करती हैं, इसलिए उनकी इलेक्ट्रोड क्षमता की गणना सैद्धांतिक रूप से की जाती है।

सभी धातुओं को उनके मानक इलेक्ट्रोड विभव के मान के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करने की प्रथा है - इस श्रृंखला को कहा जाता है धातुओं की विद्युत रासायनिक वोल्टेज श्रृंखला:

इलेक्ट्रोड विभव क्या दर्शाता है?

इलेक्ट्रोड क्षमता संख्यात्मक मान में किसी धातु की अपने इलेक्ट्रॉनों को छोड़ने या बहाल करने की क्षमता को दर्शाती है; दूसरे शब्दों में, यह धातु की रासायनिक गतिविधि को दर्शाती है।

कोई धातु इलेक्ट्रोकेमिकल श्रृंखला में जितनी बाईं ओर होती है (ऊपर देखें), वह उतनी ही आसानी से अपने इलेक्ट्रॉन छोड़ती है, यानी, वह अधिक सक्रिय होती है और अन्य तत्वों के साथ अधिक आसानी से प्रतिक्रिया करती है।

यदि हम चरम सीमा लेते हैं, तो:

• लिथियम सबसे मजबूत कम करने वाला एजेंट है, और लिथियम आयन सबसे कमजोर ऑक्सीकरण एजेंट है;
• सोना सबसे कमजोर कम करने वाला एजेंट है, और सोना आयन सबसे मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट है।

धातु वोल्टेज की विद्युत रासायनिक श्रृंखला से उत्पन्न होने वाले परिणाम:

• धातु अपने दाहिनी ओर की श्रृंखला में मौजूद अन्य सभी धातुओं (जो कमजोर कम करने वाले एजेंट हैं) को लवण से विस्थापित कर देती है;
• वे धातुएँ जिनमें नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है, यानी, हाइड्रोजन के बाईं ओर खड़ी होती हैं, इसे एसिड से विस्थापित करती हैं;
• सबसे सक्रिय धातुएँ, जिनमें सबसे कम इलेक्ट्रोड संभावित मान होते हैं (ये लिथियम से सोडियम तक की धातुएँ हैं), मुख्य रूप से जलीय घोल में पानी के साथ प्रतिक्रिया करती हैं।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आवर्त सारणी में धातुओं की स्थिति और विद्युत रासायनिक वोल्टेज श्रृंखला में समान धातुओं की स्थिति थोड़ी भिन्न होती है। इस तथ्य को इस तथ्य से समझाया गया है कि इलेक्ट्रोड क्षमता का मूल्य न केवल एक पृथक परमाणु से इलेक्ट्रॉनों को हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा पर निर्भर करता है, बल्कि इसमें क्रिस्टल जाली को नष्ट करने के लिए आवश्यक ऊर्जा + जलयोजन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा भी शामिल होती है। आयन।

सभी धातुओं को, उनकी रेडॉक्स गतिविधि के आधार पर, एक श्रृंखला में संयोजित किया जाता है जिसे इलेक्ट्रोकेमिकल धातु वोल्टेज श्रृंखला कहा जाता है (क्योंकि इसमें धातुओं को मानक इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमता बढ़ाने के क्रम में व्यवस्थित किया जाता है) या धातु गतिविधि श्रृंखला:

ली, के, बा, सीए, ना, एमजी, अल, जेएन, फे, नी, एसएन, पीबी, एच2, सीयू, एचजी, एजी, पीटी, औ

सबसे अधिक रासायनिक रूप से सक्रिय धातुएँ हाइड्रोजन तक गतिविधि श्रृंखला में होती हैं, और धातु जितनी अधिक बाईं ओर स्थित होती है, वह उतनी ही अधिक सक्रिय होती है। सक्रियता श्रृंखला में हाइड्रोजन के बाद स्थान रखने वाली धातुएँ निष्क्रिय मानी जाती हैं।

अल्युमीनियम

एल्युमीनियम एक सिल्वर-सफ़ेद रंग है। एल्यूमीनियम के मुख्य भौतिक गुण हल्कापन, उच्च तापीय और विद्युत चालकता हैं। मुक्त अवस्था में, हवा के संपर्क में आने पर, एल्युमीनियम अल 2 ओ 3 ऑक्साइड की एक टिकाऊ फिल्म से ढक जाता है, जो इसे केंद्रित एसिड की क्रिया के प्रति प्रतिरोधी बनाता है।

एल्युमीनियम पी-परिवार की धातुओं से संबंधित है। बाहरी ऊर्जा स्तर का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 3s 2 3p 1 है। अपने यौगिकों में, एल्यूमीनियम "+3" की ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।

इस तत्व के पिघले हुए ऑक्साइड के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा एल्युमीनियम का उत्पादन किया जाता है:

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

हालाँकि, उत्पाद की कम उपज के कारण, Na 3 और Al 2 O 3 के मिश्रण के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा एल्यूमीनियम के उत्पादन की विधि का अधिक बार उपयोग किया जाता है। प्रतिक्रिया तब होती है जब 960C तक गर्म किया जाता है और उत्प्रेरक - फ्लोराइड्स (AlF 3, CaF 2, आदि) की उपस्थिति में, जबकि एल्यूमीनियम की रिहाई कैथोड पर होती है, और ऑक्सीजन एनोड पर जारी होती है।

एल्युमीनियम अपनी सतह (1) से ऑक्साइड फिल्म को हटाने के बाद पानी के साथ बातचीत करने में सक्षम है, सरल पदार्थों (ऑक्सीजन, हैलोजन, नाइट्रोजन, सल्फर, कार्बन) (2-6), एसिड (7) और क्षार (8) के साथ बातचीत करता है:

2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 (1)

2Al +3/2O 2 = Al 2 O 3 (2)

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (3)

2Al + N 2 = 2AlN (4)

2एएल +3एस = एएल 2 एस 3 (5)

4एएल + 3सी = एएल 4 सी 3 (6)

2Al + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 (7)

2Al +2NaOH +3H 2 O = 2Na + 3H 2 (8)

कैल्शियम

अपने मुक्त रूप में, Ca एक चांदी-सफेद धातु है। हवा के संपर्क में आने पर, यह तुरंत एक पीली फिल्म से ढक जाता है, जो हवा के घटकों के साथ इसकी बातचीत का उत्पाद है। कैल्शियम एक काफी कठोर धातु है और इसमें फलक-केंद्रित घन क्रिस्टल जाली होती है।

बाहरी ऊर्जा स्तर का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 4s 2 है। अपने यौगिकों में, कैल्शियम "+2" की ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।

कैल्शियम पिघले हुए लवणों के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्राप्त किया जाता है, अक्सर क्लोराइड:

सीएसीएल 2 = सीए + सीएल 2

कैल्शियम पानी में घुलकर हाइड्रॉक्साइड बनाने, मजबूत बुनियादी गुण प्रदर्शित करने (1), ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करने (2), ऑक्साइड बनाने, गैर-धातुओं के साथ बातचीत करने (3-8), एसिड में घुलने (9) में सक्षम है:

सीए + एच 2 ओ = सीए (ओएच) 2 + एच 2 (1)

2Ca + O 2 = 2CaO (2)

सीए + बीआर 2 = सीएबीआर 2 (3)

3Ca + N2 = Ca3N2 (4)

2Ca + 2C = Ca 2 C 2 (5)

2Ca + 2P = Ca 3 P 2 (7)

Ca + H 2 = CaH 2 (8)

Ca + 2HCl = CaCl 2 + H 2 (9)

लोहा और उसके यौगिक

लोहा एक धूसर धातु है। अपने शुद्ध रूप में यह काफी नरम, लचीला और चिपचिपा होता है। बाहरी ऊर्जा स्तर का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 3d 6 4s 2 है। अपने यौगिकों में, लोहा ऑक्सीकरण अवस्थाएँ "+2" और "+3" प्रदर्शित करता है।

धात्विक लोहा जलवाष्प के साथ प्रतिक्रिया करके मिश्रित ऑक्साइड (II, III) Fe 3 O 4 बनाता है:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

हवा में, लोहा आसानी से ऑक्सीकरण हो जाता है, विशेषकर नमी की उपस्थिति में (जंग):

3Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

अन्य धातुओं की तरह, लोहा सरल पदार्थों के साथ प्रतिक्रिया करता है, उदाहरण के लिए, हैलोजन (1), और एसिड में घुल जाता है (2):

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (2)

आयरन यौगिकों का एक पूरा स्पेक्ट्रम बनाता है, क्योंकि यह कई ऑक्सीकरण अवस्थाओं को प्रदर्शित करता है: आयरन (II) हाइड्रॉक्साइड, आयरन (III) हाइड्रॉक्साइड, लवण, ऑक्साइड, आदि। इस प्रकार, हवा तक पहुंच के बिना लौह (II) लवण पर क्षार समाधान की क्रिया द्वारा लौह (II) हाइड्रॉक्साइड प्राप्त किया जा सकता है:

FeSO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4

आयरन (II) हाइड्रॉक्साइड एसिड में घुलनशील होता है और ऑक्सीजन की उपस्थिति में आयरन (III) हाइड्रॉक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाता है।

लौह (II) लवण अपचायक गुण प्रदर्शित करते हैं और लौह (III) यौगिकों में परिवर्तित हो जाते हैं।

आयरन (III) ऑक्साइड को ऑक्सीजन में लोहे के दहन से प्राप्त नहीं किया जा सकता है; इसे प्राप्त करने के लिए, आयरन सल्फाइड को जलाना या अन्य लौह लवणों को कैल्सिनेट करना आवश्यक है:

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2

2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + 3H 2 O

आयरन (III) यौगिक कमजोर ऑक्सीकरण गुण प्रदर्शित करते हैं और मजबूत कम करने वाले एजेंटों के साथ रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करने में सक्षम हैं:

2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl

लौह एवं इस्पात उत्पादन

स्टील और कच्चा लोहा लोहे और कार्बन के मिश्र धातु हैं, स्टील में कार्बन सामग्री 2% तक और कच्चा लोहा में 2-4% तक होती है। स्टील और कच्चा लोहा में मिश्रधातु योजक होते हैं: स्टील - सीआर, वी, नी, और कच्चा लोहा - सी।

स्टील विभिन्न प्रकार के होते हैं; उदाहरण के लिए, संरचनात्मक, स्टेनलेस, उपकरण, गर्मी प्रतिरोधी और क्रायोजेनिक स्टील्स को उनके इच्छित उद्देश्य के अनुसार प्रतिष्ठित किया जाता है। उनकी रासायनिक संरचना के आधार पर, उन्हें कार्बन (निम्न-, मध्यम- और उच्च-कार्बन) और मिश्र धातु (निम्न-, मध्यम- और उच्च-मिश्र धातु) में विभाजित किया गया है। संरचना के आधार पर, ऑस्टेनिटिक, फेरिटिक, मार्टेंसिटिक, पर्लिटिक और बैनिटिक स्टील्स को प्रतिष्ठित किया जाता है।

स्टील ने राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के कई क्षेत्रों, जैसे निर्माण, रसायन, पेट्रोकेमिकल, पर्यावरण संरक्षण, परिवहन ऊर्जा और अन्य उद्योगों में आवेदन पाया है।

कच्चा लोहा - सीमेंटाइट या ग्रेफाइट में कार्बन सामग्री के रूप के साथ-साथ उनकी मात्रा के आधार पर, कच्चा लोहा कई प्रकार के होते हैं: सफेद (सीमेंटाइट के रूप में कार्बन की उपस्थिति के कारण फ्रैक्चर का हल्का रंग), ग्रे (ग्रेफाइट के रूप में कार्बन की उपस्थिति के कारण फ्रैक्चर का ग्रे रंग), लचीला और गर्मी प्रतिरोधी। कच्चा लोहा बहुत भंगुर मिश्रधातु है।

कच्चा लोहा के अनुप्रयोग के क्षेत्र व्यापक हैं - कलात्मक सजावट (बाड़, द्वार), कैबिनेट के हिस्से, नलसाजी उपकरण, घरेलू सामान (फ्राइंग पैन) कच्चा लोहा से बनाए जाते हैं, और इसका उपयोग मोटर वाहन उद्योग में किया जाता है।

समस्या समाधान के उदाहरण

उदाहरण 1

व्यायाम	26.31 ग्राम वजन वाले मैग्नीशियम और एल्यूमीनियम के एक मिश्र धातु को हाइड्रोक्लोरिक एसिड में घोल दिया गया था। इस मामले में, 31.024 लीटर रंगहीन गैस जारी की गई। मिश्र धातु में धातुओं के द्रव्यमान अंश निर्धारित करें।
समाधान	दोनों धातुएं हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करने में सक्षम हैं, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन निकलती है: एमजी +2एचसीएल = एमजीसीएल 2 + एच 2 2Al +6HCl = 2AlCl3 + 3H2 आइए जारी हाइड्रोजन के मोलों की कुल संख्या ज्ञात करें: वी(एच 2) =वी(एच 2)/वी एम वी(एच 2) = 31.024/22.4 = 1.385 मोल माना पदार्थ Mg की मात्रा x mol है, और Al की मात्रा y mol है। फिर, प्रतिक्रिया समीकरणों के आधार पर, हम हाइड्रोजन के मोल्स की कुल संख्या के लिए अभिव्यक्ति लिख सकते हैं: x + 1.5y = 1.385 आइए हम मिश्रण में धातुओं का द्रव्यमान व्यक्त करें: फिर, मिश्रण का द्रव्यमान समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाएगा: 24x + 27y = 26.31 हमें समीकरणों की एक प्रणाली प्राप्त हुई: x + 1.5y = 1.385 24x + 27y = 26.31 आइए इसे हल करें: 33.24 -36y+27y = 26.31 v(अल) = 0.77 मोल v(एमजी) = 0.23 मोल फिर, मिश्रण में धातुओं का द्रव्यमान है: एम(एमजी) = 24×0.23 = 5.52 ग्राम एम(अल) = 27×0.77 = 20.79 ग्राम आइए मिश्रण में धातुओं के द्रव्यमान अंश ज्ञात करें: ώ =m(Me)/m योग ×100% ώ(एमजी) = 5.52/26.31 ×100%= 20.98% ώ(अल) = 100 – 20.98 = 79.02%
उत्तर	मिश्रधातु में धातुओं का द्रव्यमान अंश: 20.98%, 79.02%

इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम

सामान्य विशेषताएँ

इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री - रसायन विज्ञान की एक शाखा जो संभावित अंतर की घटना और रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा (गैल्वेनिक कोशिकाओं) में बदलने की प्रक्रियाओं का अध्ययन करती है, साथ ही विद्युत ऊर्जा (इलेक्ट्रोलिसिस) के व्यय के कारण रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कार्यान्वयन का भी अध्ययन करती है। ये दोनों प्रक्रियाएँ, जिनकी प्रकृति समान है, आधुनिक तकनीक में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं।

गैल्वेनिक कोशिकाओं का उपयोग मशीनों, रेडियो उपकरणों और नियंत्रण उपकरणों के लिए स्वायत्त और छोटे आकार के ऊर्जा स्रोतों के रूप में किया जाता है। इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके, विभिन्न पदार्थ प्राप्त किए जाते हैं, सतहों का उपचार किया जाता है, और वांछित आकार के उत्पाद बनाए जाते हैं।

इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाएं हमेशा मनुष्यों को लाभ नहीं पहुंचाती हैं, और कभी-कभी बहुत नुकसान पहुंचाती हैं, जिससे धातु संरचनाओं का क्षरण और विनाश बढ़ जाता है। विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं का कुशलतापूर्वक उपयोग करने और अवांछनीय घटनाओं से निपटने के लिए, उनका अध्ययन किया जाना चाहिए और उन्हें विनियमित करने में सक्षम होना चाहिए।

इलेक्ट्रोकेमिकल घटना का कारण इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण या इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं में भाग लेने वाले पदार्थों के परमाणुओं की ऑक्सीकरण अवस्था में बदलाव है, यानी विषम प्रणालियों में होने वाली रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में, इलेक्ट्रॉनों को सीधे कम करने वाले एजेंट से ऑक्सीकरण एजेंट में स्थानांतरित किया जाता है। यदि ऑक्सीकरण और कमी की प्रक्रियाओं को स्थानिक रूप से अलग किया जाता है, और इलेक्ट्रॉनों को धातु कंडक्टर के साथ निर्देशित किया जाता है, तो ऐसी प्रणाली एक गैल्वेनिक सेल का प्रतिनिधित्व करेगी। गैल्वेनिक सेल में विद्युत धारा की घटना एवं प्रवाह का कारण विभवान्तर है।

इलेक्ट्रोड क्षमता. इलेक्ट्रोड क्षमता को मापना

यदि आप किसी धातु की प्लेट लेते हैं और उसे पानी में डालते हैं, तो ध्रुवीय पानी के अणुओं के प्रभाव में सतह परत के आयन निकल जाते हैं और तरल में हाइड्रेट हो जाते हैं। इस संक्रमण के परिणामस्वरूप, तरल सकारात्मक रूप से चार्ज होता है और धातु नकारात्मक रूप से, क्योंकि उस पर इलेक्ट्रॉनों की अधिकता दिखाई देती है। तरल में धातु आयनों का संचय धातु के विघटन को रोकना शुरू कर देता है। एक गतिशील संतुलन स्थापित हो जाता है

मी 0 + एमएच 2 ओ = मी एन + × एम एच 2 ओ + ने -

संतुलन की स्थिति धातु की गतिविधि और घोल में उसके आयनों की सांद्रता दोनों पर निर्भर करती है। हाइड्रोजन तक वोल्टेज श्रृंखला में सक्रिय धातुओं के मामले में, ध्रुवीय पानी के अणुओं के साथ बातचीत सतह से सकारात्मक धातु आयनों के अलग होने और हाइड्रेटेड आयनों के समाधान में संक्रमण के साथ समाप्त होती है (छवि बी)। धातु ऋणावेशित हो जाती है। प्रक्रिया ऑक्सीकरण है. जैसे-जैसे सतह के पास आयनों की सांद्रता बढ़ती है, विपरीत प्रक्रिया संभव हो जाती है - आयनों की कमी। समाधान में धनायनों और सतह पर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण एक विद्युत दोहरी परत बनाता है। इससे धातु और तरल के बीच इंटरफेस पर एक निश्चित संभावित अंतर या संभावित उछाल दिखाई देता है। किसी धातु और उसके आसपास के जलीय वातावरण के बीच उत्पन्न होने वाले संभावित अंतर को कहा जाता है इलेक्ट्रोड क्षमता. जब किसी धातु को उस धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो संतुलन बदल जाता है। विलयन में किसी धातु के आयनों की सांद्रता बढ़ाने से विलयन से धातु में आयनों के संक्रमण की प्रक्रिया आसान हो जाती है। वे धातुएँ जिनके आयनों में घोल में जाने की महत्वपूर्ण क्षमता होती है, ऐसे घोल में सकारात्मक रूप से चार्ज होंगे, लेकिन शुद्ध पानी की तुलना में कुछ हद तक।

