Анхаар! Доорх тайлбар нь лавлагааны материал бөгөөд энэ винил диаграммд ороогүй болно!

МЕТАЛЛЫН ЦАХИЛГААН ХИМИЙН БАГА СУРГАЛТ

Бид шүлтлэг металлын хлоридын уусмалын электролиз, хайлмал ашиглан металл үйлдвэрлэхтэй аль хэдийн танилцсан. Одоо усан уусмал ба гальваник эсийн цахилгаан химийн хуулиудыг судлахын тулд хэд хэдэн энгийн туршилтуудыг ашиглахыг хичээцгээе, мөн хамгаалалтын гальваник бүрээсийн үйлдвэрлэлтэй танилцъя.
Электрохимийн аргыг орчин үеийн аналитик химид ашигладаг бөгөөд онолын химийн хамгийн чухал хэмжигдэхүүнийг тодорхойлоход үйлчилдэг.
Эцэст нь, үндэсний эдийн засагт ихээхэн хохирол учруулдаг металл объектуудын зэврэлт нь ихэнх тохиолдолд цахилгаан химийн процесс юм.

МЕТАЛ СТРЕСС ЦУВРАЛ

Цахилгаан химийн процессыг ойлгох үндсэн холбоос бол металлын хүчдэлийн цуваа юм. Металлуудыг химийн идэвхтэй бодисоос эхэлж, хамгийн бага идэвхтэй үнэт металлаар төгсдөг цувралаар байрлуулж болно.
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Энэ нь хамгийн сүүлийн үеийн санаануудын дагуу хамгийн чухал металл ба устөрөгчийн цуврал хүчдэл юм. Хэрэв гальван элементийн электродууд нь дараалсан хоёр металлаар хийгдсэн бол эгнээний өмнөх материал дээр сөрөг хүчдэл гарч ирнэ.
Хүчдэлийн утга ( цахилгаан химийн потенциал) хүчдэлийн цуваа дахь элементийн байрлал ба электролитийн шинж чанараас хамаарна.
Бид хэд хэдэн энгийн туршилтын үр дүнд хүчдэлийн цувралын мөн чанарыг тодорхойлох бөгөөд үүнд одоогийн эх үүсвэр, цахилгаан хэмжих хэрэгсэл хэрэгтэй болно.

Металл бүрээс, "мод", "мөсний хэв маяг" нь гүйдэлгүй

10 г талст зэсийн сульфатыг 100 мл усанд уусгаж, уусмалд ган зүү эсвэл төмөр хуудас дүрнэ. (Бид эхлээд төмрийг нарийн зүлгүүрээр гялалзтал нь цэвэрлэхийг зөвлөж байна.) Богино хугацааны дараа төмрийг улаавтар зэсийн давхаргаар хучих болно. Илүү идэвхтэй төмөр нь уусмалаас зэсийг зайлуулж, төмрийг ион болгон уусгаж, зэсийг металл болгон ялгаруулдаг. Уусмалыг төмрөөр шүргэлцэх хүртэл процесс үргэлжилнэ. Зэс нь төмрийн бүх гадаргууг бүрхсэний дараа энэ нь бараг зогсох болно. Энэ тохиолдолд зэсийн нэлээд сүвэрхэг давхарга үүсдэг тул гүйдэл ашиглахгүйгээр хамгаалалтын бүрээсийг авах боломжгүй юм.
Дараах туршилтуудад бид цайр, хар тугалгатай металлын жижиг туузыг зэсийн сульфатын уусмал болгон буулгана. 15 минутын дараа бид тэдгээрийг гаргаж аваад угааж, микроскопоор шалгана. Бид ойсон гэрэлд улаан өнгөтэй, ялгарсан зэсээс тогтсон мөс шиг сайхан хэв маягийг ялгаж чадна. Энд мөн илүү идэвхтэй металлууд зэсийг ионоос металл төлөвт шилжүүлсэн.
Зэс нь эргээд хүчдэлийн цуваанаас доогуур, өөрөөр хэлбэл идэвхгүй металуудыг нүүлгэж чаддаг. Нимгэн туузан зэс эсвэл хавтгай зэс утсан дээр мөнгөн нитратын уусмалыг хэдэн дусал дуслаарай (өмнө нь гадаргууг гялалзуулж цэвэрлэсэн). Нүцгэн нүдээр үүссэн хар өнгийн бүрхүүлийг харж болно, микроскопоор туссан гэрлийн дор нимгэн зүү, ургамлын хэв маяг (дендрит гэж нэрлэгддэг) шиг харагддаг.
Цайрыг гүйдэлгүйгээр тусгаарлахын тулд илүү идэвхтэй металл ашиглах шаардлагатай. Устай хүчтэй урвалд ордог металуудыг эс тооцвол цайрын дээрх хүчдэлийн цувралд магни олддог. Цайрын сульфатын уусмалыг хэдэн дусал магнийн соронзон хальс эсвэл нимгэн электрон үртэс дээр хийнэ. Цайрын сульфатын уусмалцайрыг шингэрүүлсэн хүхрийн хүчилд уусгах замаар туяа. Цайрын сульфаттай хамт денатурат спиртийн хэдэн дусал нэмнэ. Магнийн хувьд богино хугацааны дараа бид ялангуяа микроскопоор цайр нимгэн талст хэлбэрээр ялгарч байгааг анзаарах болно.
Ерөнхийдөө хүчдэлийн цувралын аль ч гишүүнийг ион хэлбэрээр орших уусмалаас нүүлгэн шилжүүлж, металл төлөвт хувиргаж болно. Гэсэн хэдий ч, бүх төрлийн хослолыг туршиж үзэхэд бид урам хугарах болно. Хэрэв хөнгөн цагаан туузыг зэс, төмөр, хар тугалга, цайрын давсны уусмалд дүрвэл эдгээр металлыг түүн дээр гаргах хэрэгтэй юм шиг санагддаг. Гэхдээ энэ нь тохиолдохгүй байна. Алдаа дутагдлын шалтгаан нь хүчдэлийн цуваа дахь алдаа биш, харин урвалын тусгай дарангуйлал дээр суурилдаг бөгөөд энэ тохиолдолд хөнгөн цагааны гадаргуу дээр нимгэн ислийн хальс үүссэнтэй холбоотой юм. Ийм шийдэлд хөнгөн цагааныг идэвхгүй гэж нэрлэдэг.

ХӨДГӨНИЙ АРДЫГ ХАРАЦГААЯ

Үргэлжилж буй үйл явцын хуулиудыг томъёолохын тулд бид катионуудыг авч үзэхээр хязгаарлаж, анионууд өөрсдөө урвалд оролцдоггүй тул тэдгээрийг хасч болно. (Гэхдээ тунадасжилтын хурд нь анионуудын төрлөөс хамаарна.) Хэрэв тунадасжсан болон ууссан металл хоёулаа давхар цэнэгтэй катион үүсгэдэг гэж үзвэл бид дараахь зүйлийг бичиж болно.

Би 1 + Би 2 2+ = Би 1 2+ + Би 2

мөн эхний туршилтын хувьд Me 1 = Fe, Me 2 = Cu.
Тиймээс процесс нь хоёр металлын атом ба ионуудын хооронд цэнэг (электрон) солилцохоос бүрдэнэ. Хэрэв бид төмрийн уусалт эсвэл зэсийн тунадасжилтыг (завсрын урвал гэж) тусад нь авч үзвэл бид дараахь зүйлийг олж авна.