निष्क्रिय धातुओं के लिए, घोल में धातु आयनों की संतुलन सांद्रता बहुत कम होती है। यदि ऐसी धातु को इस धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो धातु से घोल में आयनों के संक्रमण की तुलना में सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन धातु पर तेजी से निकलते हैं। धातु की सतह को धनात्मक आवेश प्राप्त होगा, और नमक आयनों की अधिकता के कारण घोल को ऋणात्मक आवेश प्राप्त होगा। और इस मामले में, धातु-समाधान इंटरफ़ेस पर एक इलेक्ट्रिक डबल परत दिखाई देती है, इसलिए एक निश्चित संभावित अंतर (छवि सी)। विचाराधीन मामले में, इलेक्ट्रोड क्षमता सकारात्मक है।

चावल। धातु से विलयन में आयन के संक्रमण की प्रक्रिया:

एक संतुलन; बी - विघटन; सी – निक्षेपण

प्रत्येक इलेक्ट्रोड की क्षमता धातु की प्रकृति, घोल में उसके आयनों की सांद्रता और तापमान पर निर्भर करती है। यदि किसी धातु को उसके नमक के घोल में डुबाया जाता है जिसमें प्रति 1 डीएम 3 (जिसकी गतिविधि 1 है) में एक मोल धातु आयन होता है, तो इलेक्ट्रोड क्षमता 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान और 1 के दबाव पर एक स्थिर मूल्य होगी। ए.टी.एम. इस क्षमता को कहा जाता है मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (ई ओ).

धनात्मक आवेश वाले धातु आयन, विलयन में प्रवेश करते हैं और धातु-समाधान इंटरफ़ेस के संभावित क्षेत्र में चलते हैं, ऊर्जा खर्च करते हैं। इस ऊर्जा की भरपाई सतह पर आयनों की उच्च सांद्रता से घोल में कम सांद्रता तक इज़ोटेर्मल विस्तार के कार्य द्वारा की जाती है। सकारात्मक आयन सतह परत में सांद्रण तक जमा हो जाते हैं साथ हे, और फिर समाधान में जाएं, जहां मुक्त आयनों की सांद्रता साथ. विद्युत क्षेत्र EnF का कार्य विस्तार RTln(с o /с) के इज़ोटेर्मल कार्य के बराबर है। कार्य की दोनों अभिव्यक्तियों को समान करके, हम क्षमता का परिमाण प्राप्त कर सकते हैं

एन एफ = आरटीएलएन(एस ओ /एस), -ई = आरटीएलएन(एस/एस ओ)/एनएफ,

जहां ई धातु क्षमता है, वी; आर - सार्वभौमिक गैस स्थिरांक, जे/मोल के; टी - तापमान, के; एन - आयन चार्ज; एफ - फैराडे संख्या; सी - मुक्त आयनों की सांद्रता;

सी ओ - सतह परत में आयनों की सांद्रता।

संभावित मूल्य को सीधे मापना संभव नहीं है, क्योंकि प्रयोगात्मक रूप से क्षमता का मूल्य निर्धारित करना असंभव है। इलेक्ट्रोड क्षमता का मान किसी अन्य इलेक्ट्रोड के मूल्य के सापेक्ष अनुभवजन्य रूप से निर्धारित किया जाता है, जिसकी क्षमता पारंपरिक रूप से शून्य मानी जाती है। ऐसा एक मानक या संदर्भ इलेक्ट्रोड है सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (एन.वी.ई.) . हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की संरचना चित्र में दिखाई गई है। इसमें इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से जमा प्लैटिनम से लेपित एक प्लैटिनम प्लेट होती है। इलेक्ट्रोड को सल्फ्यूरिक एसिड के 1M घोल में डुबोया जाता है (हाइड्रोजन आयनों की गतिविधि 1 mol/dm3 है) और 101 kPa और T = 298 K के दबाव में हाइड्रोजन गैस की धारा से धोया जाता है। जब प्लैटिनम हाइड्रोजन से संतृप्त होता है , धातु की सतह पर संतुलन स्थापित होता है, समग्र प्रक्रिया समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है

2Н + +2е ↔ Н 2 .

यदि इस धातु के नमक के 1M घोल में डुबोई गई धातु की एक प्लेट एक बाहरी कंडक्टर द्वारा एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से जुड़ी होती है, और समाधान एक इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी से जुड़े होते हैं, तो हमें एक गैल्वेनिक सेल (चित्र 32) प्राप्त होता है। इस गैल्वेनिक सेल की इलेक्ट्रोमोटिव बल की मात्रा होगी किसी दिए गए धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (ई हे ).

मानक इलेक्ट्रोड क्षमता मापने की योजना

हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष

जिंक सल्फेट के 1 एम घोल में जिंक को इलेक्ट्रोड के रूप में लेते हुए और इसे हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से जोड़ने पर, हमें एक गैल्वेनिक सेल प्राप्त होता है, जिसका सर्किट इस प्रकार लिखा जाएगा:

(-) Zn/Zn 2+ // 2H + /H 2, Pt (+)।

आरेख में, एक रेखा इलेक्ट्रोड और समाधान के बीच इंटरफ़ेस को इंगित करती है, दो रेखाएं समाधान के बीच इंटरफ़ेस को इंगित करती हैं। एनोड बाईं ओर लिखा है, कैथोड दाईं ओर। ऐसे तत्व में, प्रतिक्रिया Zn o + 2H + = Zn 2+ + H 2 होती है, और इलेक्ट्रॉन जस्ता से हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड तक बाहरी सर्किट से गुजरते हैं। जिंक इलेक्ट्रोड के लिए मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (-0.76 V)।

एक तांबे की प्लेट को इलेक्ट्रोड के रूप में लेते हुए, निर्दिष्ट शर्तों के तहत एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के साथ संयोजन में, हम एक गैल्वेनिक सेल प्राप्त करते हैं

(-) पीटी, एच 2 /2एच + //सीयू 2+ /सीयू (+)।

इस स्थिति में, प्रतिक्रिया होती है: Cu 2+ + H 2 = Cu o + 2H +। इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से कॉपर इलेक्ट्रोड तक चलते हैं। कॉपर इलेक्ट्रोड की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (+0.34 V)।

कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं (वोल्टेज)। नर्नस्ट समीकरण

धातुओं को उनकी मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करने से, निकोलाई निकोलाइविच बेकेटोव (1827-1911) के वोल्टेज की एक श्रृंखला, या मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की एक श्रृंखला प्राप्त होती है। कई तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण धातुओं के लिए मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के संख्यात्मक मान तालिका में दिए गए हैं।

धातु तनाव रेंज

कई तनाव धातुओं के कुछ गुणों की विशेषता बताते हैं:

1. किसी धातु की इलेक्ट्रोड क्षमता जितनी कम होती है, वह रासायनिक रूप से उतना ही अधिक सक्रिय होता है, उसका ऑक्सीकरण करना उतना ही आसान होता है और उसके आयनों से पुनर्प्राप्त करना उतना ही कठिन होता है। प्रकृति में सक्रिय धातुएँ केवल यौगिकों Na, K, ... के रूप में मौजूद होती हैं, प्रकृति में यौगिकों के रूप में और Cu, Ag, Hg की मुक्त अवस्था में पाई जाती हैं; औ, पं - केवल मुक्त अवस्था में;

2. जिन धातुओं में मैग्नीशियम की तुलना में अधिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है, वे पानी से हाइड्रोजन को विस्थापित करते हैं;

3. धातुएँ जो हाइड्रोजन से पहले वोल्टेज श्रृंखला में हैं, तनु एसिड के समाधान से हाइड्रोजन को विस्थापित करती हैं (जिनके आयन ऑक्सीकरण गुण प्रदर्शित नहीं करते हैं);

4. श्रृंखला की प्रत्येक धातु जो पानी में विघटित नहीं होती है, उन धातुओं को विस्थापित करती है जिनके इलेक्ट्रोड विभव के सकारात्मक मान उनके लवणों के विलयन से अधिक होते हैं;

5. इलेक्ट्रोड विभव के मान में धातुएँ जितनी अधिक भिन्न होंगी, ईएमएफ मान उतना ही अधिक होगा। उनसे एक गैल्वेनिक सेल का निर्माण किया जाएगा।

धातु की प्रकृति, विलयन और तापमान में उसके आयनों की गतिविधि पर इलेक्ट्रोड क्षमता (ई) की निर्भरता नर्नस्ट समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है

ई मी = ई ओ मी + आरटीएलएन(ए मी एन +)/एनएफ,

जहां E o Me धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, और Men + घोल में धातु आयनों की गतिविधि है। 25 डिग्री सेल्सियस के मानक तापमान पर, पतला समाधान के लिए, गतिविधि (ए) को एकाग्रता (सी) के साथ प्रतिस्थापित करना, दशमलव के साथ प्राकृतिक लघुगणक और आर, टी और एफ के मूल्यों को प्रतिस्थापित करना, हम प्राप्त करते हैं

ई मी = ई ओ मी + (0.059/एन)लॉगс।

उदाहरण के लिए, इसके नमक के घोल में रखे गए जिंक इलेक्ट्रोड के लिए, हाइड्रेटेड आयनों Zn 2+ × mH 2 O की सांद्रता आइए, इसे संक्षेप में Zn 2+ कहें

ई Zn = E o Zn + (0.059/n) लॉग[ Zn 2+ ]।

यदि = 1 mol/dm 3, तो E Zn = E o Zn.