Fe = Fe 2+ + 2 д --

Cu 2+ + 2 д-- = Cu

Стрессийн цуваа дахь байрлалаас шалтгаалан катион нь солилцох боломжгүй металыг ус эсвэл давсны уусмалд дүрэх тохиолдлыг авч үзье. Гэсэн хэдий ч метал нь ион хэлбэрээр уусмал руу орох хандлагатай байдаг. Энэ тохиолдолд металлын атом нь хоёр электроноос татгалзаж (хэрэв метал нь хоёр валенттай бол), уусмалд дүрсэн металлын гадаргуу нь уусмалтай харьцуулахад сөрөг цэнэгтэй болж, интерфэйс дээр давхар цахилгаан давхарга үүсдэг. Энэ боломжит ялгаа нь металыг цаашид уусгахаас сэргийлдэг тул процесс удахгүй зогсдог.
Хэрэв хоёр өөр металлыг уусмалд дүрвэл хоёулаа цэнэглэгдэх боловч идэвхгүй нь бага зэрэг сул байх болно, учир нь атомууд нь электроноо алдах магадлал багатай байдаг.
Хоёр металлыг дамжуулагчаар холбоно. Боломжит ялгааны улмаас электронуудын урсгал нь элементийн эерэг туйлыг бүрдүүлдэг илүү идэвхтэй металаас идэвхгүй бага руу урсах болно. Уусмал руу илүү идэвхтэй металл орж, уусмал дахь катионууд илүү эрхэм металл дээр ялгардаг процесс явагдана.

Галваник эсийн мөн чанар

Одоо дээр дурдсан хийсвэр үндэслэлийг хэд хэдэн туршилтаар тайлбарлая (түүнээс гадна энэ нь бүдүүлэг хялбаршуулсан байдлыг илэрхийлнэ).
Эхлээд 250 мл-ийн аяганд 10% хүхрийн хүчлийн уусмалаар дүүргэж, цайр, зэсийн жижиг хэсгүүдийг дүрнэ. Бид хоёр электрод руу зэс утсыг гагнах юм уу тав, төгсгөл нь уусмалд хүрэх ёсгүй.
Утасны төгсгөлүүд хоорондоо холбогдоогүй л бол бид цайрын уусалтыг ажиглах бөгөөд энэ нь устөрөгчийн ялгаралт дагалддаг. Хүчдэлийн цувралаас үзэхэд цайр нь устөрөгчөөс илүү идэвхтэй байдаг тул метал нь устөрөгчийг ионы төлөвөөс нүүлгэж чаддаг. Хоёр металл дээр цахилгаан давхар давхарга үүсдэг. Электродуудын хоорондох боломжит зөрүүг тодорхойлох хамгийн хялбар арга бол вольтметр юм. Төхөөрөмжийг хэлхээнд холбосны дараа сум нь ойролцоогоор 1 В-ийг зааж өгөх боловч дараа нь хүчдэл хурдан буурах болно. Хэрэв та элементэд 1 В зарцуулдаг жижиг гэрлийн чийдэнг холбовол энэ нь эхлээд нэлээд хүчтэй асна, дараа нь гэрэлтэх нь сул болно.
Төхөөрөмжийн терминалуудын туйлшрал дээр үндэслэн бид зэс электрод нь эерэг туйл гэж дүгнэж болно. Үүнийг процессын цахилгаан химийн талаар авч үзэх замаар төхөөрөмжгүйгээр баталж болно. Хоолны давсны ханасан уусмалыг жижиг аяга эсвэл туршилтын хоолойд бэлтгэж, 0.5 мл орчим фенолфталеины индикаторын спиртийн уусмал нэмж, утсаар битүүмжилсэн хоёр электродыг уусмалд дүрнэ. Сөрөг туйлын ойролцоо бүдэг улаавтар өнгө ажиглагдах бөгөөд энэ нь катод дахь натрийн гидроксид үүссэнээс үүсдэг.
Бусад туршилтуудад янз бүрийн хос металлыг үүрэнд байрлуулж, үүссэн хүчдэлийг тодорхойлж болно. Жишээлбэл, магни, мөнгө нь тэдгээрийн хоорондох зай ба хэд хэдэн хүчдэлийн улмаас онцгой том боломжит зөрүүг өгдөг бол цайр, төмөр нь эсрэгээрээ маш бага буюу аравны нэгээс бага вольтыг өгөх болно. Хөнгөн цагаан хэрэглэснээр идэвхгүй байдлын улмаас бид бараг ямар ч гүйдэл хүлээн авахгүй.
Эдгээр бүх элементүүд буюу цахилгаан химичүүдийн хэлснээр хэлхээнүүд нь гүйдлийг хэмжихэд тэдгээрийн хоорондох хүчдэл маш хурдан буурдаг сул талтай. Тиймээс цахилгаан химичүүд хүчдэлийн нөхөн олговрын аргыг ашиглан, өөрөөр хэлбэл өөр гүйдлийн эх үүсвэрийн хүчдэлтэй харьцуулж, хүчдэлгүй байдалд байгаа хүчдэлийн жинхэнэ хэмжээг хэмждэг.
Зэс-цайрын элемент дэх үйл явцыг бага зэрэг нарийвчлан авч үзье. Катод дээр цайр дараах тэгшитгэлийн дагуу уусмалд ордог.

Zn = Zn 2+ + 2 д --

Хүхрийн хүчлийн устөрөгчийн ионууд зэсийн анод дээр ялгардаг. Тэд цайрын катодын утсаар дамжин ирж буй электронуудыг холбож, улмаар устөрөгчийн бөмбөлөгүүд үүсдэг.

2H + + 2 д-- = N 2

Богино хугацааны дараа зэс нь устөрөгчийн бөмбөлгүүдийн нимгэн давхаргаар бүрхэгдсэн байх болно. Энэ тохиолдолд зэс электрод нь устөрөгч болж хувирах ба боломжит ялгаа буурах болно. Энэ процессыг электродын туйлшрал гэж нэрлэдэг. Хүчдэл буурсны дараа эсэд бага зэрэг калийн бихромат уусмал нэмснээр зэс электродын туйлшралыг арилгаж болно. Үүний дараа калийн бихромат устөрөгчийг исэлдүүлэх тул хүчдэл дахин нэмэгдэх болно. Энэ тохиолдолд калийн бихромат нь деполяризаторын үүрэг гүйцэтгэдэг.
Практикт электродууд нь туйлшралгүй гальваник хэлхээ, эсвэл деполяризатор нэмэх замаар туйлшралыг арилгах боломжтой хэлхээг ашигладаг.
Туйлшрахгүй элементийн жишээ болгон урьд нь одоогийн эх сурвалж болгон ашигладаг Даниел элементийг авч үзье. Энэ нь бас зэс-цайрын элемент боловч хоёр металл хоёулаа өөр өөр уусмалд дүрэгдсэн байдаг. Цайрын электродыг шингэрүүлсэн (ойролцоогоор 20%) хүхрийн хүчлээр дүүргэсэн сүвэрхэг шаварлаг үүрэнд хийнэ. Шаварлаг эсийг зэсийн сульфатын төвлөрсөн уусмал агуулсан том шилэнд түдгэлзүүлсэн бөгөөд доод хэсэгт нь зэсийн сульфатын талст давхарга байдаг. Энэ савны хоёр дахь электрод нь зэс хуудаснаас хийсэн цилиндр юм.
Энэ элементийг шилэн сав, худалдаанд гарсан шавар эсээс (онцгой тохиолдолд бид цэцгийн сав хэрэглэдэг, ёроолд нь нүхийг хаадаг) тохиромжтой хэмжээтэй хоёр электродоос хийж болно.
Элементийн үйл ажиллагааны явцад цайр уусч цайрын сульфат үүсгэдэг бөгөөд зэсийн электрод дээр зэсийн ионууд ялгардаг. Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн зэс электрод нь туйлшрахгүй бөгөөд элемент нь ойролцоогоор 1 В хүчдэл үүсгэдэг. Үнэндээ онолын хувьд терминал дээрх хүчдэл нь 1.10 В байдаг боловч гүйдэл цуглуулах үед бид цахилгааны улмаас бага зэрэг бага утгыг хэмждэг. эсийн эсэргүүцэл.
Хэрэв бид элементээс гүйдлийг арилгахгүй бол хүхрийн хүчлийн уусмалаас цайрын электродыг зайлуулах хэрэгтэй, эс тэгвээс устөрөгч үүсгэхийн тулд уусна.
Сүвэрхэг хуваалт шаарддаггүй энгийн эсийн диаграммыг зурагт үзүүлэв. Цайрын электрод нь шилэн савны дээд хэсэгт, зэс электрод нь доод талд байрладаг. Бүхэл эсийг ширээний давсны ханасан уусмалаар дүүргэнэ. Зэсийн сульфатын талстыг савны ёроолд хийнэ. Үүссэн төвлөрсөн зэсийн сульфатын уусмал нь ширээний давсны уусмалтай маш удаан холилдоно. Тиймээс эс ажиллаж байх үед зэс электрод дээр зэс ялгарч, цайр нь эсийн дээд хэсэгт сульфат эсвэл хлорид хэлбэрээр уусдаг.
Өнөө үед батерей нь бараг зөвхөн хуурай эсийг ашигладаг бөгөөд энэ нь хэрэглэхэд илүү тохиромжтой. Тэдний өвөг дээдэс нь Лекланш элемент юм. Электродууд нь цайрын цилиндр ба нүүрстөрөгчийн саваа юм. Электролит нь гол төлөв аммонийн хлоридоос бүрддэг зуурмаг юм. Зуурмагт цайр уусч, нүүрсэнд устөрөгч ялгардаг. Туйлшралаас зайлсхийхийн тулд нүүрстөрөгчийн саваа нь нүүрсний нунтаг ба пиролизитын холимог агуулсан маалинган уутанд дүрнэ. Нүүрстөрөгчийн нунтаг нь электродын гадаргууг ихэсгэж, пиролизит нь устөрөгчийг аажмаар исэлдүүлдэг деполяризаторын үүрэг гүйцэтгэдэг.
Пиролюзитын деполяризаци хийх чадвар нь өмнө дурдсан калийн бихроматаас сул байдаг. Тиймээс хуурай эсүүдэд гүйдэл хүлээн авах үед хүчдэл хурдан буурч, тэд " ядрах"туйлшралын улмаас. Хэсэг хугацааны дараа л устөрөгчийн исэлдэлт пиролизиттэй хамт тохиолддог. Тиймээс элементүүд " амарч байна", хэрэв та хэсэг хугацаанд гүйдэл дамжуулахгүй бол. Үүнийг гар чийдэнгийн батерей дээр шалгаж үзье, бид гэрлийн чийдэнг холбодог. Дэнлүүтэй зэрэгцээ, өөрөөр хэлбэл шууд терминалууд руу бид вольтметрийг холбодог.
Эхний үед хүчдэл нь ойролцоогоор 4.5 В байх болно. (Ихэнх тохиолдолд ийм батерейнууд нь 1.48 В-ийн онолын хүчдэлтэй гурван эсийг цувралаар холбодог.) Хэсэг хугацааны дараа хүчдэл буурч, чийдэнгийн гэрэлтэх болно. сулрах. Вольтметрийн заалт дээр үндэслэн бид зайг хэр удаан амрах шаардлагатайг шүүж болно.
гэж нэрлэгддэг нөхөн төлжих элементүүд онцгой байр эзэлдэг батерейнууд. Тэдгээр нь урвуу урвалд ордог бөгөөд гаднах тогтмол гүйдлийн эх үүсвэрт холбогдон эсийг цэнэггүй болгосны дараа дахин цэнэглэгддэг.
Одоогийн байдлаар хар тугалганы хүчлийн батерейнууд хамгийн түгээмэл байдаг; Тэдгээрийн электролит нь шингэрүүлсэн хүхрийн хүчил бөгөөд хоёр хар тугалгатай хавтанг дүрнэ. Эерэг электрод нь хар тугалганы давхар исэл PbO 2, сөрөг нь металл хар тугалга юм. Терминалуудын хүчдэл нь ойролцоогоор 2.1 В байна. Цэнэглэх үед хоёр хавтан дээр хар тугалганы сульфат үүсдэг бөгөөд энэ нь цэнэглэх үед дахин металл хар тугалга болон хар тугалганы хэт исэл болж хувирдаг.

ГАЛВАН БҮРЭЭГИЙН ХЭРЭГЛЭЭ

Цахилгаан гүйдэл ашиглан усан уусмалаас металл хуримтлуулах нь электролитийн уусалтын урвуу үйл явц бөгөөд гальваник эсийг авч үзэхэд бидний мэддэг болсон. Юуны өмнө бид зэсийн колометрт цахилгааны хэмжээг хэмжихэд ашигладаг зэсийн хуримтлалыг судлах болно.

Металл нь гүйдлээр хуримтлагддаг

Хоёр нимгэн зэс хавтангийн үзүүрийг нугалж, бид тэдгээрийг шилэн аяга эсвэл жижиг шилэн аквариумын эсрэг талын хананд өлгөв. Бид утсыг терминалуудтай хавтангаар холбодог.
ЭлектролитДараах жорын дагуу бэлдэж үзье: 125 г талст зэсийн сульфат, 50 г төвлөрсөн хүхрийн хүчил, 50 г спирт (денатурат спирт), үлдсэн хэсэг нь 1 литр хүртэл ус юм. Үүнийг хийхийн тулд эхлээд зэсийн сульфатыг 500 мл усанд уусгаж, дараа нь жижиг хэсгүүдэд хүхрийн хүчил нэмнэ ( Халаалт! Шингэн асгарч магадгүй!), дараа нь архи нэмээд 1 литр эзэлхүүнтэй ус нэмнэ.
Кулометрийг бэлтгэсэн уусмалаар дүүргэж, хувьсах эсэргүүцэл, амперметр, хар тугалганы батерейг хэлхээнд холбоно. Эсэргүүцлийг ашиглан бид гүйдлийг тохируулж, түүний нягт нь электродын гадаргуугийн 0.02-0.01 А / см 2 байна. Хэрэв зэс хавтан нь 50 см2 талбайтай бол одоогийн хүч нь 0.5-1 А байх ёстой.
Хэсэг хугацааны дараа цайвар улаан металл зэс нь катод (сөрөг электрод) дээр тунадасжиж эхлэх бөгөөд зэс нь анод (эерэг электрод) уусмалд орно. Зэс хавтанг цэвэрлэхийн тулд бид хагас цагийн турш кулометрт гүйдэл хийнэ. Дараа нь бид катодыг гаргаж аваад шүүлтүүрийн цаасаар сайтар хатааж, нарийн жинлэнэ. Нүдэнд электрод суурилуулж, реостат ашиглан хэлхээг хааж, тогтмол гүйдлийг барьцгаая, жишээ нь 1 А. Нэг цагийн дараа хэлхээг нээж, хатаасан катодыг дахин жинлэнэ. 1 А гүйдлийн үед түүний масс нь нэг цагт 1.18 г-аар нэмэгдэнэ.
Тиймээс уусмалаар дамжин өнгөрөх 1 ампер цагтай тэнцэх хэмжээний цахилгаан нь 1.18 г зэс ялгаруулж чадна. Эсвэл ерөнхийдөө: ялгарах бодисын хэмжээ нь уусмалаар дамжин өнгөрөх цахилгааны хэмжээтэй шууд пропорциональ байна.
1 эквивалент ионыг тусгаарлахын тулд электродын цэнэгийн e ба Авогадрогийн тооны үржвэртэй тэнцэх хэмжээний цахилгааныг уусмалаар нэвтрүүлэх шаардлагатай. НХ:
э*Н A = 1.6021 * 10 -19 * 6.0225 * 10 23 = 9.65 * 10 4 A * s * моль -1 Энэ утгыг тэмдэгтээр илэрхийлнэ. Фэлектролизийн тоон хуулиудыг нээсний нэрээр нэрлэгдсэн Фарадей дугаар(яг үнэ цэнэ Ф- 96,498 А*с*моль -1). Тиймээс уусмалаас өгөгдсөн тооны эквивалентыг тусгаарлах n e -тэй тэнцэх хэмжээний цахилгааныг уусмалаар дамжуулна F*n e A*s*mol -1 . Өөрөөр хэлбэл,
Би*т =F*nӨө энд I- Одоогийн, т- уусмалаар гүйдэл дамжуулах хугацаа. "Бүлэгт" Титрлэлтийн үндэс“Бодисын эквивалентийн тоо аль хэдийн нотлогдсон n e нь моль ба түүнтэй тэнцэх тооны үржвэртэй тэнцүү байна.
n e = n*ЗТиймээс:

I*т = F*n*Z

Энэ тохиолдолд З- ионы цэнэг (Ag + хувьд З= 1, Cu 2+ хувьд З= 2, Al 3+-ийн хувьд З= 3 гэх мэт). Хэрэв бид молийн тоог масс ба молийн массын харьцаагаар илэрхийлбэл ( n = м/М), дараа нь бид электролизийн явцад тохиолддог бүх процессыг тооцоолох боломжийг олгодог томъёог авна.