गैल्वेनिक सेल, उनका इलेक्ट्रोमोटिव बल

दो धातुएँ अपने लवणों के विलयन में डूबी हुई, एक चालक से जुड़कर, एक गैल्वेनिक सेल बनाती हैं। पहली गैल्वेनिक सेल का आविष्कार अलेक्जेंडर वोल्ट ने 1800 में किया था। सेल में सल्फ्यूरिक एसिड के घोल में भिगोए कपड़े से अलग की गई तांबे और जस्ता की प्लेटें शामिल थीं। जब बड़ी संख्या में प्लेटें श्रृंखला में जुड़ी होती हैं, तो वोल्टा तत्व में एक महत्वपूर्ण इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) होता है।

गैल्वेनिक सेल में विद्युत धारा की घटना ली गई धातुओं की इलेक्ट्रोड क्षमता में अंतर के कारण होती है और इलेक्ट्रोड में होने वाले रासायनिक परिवर्तनों के साथ होती है। आइए कॉपर-जिंक सेल (जे. डैनियल - बी. एस. जैकोबी) के उदाहरण का उपयोग करके गैल्वेनिक सेल के संचालन पर विचार करें।

कॉपर-जिंक डैनियल-जैकोबी गैल्वेनिक सेल का आरेख

जिंक सल्फेट (c = 1 mol/dm 3) के घोल में डुबोए गए जिंक इलेक्ट्रोड पर, जिंक ऑक्सीकरण (जिंक विघटन) Zn o - 2e = Zn 2+ होता है। इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथ में प्रवेश करते हैं। Zn इलेक्ट्रॉनों का एक स्रोत है। इलेक्ट्रॉनों का स्रोत नकारात्मक इलेक्ट्रोड - एनोड माना जाता है। कॉपर सल्फेट घोल (c = 1 mol/dm 3) में डुबोए गए कॉपर इलेक्ट्रोड पर, धातु आयन कम हो जाते हैं। तांबे के परमाणु इलेक्ट्रोड Cu 2+ + 2e = Cu o पर जमा होते हैं। कॉपर इलेक्ट्रोड सकारात्मक है. यह कैथोड है. उसी समय, कुछ SO 4 2- आयन नमक पुल से होकर ZnSO 4 घोल वाले बर्तन में चले जाते हैं . एनोड और कैथोड पर होने वाली प्रक्रियाओं के समीकरणों को जोड़ने पर, हमें कुल समीकरण प्राप्त होता है

बोरिस सेमेनोविच जैकोबी (मोरित्ज़ हरमन) (1801-1874)

या आणविक रूप में

यह धातु-समाधान इंटरफ़ेस पर होने वाली एक सामान्य रेडॉक्स प्रतिक्रिया है। गैल्वेनिक सेल की विद्युत ऊर्जा एक रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से प्राप्त की जाती है। विचारित गैल्वेनिक सेल को एक संक्षिप्त विद्युत रासायनिक सर्किट के रूप में लिखा जा सकता है

(-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+).

गैल्वेनिक सेल के संचालन के लिए एक आवश्यक शर्त संभावित अंतर है, इसे कहा जाता है गैल्वेनिक सेल का इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) . ई.एम.एफ. किसी भी कार्यशील गैल्वेनिक तत्व का सकारात्मक मान होता है। ईएमएफ की गणना करने के लिए. गैल्वेनिक सेल, कम सकारात्मक क्षमता के मूल्य को अधिक सकारात्मक क्षमता के मूल्य से घटाना आवश्यक है। तो ई.एम.एफ. मानक परिस्थितियों में कॉपर-जिंक गैल्वेनिक सेल (टी = 25 ओ सी, सी = 1 मोल/डीएम 3, पी = 1 एटीएम) कॉपर (कैथोड) और जिंक (एनोड) की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के बीच अंतर के बराबर है, कि है

ई.एम.एफ. = ई ओ सी यू 2+ / सीयू - ई ओ जेएन 2+ / जेएन = +0.34 वी – (-0.76 वी) = +1.10 वी.