Би*т =F*m*Z/M

Энэ томъёог ашиглан та гүйдлийг тооцоолж болно:

I = F*m*Z/(t*M)= 9.65*10 4 *1.18*2 / (3600*63.54) А*с*г*моль/(с*моль*г) = 0.996 А

Хэрэв бид цахилгааны ажлын хамаарлыг танилцуулбал Вэл

Вэл = U*I*tТэгээд Вимэйл/ У = Би*т

дараа нь хурцадмал байдлыг мэддэг У, та тооцоолж болно:

Вэл = F*m*Z*U/M

Мөн тодорхой хэмжээний бодис электролитээр ялгарахад хэр хугацаа шаардагдах, эсвэл тодорхой хугацаанд хэдий хэмжээний бодис ялгарахыг тооцоолох боломжтой. Туршилтын явцад гүйдлийн нягтыг тогтоосон хязгаарт байлгах ёстой. Хэрэв энэ нь 0.01 А/см2-аас бага бол зэс (I) ионууд хэсэгчлэн үүсэх тул хэт бага металл ялгарах болно. Хэрэв гүйдлийн нягтрал хэт өндөр байвал бүрээсийн наалдац нь электрод сул байх бөгөөд электродыг уусмалаас салгахад энэ нь сүйрч болно.
Практикт метал дээрх гальваник бүрээсийг голчлон зэврэлтээс хамгаалах, толин тусгал мэт гялалзах зорилгоор ашигладаг.
Үүнээс гадна метал, ялангуяа зэс, хар тугалга нь анод уусгах, дараа нь катод (электролитийн цэвэршүүлэх) дээр ялгах замаар цэвэршдэг.
Төмрийг зэс эсвэл никельээр бүрэхийн тулд эхлээд объектын гадаргууг сайтар цэвэрлэх хэрэгтэй. Үүнийг хийхийн тулд угаасан шохойгоор өнгөлж, идэмхий натри, ус, спиртийн шингэрүүлсэн уусмалаар дараалан тосыг нь арилгана. Хэрэв энэ зүйл зэвэнд хучигдсан бол та хүхрийн хүчлийн 10-15% -ийн уусмалаар урьдчилан даршилж авах хэрэгтэй.
Бид цэвэрлэсэн бүтээгдэхүүнийг электролитийн ваннд (жижиг аквариум эсвэл аяга) өлгөж, катодын үүрэг гүйцэтгэдэг.
Зэс бүрэх уусмал нь 1 литр усанд 250 г зэсийн сульфат, 80-100 г төвлөрсөн хүхрийн хүчил агуулдаг (Анхааруулга!). Энэ тохиолдолд зэс хавтан нь анодын үүрэг гүйцэтгэнэ. Анодын гадаргуу нь бүрсэн объектын гадаргуутай ойролцоогоор тэнцүү байх ёстой. Тиймээс, зэсийн анод нь катодтой ижил гүнд ваннд өлгөгдсөн байх ёстой.
Уг процессыг 3-4 В (хоёр батерей) хүчдэл, 0.02-0.4 А/см 2 гүйдлийн нягтаар гүйцэтгэнэ. Усанд орох уусмалын температур 18-25 ° C байх ёстой.
Анодын хавтгай ба бүрэх гадаргуу нь хоорондоо параллель байгааг анхаарч үзье. Нарийн төвөгтэй хэлбэртэй объектуудыг ашиглахгүй байх нь дээр. Электролизийн үргэлжлэх хугацааг өөрчилснөөр янз бүрийн зузаантай зэс бүрэх боломжтой.
Ихэнхдээ энэ давхаргад өөр металлын бат бөх бүрээсийг түрхэхийн тулд урьдчилсан зэс бүрэх аргыг ашигладаг. Энэ нь ялангуяа төмрийг хром бүрэх, цайрын цутгамал никель болон бусад тохиолдолд ихэвчлэн ашиглагддаг. Энэ зорилгоор маш хортой цианидын электролитийг ашигладаг нь үнэн.
Никель бүрэх электролит бэлтгэхийн тулд 25 г талст никель сульфат, 10 г борын хүчил эсвэл 10 г натрийн цитратыг 450 мл усанд уусгана. 10 г нимбэгийн хүчлийн уусмалыг натрийн гидроксидын шингэрүүлсэн уусмал эсвэл содын уусмалаар саармагжуулж натрийн цитратыг өөрөө бэлтгэж болно. Анод нь хамгийн том талбайн никель хавтан байх ба зайг хүчдэлийн эх үүсвэр болгон ав.
Хувьсах эсэргүүцлийг ашиглан бид одоогийн нягтыг 0.005 А / см 2-тэй тэнцүү байлгах болно. Жишээлбэл, 20 см 2 объектын гадаргуутай бол та 0.1 А-ийн гүйдлийн хүч чадал дээр ажиллах хэрэгтэй. Хагас цаг ажилласны дараа объект аль хэдийн никель бүрсэн байх болно. Үүнийг ваннаас гаргаж аваад даавуугаар арчъя. Гэсэн хэдий ч никель бүрэх процессыг тасалдуулахгүй байх нь дээр, учир нь никель давхарга идэвхгүй болж, дараагийн никель бүрэх нь сайн наалддаггүй.
Механик өнгөлгөөгүйгээр толин тусгал гялалзуулахын тулд бид гальван ваннд гялалзах нэмэлт бодисыг нэвтрүүлдэг. Ийм нэмэлтүүд нь жишээлбэл, цавуу, желатин, элсэн чихэр орно. Жишээлбэл, та никелийн ваннд хэдэн грамм элсэн чихэр нэмж, түүний үр нөлөөг судалж болно.
Төмрийг хромоор бүрэх электролит бэлтгэхийн тулд (урьдчилсан зэс бүрсэний дараа) 40 г хромын ангидрид CrO 3 (Анхаарах! Хор!) ба яг 0.5 г хүхрийн хүчил (илүү их биш!) 100 мл усанд уусгана. Уг процесс нь ойролцоогоор 0.1 А/см 2 гүйдлийн нягттай үед явагддаг бөгөөд хар тугалга хавтанг анод болгон ашигладаг бөгөөд түүний талбай нь хром бүрсэн гадаргуугийн талбайгаас арай бага байх ёстой.
Никель ба хром банн нь бага зэрэг халаадаг (ойролцоогоор 35 ° C хүртэл). Хром бүрэх зориулалттай электролитууд, ялангуяа урт процесс, өндөр гүйдлийн үед хромын хүчил агуулсан уур ялгаруулж, эрүүл мэндэд маш хортой гэдгийг анхаарна уу. Тиймээс хром бүрэх ажлыг зүтгүүрийн дор эсвэл задгай агаарт, жишээлбэл тагтан дээр хийх ёстой.
Хром бүрэх үед (мөн бага хэмжээгээр никель бүрэх үед) бүх гүйдлийг металлын хуримтлалд ашигладаггүй. Үүний зэрэгцээ устөрөгч ялгардаг. Хэд хэдэн хүчдэл дээр үндэслэн устөрөгчийн өмнө байрлах металууд усан уусмалаас огт ялгарах ёсгүй, харин эсрэгээр бага идэвхтэй устөрөгч ялгарах ёстой. Гэсэн хэдий ч энд металлын анод уусалтын нэгэн адил устөрөгчийн катодын хувьсал ихэвчлэн саатдаг бөгөөд зөвхөн өндөр хүчдэлд ажиглагддаг. Энэ үзэгдлийг устөрөгчийн хэт хүчдэл гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь ялангуяа том, жишээлбэл, хар тугалга дээр байдаг. Энэ нөхцөл байдлын ачаар хар тугалганы хүчлийн батерей ажиллах боломжтой. Батерейг цэнэглэх үед PbO 2-ийн оронд устөрөгч катод дээр гарч ирэх ёстой боловч хэт хүчдэлийн улмаас батерейг бүрэн цэнэглэх үед устөрөгчийн хувьсал эхэлдэг.

Ажлын зорилго:Металлын исэлдэлтийн шинж чанар нь цахилгаан химийн хүчдэлийн цуваа дахь байрлалаас хамааралтай болохыг олж мэдэх.

Тоног төхөөрөмж, урвалжууд:туршилтын хоолой, туршилтын хоолой эзэмшигч, спиртийн чийдэн, шүүлтүүрийн цаас, пипетк, 2н.шийдлүүд HClТэгээд H2SO4, төвлөрсөн H2SO4, шингэрүүлсэн ба төвлөрсөн HNO3, 0.5 саяшийдлүүд CuSO 4 , Pb(NO 3) 2эсвэл Pb(CH3COO)2; металл хөнгөн цагаан, цайр, төмөр, зэс, цагаан тугалга, төмөр цаасны хавчаар, нэрмэл ус.

Онолын тайлбарууд

Аливаа металлын химийн шинж чанар нь түүний хэр амархан исэлдэж байгаагаас ихээхэн хамаардаг, өөрөөр хэлбэл. түүний атомууд эерэг ион төлөвт хэр амархан хувирч чадах вэ?

Исэлдэхэд хялбар металлыг үндсэн металл гэж нэрлэдэг. Маш хэцүү исэлдүүлдэг металыг эрхэмсэг гэж нэрлэдэг.

Метал бүр нь стандарт электродын потенциалын тодорхой утгаараа тодорхойлогддог. Стандарт боломжийн хувьд j 0өгөгдсөн металл электродын, зүүн талд байрлах стандарт устөрөгчийн электрод ба энэ металлын давсны уусмалд байрлуулсан металл хавтангаас бүрдэх гальваник элементийн EMF-ийг авч, үйл ажиллагааг (шингэрүүлсэн уусмал дахь концентраци байж болно) ашигласан) уусмал дахь металлын катионуудын хэмжээ 1-тэй тэнцүү байх ёстой моль/л; T=298 К; p=1 атм.(стандарт нөхцөл). Хэрэв урвалын нөхцөл нь стандарт нөхцлөөс ялгаатай бол уусмал ба температур дахь металлын ионуудын концентраци (илүү нарийвчлалтай, үйл ажиллагаа) -аас электродын потенциалын хамаарлыг харгалзан үзэх шаардлагатай.

Электродын потенциалын концентрацаас хамаарах хамаарлыг Нерстийн тэгшитгэлээр илэрхийлдэг бөгөөд үүнийг системд хэрэглэх үед:

Би n + + n e -→Би

IN;

Р- хийн тогтмол, ;

F -Фарадей тогтмол ("96500 С/моль);

n -

a Me n + - моль/л.

Утга авч байна Т=298TO,бид авдаг

моль/л.

j 0,бууруулах хагас урвалд харгалзах хэд хэдэн металлын хүчдэлийг олж авдаг (хэд хэдэн стандарт электродын потенциал). Процесс явагдаж буй системийн хувьд устөрөгчийн стандарт электродын потенциалыг тэг гэж тооцсон нь ижил эгнээнд байрлана.

2Н + +2е - = Н 2

Үүний зэрэгцээ үндсэн металлын стандарт электродын потенциал нь сөрөг утгатай, үнэт металлын хувьд эерэг утгатай байна.

Металлын цахилгаан химийн хүчдэлийн цуваа

Ли; K; Ба; Sr; Ca; Na; Mg; Аль; Mn; Zn; Cr; Fe; CD; Co; Ni; Sn; Pb; ( H) ; Sb; Би; Cu; Hg; Ag; Pd; Pt; Au

Энэхүү цуврал нь стандарт нөхцөлд усан уусмал дахь "метал-метал ион" системийн исэлдэх чадварыг тодорхойлдог. Хүчдэлийн цуваа нь зүүн тийшээ хол байх тусам метал нь бага байна j 0), энэ нь илүү хүчтэй бууруулагч бодис бөгөөд металлын атомууд электроноо өгч, катион болж хувирах нь илүү хялбар байдаг, гэхдээ энэ металлын катионууд нь төвийг сахисан атом болгон хувиргахад илүү төвөгтэй байдаг.

Металл ба тэдгээрийн катионуудтай холбоотой исэлдүүлэх урвал нь бага электродын потенциалтай метал нь бууруулагч бодис (өөрөөр хэлбэл исэлдүүлсэн), электродын өндөр потенциалтай металл катионууд нь исэлдүүлэгч бодис (жишээ нь, бууруулсан) байх чиглэлд явагддаг. Үүнтэй холбогдуулан дараах загварууд нь металлын цахилгаан химийн хүчдэлийн цувралын онцлог шинж юм.

1. Металл бүр металлын хүчдэлийн цахилгаан химийн цуваа дахь түүний баруун талд байгаа бусад бүх металлыг давсны уусмалаас нүүлгэн шилжүүлдэг.

2. цахилгаан химийн хүчдэлийн цуваа дахь устөрөгчийн зүүн талд байгаа бүх металлууд устөрөгчийг шингэрүүлсэн хүчлээс нүүлгэнэ.

Туршилтын арга зүй

Туршилт 1: Металлуудын давсны хүчилтэй харилцан үйлчлэл.

Дөрвөн туршилтын хоолойд 2 - 3 ширхэг хийнэ млдавсны хүчил ба тэдгээрт хөнгөн цагаан, цайр, төмөр, зэсийг тусад нь байрлуулна. Авсан металлын аль нь устөрөгчийг хүчилээс зайлуулдаг вэ? Урвалын тэгшитгэлийг бичнэ үү.

Туршилт 2: Хүхрийн хүчилтэй металлын харилцан үйлчлэл.

Туршилтын хоолойд төмрийн хэсэг хийж, 1 нэмнэ мл 2n.хүхрийн хүчил. Юу ажиглагдаж байна вэ? Зэсээр хийсэн туршилтыг давт. Урвал явагдаж байна уу?

Төвлөрсөн хүхрийн хүчлийн төмөр, зэсэнд үзүүлэх нөлөөг шалгана уу. Ажиглалтуудыг тайлбарла. Бүх урвалын тэгшитгэлийг бич.

Туршилт 3: Зэсийн азотын хүчлийн харилцан үйлчлэл.

Зэсийг хоёр туршилтын хоолойд хийнэ. Тэдгээрийн аль нэгэнд 2-ыг хийнэ млшингэрүүлсэн азотын хүчил, хоёрдугаарт - төвлөрсөн. Шаардлагатай бол туршилтын хоолойн агуулгыг спиртийн гэрэлд халаана. Эхний туршилтын хоолойд аль хий, хоёр дахь нь аль хий үүссэн бэ? Урвалын тэгшитгэлийг бичнэ үү.

Туршилт 4: Металлуудын давстай харилцан үйлчлэл.