जब जिंक के साथ जोड़ा जाता है, तो Cu 2+ आयन कम हो जाता है।

ऑपरेशन के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोड क्षमता में अंतर विभिन्न सांद्रता और समान इलेक्ट्रोड के समान समाधान का उपयोग करके बनाया जा सकता है। ऐसे गैल्वेनिक सेल को कहा जाता है एकाग्रता , और यह समाधान की सांद्रता को बराबर करके काम करता है। एक उदाहरण दो हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से बना एक सेल होगा

पीटी, एच 2 / एच 2 एसओ 4 (एस`) // एच 2 एसओ 4 (एस``) / एच 2, पीटी,

जहाँ c` = `; सी`` = ``।

यदि p = 101 kPa, s`< с``, то его э.д.с. при 25 о С определяется уравнением

ई = 0.059एलजी(एस``/एस`)।

с` = 1 mol-ion/dm 3 ईएमएफ पर। तत्व का निर्धारण दूसरे घोल में हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता से होता है, अर्थात E = 0.059lgс`` = -0.059 pH।

हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता का निर्धारण और, परिणामस्वरूप, ईएमएफ को मापकर माध्यम का पीएच। संबंधित गैल्वेनिक तत्व को पोटेंशियोमेट्री कहा जाता है।

बैटरियों

बैटरियों पुन: प्रयोज्य और प्रतिवर्ती क्रिया की गैल्वेनिक कोशिकाएँ कहलाती हैं। वे डिस्चार्ज के दौरान संचित रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में और विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने में सक्षम हैं, जिससे चार्जिंग के दौरान एक रिजर्व बनता है। चूंकि ई.एम.एफ. बैटरियां छोटी होती हैं; ऑपरेशन के दौरान वे आम तौर पर बैटरियों से जुड़ी होती हैं।

लेड एसिड बैटरी . लेड-एसिड बैटरी में दो छिद्रित लेड प्लेट होते हैं, जिनमें से एक (नकारात्मक) में चार्ज करने के बाद एक भराव होता है - स्पंजी सक्रिय लेड, और दूसरे (पॉजिटिव) में - लेड डाइऑक्साइड। दोनों प्लेटों को 25-30% सल्फ्यूरिक एसिड घोल में डुबोया जाता है (चित्र 35)। बैटरी सर्किट

(-) पीबी/ पी-पी एच 2 एसओ 4 / पीबीओ 2 / पीबी(+) .

चार्ज करने से पहले, कार्बनिक बाइंडर के अलावा, लेड ऑक्साइड पीबीओ युक्त एक पेस्ट को लेड इलेक्ट्रोड के छिद्रों में डाला जाता है। सल्फ्यूरिक एसिड के साथ लेड ऑक्साइड की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रोड प्लेटों के छिद्रों में लेड सल्फेट बनता है

पीबीओ + एच 2 एसओ 4 = पीबीएसओ 4 + एच 2 ओ .

बैटरियों को विद्युत धारा प्रवाहित करके चार्ज किया जाता है

निर्वहन प्रक्रिया

कुल मिलाकर, बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज करते समय होने वाली प्रक्रियाओं को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

बैटरी चार्ज करते समय इलेक्ट्रोलाइट (सल्फ्यूरिक एसिड) का घनत्व बढ़ जाता है और डिस्चार्ज करते समय कम हो जाता है। इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व बैटरी के डिस्चार्ज की डिग्री निर्धारित करता है। ई.एम.एफ. लीड बैटरी 2.1 V.

लाभलेड-एसिड बैटरी - उच्च विद्युत क्षमता, स्थिर संचालन, बड़ी संख्या में चक्र (डिस्चार्ज-चार्ज)। कमियां- बड़ा द्रव्यमान और, इसलिए, कम विशिष्ट क्षमता, चार्जिंग के दौरान हाइड्रोजन का विकास, एक केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड समाधान की उपस्थिति में गैर-जकड़न। इस संबंध में क्षारीय बैटरियां बेहतर हैं।

क्षारीय बैटरियां. इनमें टी. एडिसन कैडमियम-निकल और आयरन-निकल बैटरी शामिल हैं।

एडिसन बैटरी और लीड बैटरी सर्किट

थॉमस एडिसन(1847-1931)

वे एक-दूसरे के समान हैं। अंतर नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्लेटों की सामग्री में निहित है। पहले मामले में वे कैडमियम हैं, दूसरे में वे लोहा हैं। इलेक्ट्रोलाइट एक KOH समाधान है ω = 20% . निकेल-कैडमियम बैटरियाँ सबसे अधिक व्यावहारिक महत्व की हैं। कैडमियम-निकल बैटरी आरेख

(-) सीडी/केओएच/नी 2 ओ 3/नी समाधान (+)।

कैडमियम-निकल बैटरी का संचालन Ni 3+ से जुड़ी रेडॉक्स प्रतिक्रिया पर आधारित है

ई.एम.एफ. एक चार्ज निकेल-कैडमियम बैटरी का 1.4 V है।

तालिका एडिसन बैटरी और लीड बैटरी की विशेषताओं को दर्शाती है।