Туршилтын хоолойд 2-3 ширхэг хийнэ млзэс (II) сульфатын уусмал ба төмрийн утсыг буулгана. Юу болоод байна? Туршилтыг давтаж, төмөр утсыг цайрын хэсэгээр солино. Урвалын тэгшитгэлийг бичнэ үү. Туршилтын хоолой 2 руу хийнэ млхар тугалга (II) ацетат эсвэл нитратын уусмал ба цайрын хэсгийг дусаана. Юу болоод байна? Урвалын тэгшитгэлийг бич. Исэлдүүлэгч болон ангижруулагчийг зааж өгнө үү. Хэрэв цайрыг зэсээр соливол урвал гарах уу? Тайлбар өгөөч.

11.3 Оюутны бэлтгэлийн шаардлагатай түвшин

1. Стандарт электродын потенциалын тухай ойлголтыг мэдэж, түүний хэмжилтийн талаархи ойлголттой болно.

2. Стандартаас бусад нөхцөлд электродын потенциалыг тодорхойлохын тулд Нернстийн тэгшитгэлийг ашиглах чадвартай байх.

3. Металлын цуваа хүчдэл гэж юу болох, ямар шинж чанартай болохыг мэдэх.

4. Металл ба тэдгээрийн катионууд, түүнчлэн металл, хүчлүүдтэй холбоотой исэлдэлтийн урвалын чиглэлийг тодорхойлохдоо металлын хүчдэлийн хүрээг ашиглах чадвартай байх.

Өөрийгөө хянах даалгаврууд

1. Техникийн төмрийн агууламж хэд вэ 18% никель сульфатыг уусмалаас зайлуулахад шаардлагатай хольц (II) 7.42 грникель?

2. Жинтэй зэс хавтан 28 гр. Урвалын төгсгөлд хавтанг авч, угааж, хатааж, жинлэв. Түүний масс нь болж хувирав 32.52 гр. Уусмал дахь мөнгөний нитрат ямар масстай байсан бэ?

3. Усанд дүрсэн зэсийн электродын потенциалын утгыг тодорхойлно 0.0005 Мзэсийн нитратын уусмал (II).

4. Дэвссэн цайрын электродын потенциал 0.2 Мшийдэл ZnSO4, тэнцүү байна 0.8 В. диссоциацийн илэрхий түвшинг тодорхойлох ZnSO4заасан концентрацийн уусмалд .

5. Уусмал дахь устөрөгчийн ионы концентраци байвал устөрөгчийн электродын потенциалыг тооцоол (H+)хэмжээтэй байна 3.8 10 -3 моль/л.

6. агуулсан уусмалд дүрсэн төмрийн электродын потенциалыг тооцоол 0.5 л-д 0.0699 г FeCI 2.

7. Металлын стандарт электродын потенциал гэж юу вэ? Электродын потенциалын концентрацаас хамаарах хамаарлыг ямар тэгшитгэлээр илэрхийлэх вэ?

Лабораторийн ажил No12

Сэдэв: Галваник эс

Ажлын зорилго:гальваник эсийн үйл ажиллагааны зарчимтай танилцах, тооцоолох аргыг эзэмших EMFгальван эсүүд.

Тоног төхөөрөмж, урвалжууд:дамжуулагчтай холбосон зэс, цайрын хавтан, дамжуулагчаар зэс хавтантай холбосон зэс, цайрын хавтан, зүлгүүр, вольтметр, 3 химийн стакан дээр 200-250 мл, төгссөн цилиндр, дотор нь U хэлбэрийн хоолой суурилуулсан тавиур, давсны гүүр, 0.1 Мзэсийн сульфат, цайрын сульфат, натрийн сульфатын уусмал, 0,1 % фенолфталеины уусмал 50% этилийн спирт.

Онолын тайлбарууд

Гальваник элемент нь химийн гүйдлийн эх үүсвэр, өөрөөр хэлбэл исэлдэх-багарах урвалаас химийн энергийг шууд хувиргасны үр дүнд цахилгаан энерги үүсгэдэг төхөөрөмж юм.

Цахилгаан гүйдэл (цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн чиглэсэн хөдөлгөөн) нь гүйдлийн дамжуулагчаар дамждаг бөгөөд тэдгээр нь эхний ба хоёр дахь төрлийн дамжуулагчд хуваагддаг.

Эхний төрлийн дамжуулагчид цахилгаан гүйдлийг электронуудаараа дамжуулдаг (цахим дамжуулагч). Үүнд бүх металл, тэдгээрийн хайлш, бал чулуу, нүүрс, зарим хатуу исэл орно. Эдгээр дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь хооронд хэлбэлздэг 10 2-оос 10 6 Ом -1 см -1 (жишээ нь, нүүрс - 200 Ом -1 см -1, мөнгө 6 10 5 Ом -1 см -1).

Хоёр дахь төрлийн дамжуулагчид цахилгаан гүйдлийг ионуудтай (ион дамжуулагч) дамжуулдаг. Эдгээр нь бага цахилгаан дамжуулалтаар тодорхойлогддог (жишээлбэл, H 2 O – 4 10 -8 Ом -1 см -1).

Эхний болон хоёр дахь төрлийн дамжуулагчийг нэгтгэх үед электрод үүсдэг. Энэ нь ихэвчлэн өөрийн давсны уусмалд дүрсэн металл юм.

Металл хавтанг усанд дүрэх үед түүний гадаргуугийн давхаргад байрлах металлын атомууд нь туйлын усны молекулуудын нөлөөн дор усждаг. Усжилт ба дулааны хөдөлгөөний үр дүнд тэдгээрийн болор тортой холбоо суларч, тодорхой тооны атомууд нь гидрат ион хэлбэрээр металлын гадаргуутай зэргэлдээх шингэний давхарга руу шилждэг. Металл хавтан сөрөг цэнэгтэй болдог:

Me + m H 2 O = Me n + n H 2 O + ne -

Хаана Meh- металлын атом; Me n + n H 2 O- усжуулсан металлын ион; э-- электрон, n- металлын ионы цэнэг.

Тэнцвэрийн төлөв нь металлын идэвхжил, уусмал дахь ионуудын концентрацаас хамаарна. Идэвхтэй металлын хувьд ( Zn, Fe, Cd, Ni) туйлын усны молекулуудтай харилцан үйлчлэл нь гадаргуугаас эерэг металлын ионуудыг салгаж, гидратжуулсан ионууд уусмал руу шилжсэнээр төгсдөг (Зураг 1). А). Энэ процесс нь исэлдэлтийн шинж чанартай байдаг. Гадаргуугийн ойролцоох катионуудын концентраци нэмэгдэхийн хэрээр урвуу процессын хурд буюу металлын ионуудын бууралт нэмэгддэг. Эцсийн эцэст хоёр процессын хурдыг тэнцүүлж, тэнцвэрт байдал бий болж, уусмал-металл интерфейс дээр металлын потенциалын тодорхой утгатай давхар цахилгаан давхарга гарч ирдэг.

+ + + +

– – – –

‌

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

+ + + – – –

Цагаан будаа. 1. Электродын потенциал үүсэх схем

Металлыг усанд биш, харин энэ металлын давсны уусмалд дүрэх үед тэнцвэр нь зүүн тийш, өөрөөр хэлбэл уусмалаас металлын гадаргуу руу ионуудын шилжилт рүү шилждэг. Энэ тохиолдолд металлын потенциалын өөр үнэ цэнээр шинэ тэнцвэр үүснэ.

Идэвхгүй металлын хувьд цэвэр ус дахь металлын ионуудын тэнцвэрт концентраци маш бага байдаг. Хэрэв ийм металыг түүний давсны уусмалд дүрвэл металлын катионууд нь уусмалаас ионуудын уусмал руу шилжих хурдаас илүү хурдан ялгардаг. Энэ тохиолдолд металлын гадаргуу эерэг цэнэг хүлээн авах бөгөөд давсны анион илүүдэлтэй тул уусмал нь сөрөг цэнэгийг хүлээн авна (Зураг 1. б).

Иймд металыг усанд эсвэл өгөгдсөн металлын ион агуулсан уусмалд дүрэх үед металлын уусмалын интерфэйс дээр цахилгаан давхар давхарга үүсдэг бөгөөд энэ нь тодорхой потенциалын зөрүүтэй байдаг. Электродын потенциал нь металлын шинж чанар, уусмал дахь ионуудын концентраци, температураас хамаарна.

Электродын потенциалын үнэмлэхүй утга jнэг электродыг туршилтаар тодорхойлох боломжгүй. Гэсэн хэдий ч химийн хувьд ялгаатай хоёр электродын потенциалын зөрүүг хэмжих боломжтой.

Бид стандарт устөрөгчийн электродын потенциалыг тэгтэй тэнцүү авахаар тохиролцсон. Стандарт устөрөгчийн электрод нь 1-ийн устөрөгчийн ионы идэвхжилтэй хүчиллэг уусмалд дүрсэн цагаан алтаар бүрсэн платин хавтан юм. моль/л.Электродыг 1 даралтаар устөрөгчийн хийгээр угаана атм.ба температур 298 К.Энэ нь тэнцвэрийг бий болгодог:

2 N + + 2 e = N 2

Стандарт боломжийн хувьд j 0Энэ металл электродоос авсан EMFЭнэ металлын давсны уусмалд байрлуулсан стандарт устөрөгчийн электрод ба металл хавтангаас бүрдэх гальваник элемент ба уусмал дахь металлын катионуудын идэвхжил (шингэрүүлсэн уусмал дахь концентрацийг ашиглаж болно) 1-тэй тэнцүү байх ёстой. моль/л; T=298 К; p=1 атм.(стандарт нөхцөл). Стандарт электродын потенциалын утгыг үргэлж бууруулах хагас урвал гэж нэрлэдэг.

Me n + +n e - → Me

Металлуудыг стандарт электродын потенциалын хэмжээг нэмэгдүүлэх дарааллаар байрлуулах j 0,бууруулах хагас урвалд харгалзах хэд хэдэн металлын хүчдэлийг олж авдаг (хэд хэдэн стандарт электродын потенциал). Системийн стандарт электродын потенциалыг тэг гэж тооцвол ижил мөрөнд байрлуулна.

Н + +2е - → Н 2

Металлын электродын потенциалын хамаарал jТемператур ба концентраци (идэвхжил) -ийг Нерстийн тэгшитгэлээр тодорхойлдог бөгөөд үүнийг системд хэрэглэх үед:

Би n + + n e -→Би

Дараах хэлбэрээр бичиж болно.

стандарт электродын потенциал хаана байна, IN;

Р- хийн тогтмол, ;

F -Фарадей тогтмол ("96500 С/моль);

n -процесст оролцож буй электронуудын тоо;

a Me n + -уусмал дахь металлын ионуудын идэвхжил; моль/л.

Утга авч байна Т=298TO,бид авдаг

Түүнчлэн шингэрүүлсэн уусмал дахь идэвхийг ионы концентрациар сольж болно моль/л.

EMFЯмар ч гальваник элементийг катод ба анодын электродын потенциалын зөрүү гэж тодорхойлж болно.

EMF = j катод -j анод

Элементийн сөрөг туйлыг анод гэж нэрлэдэг бөгөөд исэлдэлтийн процесс үүн дээр явагддаг.

Me - ne - → Me n +

Эерэг туйлыг катод гэж нэрлэдэг бөгөөд үүн дээр бууралтын процесс явагдана.

Би n + + ne - → Би

Гальваник эсийг схемийн дагуу бичиж болох боловч тодорхой дүрмийг дагаж мөрддөг.

1. Зүүн талд байгаа электродыг металл - ион гэсэн дарааллаар бичсэн байх ёстой. Баруун талд байгаа электродыг ион - металл гэсэн дарааллаар бичнэ. (-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+)

2. Зүүн электрод дээр үүсэх урвалыг исэлдүүлэх, баруун электрод дахь урвалыг бууруулах гэж бүртгэнэ.

3. Хэрэв EMFэлемент > 0 бол гальван элементийн ажиллагаа аяндаа явагдана. Хэрэв EMF< 0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.

Туршилт хийх арга зүй

Туршлага 1: Зэс-цайрын гальваник эсийн найрлага

Шаардлагатай тоног төхөөрөмж, урвалжийг лабораторийн туслахаас авна. Эзлэхүүнтэй шилэн аяганд хийнэ 200 млцутгах 100 мл 0.1 Мзэсийн сульфатын уусмал (II)дамжуулагчтай холбогдсон зэс хавтанг доошлуулна. Хоёр дахь шилэнд ижил хэмжээгээр хийнэ 0.1 Мцайрын сульфатын уусмал ба дамжуулагчтай холбогдсон цайрын хавтанг доошлуулна. Эхлээд ялтсуудыг зүлгүүрээр цэвэрлэж байх ёстой. Лабораторийн туслахаас давсны гүүр авч, хоёр электролитийг холбоно. Давсны гүүр нь гель (агар-агар) дүүргэсэн шилэн хоолой бөгөөд хоёр үзүүрийг хөвөн арчдасаар хаадаг. Гүүр нь натрийн сульфатын ханасан усан уусмалд хадгалагддаг бөгөөд үүний үр дүнд гель нь хавдаж, ионы дамжуулалтыг харуулдаг.

Багшийн тусламжтайгаар үүссэн гальваник элементийн туйлуудад вольтметрийг холбож, хүчдэлийг хэмжинэ (хэрэв хэмжилтийг бага эсэргүүцэлтэй вольтметрээр хийсэн бол утгын хоорондох зөрүү) EMFба хүчдэл бага байна). Нернстийн тэгшитгэлийг ашиглан онолын утгыг тооцоол EMFгальван эс. Хүчдэл бага байна EMFэлектродын туйлшрал ба омын алдагдлын улмаас гальваник элемент.

Туршлага 2: Натрийн сульфатын уусмалын электролиз

Туршилтанд гальваник элементээс үүссэн цахилгаан энергийг ашиглан натрийн сульфатын электролиз хийхийг санал болгож байна. Үүнийг хийхийн тулд натрийн сульфатын уусмалыг U хэлбэрийн хоолойд хийнэ, 2-р тохойнд зэс ялтсуудыг байрлуулж, зүлгүүрээр зүлгэж, гальваник эсийн зэс, цайрын электродуудтай холбоно. 2. U хэлбэрийн хоолойн тохой бүрт 2-3 дусал фенолфталеин нэмнэ. Хэсэг хугацааны дараа усыг катодоор ангижруулах явцад шүлт үүссэнээс уусмал нь электролизерын катодын зайд ягаан өнгөтэй болдог. Энэ нь гальваник элемент нь одоогийн эх үүсвэр болж ажиллаж байгааг харуулж байна.

Натрийн сульфатын усан уусмалын электролизийн үед катод ба анод дахь процессуудын тэгшитгэлийг бичнэ үү.

(–) КАТОДЫН АНОД (+)

давсны гүүр

→ Zn 2+ Cu 2+→

ZnSO 4 Cu SO 4

АНОД (-) КАТОД (+)

Zn – 2e - → Zn 2+ Сu 2+ + 2e - →Cu

исэлдэлтийн бууралт

12.3 Оюутны бэлтгэлийн шаардлагатай түвшин

1. Нэг ба хоёрдугаар төрлийн дамжуулагч, диэлектрик, электрод, гальваник элемент, гальваник элементийн анод ба катод, электродын потенциал, стандарт электродын потенциал гэсэн ойлголтыг мэдэх. EMFгальван эс.

2. Электродын потенциал үүсэх шалтгаан, түүнийг хэмжих аргын талаар ойлголттой байх.

3. Гальван элементийн ажиллах зарчмын талаар ойлголттой байх.

4. Нернстийн тэгшитгэлийг ашиглан электродын потенциалыг тооцоолох чадвартай байх.

5. Гальваник эсийн диаграммыг бичих, тооцоолох чадвартай байх EMFгальван эсүүд.

Өөрийгөө хянах даалгаврууд

1. Дамжуулагч ба диэлектрикийг тайлбарла.

2. Гальваник элементийн анод яагаад сөрөг цэнэгтэй, харин электролизерт эерэг цэнэгтэй байдаг вэ?

3. Электролизер болон гальваник элементийн катодын ялгаа, ижил төстэй байдал юу вэ?

4. Магнийн хавтанг түүний давсны уусмалд дүрсэн. Энэ тохиолдолд магнийн электродын потенциал тэнцүү болж хувирав -2.41 В. Магнийн ионуудын концентрацийг тооцоол моль/л. (4.17x10 -2).

5. Ямар ионы концентрацитай Zn 2+ (моль/л)цайрын электродын потенциал болно 0.015 Встандарт электродоос бага байна уу? (0.3 моль/л)

6. Никель ба кобальт электродуудыг уусмал болгон буулгана. Ni(NO3)2Тэгээд Co(NO3)2. Хоёр электродын потенциал ижил байхын тулд эдгээр металлын ионуудын концентраци ямар харьцаатай байх ёстой вэ? (C Ni 2+ :C Co 2+ = 1:0.117).

7. Ямар ионы концентрацитай Cu 2+В моль/лЗэс электродын потенциал устөрөгчийн электродын стандарт потенциалтай тэнцүү болох уу? (1.89х 10 -6 моль/л).

8. Диаграмм зурж, электродын процессын электрон тэгшитгэлийг бичиж, тооцоол EMFдавсны уусмалд дүрсэн кадми, магнийн ялтсуудаас бүрдэх гальван эс = = 1.0 моль/л.Үнэ цэнэ өөрчлөгдөх үү EMF, хэрэв ион бүрийн концентрацийг бууруулсан бол 0.01 моль/л? (2.244 В).

Лабораторийн ажил No13

Юу ч тодорхойгүй байгаа нь ойлгомжтой.

Металл хавтанг хавтанг өөрөө хийсэн ижил металлын давсны уусмалд дүрэх үед тохиолдож болох процессуудыг илүү нарийвчлан авч үзье. электрод.

Хоёр сонголт байна.

Сонголт 1. Электрод нь идэвхтэй бууруулагч бодис болох металлаар хийгдсэн (энэ нь электроноо өгөхөд "харамсахгүй"), цайр гэх мэт.

Цайрын электродыг уусмалд дүрсний дараа уусмалд агуулагдах усны диполууд нь цайрын атомын тодорхой хэсгийг татаж эхэлдэг бөгөөд тэдгээр нь уусмалд гидратжуулсан ион хэлбэрээр ордог боловч нэгэн зэрэг электронуудаа үлдээдэг. электродын гадаргуу.

Me 0 +mH 2 O → Me n+ mH 2 O+ne - Me 0 → Me n+ +ne -

Аажмаар цайрын электродын гадаргуу дээр улам олон "шидэгдсэн" сөрөг электронууд хуримтлагдаж, цайрын электрод сөрөг цэнэгийг олж авдаг. Энэ процесстой зэрэгцэн электродыг орхих эерэг цэнэгтэй цайрын ионуудын хэмжээ уусмал дахь нэмэгддэг. Цайрын катионууд сөрөг цэнэгтэй электродоор татагдаж эхэлдэг бөгөөд үүний үр дүнд цахилгаан давхар давхарга(DES).

Сонголт 2. Электрод нь сул бууруулагч бодис болох металлаар хийгдсэн (энэ нь электронтойгоо салахдаа "уучлаарай"). Зэс ийм металлын үүрэг гүйцэтгээрэй. Тиймээс уусмалд агуулагдах зэсийн ионууд нь хүчтэй исэлдүүлэгч бодис юм. Зэсийн электродыг уусмалд дүрэх үед зэсийн зарим ионууд электродын гадаргуутай холбогдож эхэлдэг бөгөөд зэсэнд агуулагдах чөлөөт электронуудаас болж багасдаг.

Me n+ +ne - → Me 0

1-р хувилбарын эсрэг үйл явц явагдана.Аажмаар электродын гадаргуу дээр илүү их зэсийн катионууд хуримтлагддаг. Сэргээх үед катионууд зэс хавтанг эерэгээр цэнэглэдэг бөгөөд цэнэг нэмэгдэх тусам эерэг зэс электрод нь сөрөг цэнэгтэй ионуудыг улам ихээр татаж, улмаар давхар цахилгаан давхарга үүсгэдэг, гэхдээ 1-р сонголттой харьцуулахад эсрэг туйлтай.

Хил дээр бий болсон уусмалын электродболомжит зөрүү гэж нэрлэдэг электродын потенциал.

Ийм боломжийг хэмжих нь маш хэцүү байдаг. Хэцүү нөхцөл байдлаас гарахын тулд тэд үнэмлэхүй утгыг бус харьцангуй утгыг авахаар шийдсэн бөгөөд стандарт болгон тэгтэй тэнцүү авсан устөрөгчийн электродын потенциалыг авахаар шийджээ.

Тодорхой металлын электродын потенциал нь металлын шинж чанар, уусмалын концентраци, температураас хамаарна.

Усан уусмал дахь шүлтлэг ба шүлтлэг шороон металууд устай урвалд ордог тул тэдгээрийн электродын потенциалыг онолын хувьд тооцдог.

Бүх металыг стандарт электродын потенциалын утгыг нэмэгдүүлэх дарааллаар байрлуулах нь заншилтай байдаг - энэ цувралыг нэрлэдэг металлын цахилгаан химийн хүчдэлийн цуваа:

Электродын потенциал юуг харуулж байна вэ?

Электродын потенциал нь металлын электронуудаа өгөх эсвэл дахин сэргээгдэх чадварыг тоон утгаар илэрхийлдэг, өөрөөр хэлбэл металлын химийн идэвхийг илэрхийлдэг.

Металл нь цахилгаан химийн цувралд (дээрээс харна уу) зүүн тийшээ байх тусам электронуудаа амархан өгдөг, өөрөөр хэлбэл илүү идэвхтэй бөгөөд бусад элементүүдтэй илүү амархан урвалд ордог.

Хэрэв бид хэт туйлшралыг авч үзвэл:

• лити нь хамгийн хүчтэй бууруулагч, лити ион нь хамгийн сул исэлдүүлэгч бодис юм;
• алт нь хамгийн сул бууруулагч, алтны ион нь хамгийн хүчтэй исэлдүүлэгч бодис юм.

Металлын хүчдэлийн цахилгаан химийн цувралаас үүсэх үр дагавар:

• Металл нь түүний баруун талд байгаа бусад бүх металыг давснаас нүүлгэн шилжүүлдэг (энэ нь сул бууруулагч бодис юм);
• Сөрөг электродын потенциалтай металууд, өөрөөр хэлбэл устөрөгчийн зүүн талд байрлах нь түүнийг хүчлээс зайлуулдаг;
• Электродын потенциалын хамгийн бага утгатай хамгийн идэвхтэй металлууд (эдгээр нь литийн натри хүртэлх металлууд) усан уусмал дахь устай голчлон урвалд ордог.

Үелэх систем дэх металлын байрлал ба цахилгаан химийн хүчдэлийн цуваа дахь ижил металлын байрлал бага зэрэг ялгаатай гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Энэ баримтыг электродын потенциалын утга нь зөвхөн тусгаарлагдсан атомаас электроныг зайлуулахад шаардагдах энергиэс хамаарахаас гадна болор торыг устгахад шаардагдах энерги + усжилтын үед ялгарах энерги зэргийг багтаасантай холбон тайлбарлаж байна. ионууд.

Бүх металыг исэлдэлтийн идэвхжилээс хамааран цахилгаан химийн металлын хүчдэлийн цуваа (түүн дэх металууд нь стандарт цахилгаан химийн потенциалыг нэмэгдүүлэх дарааллаар байрласан байдаг) эсвэл металлын үйл ажиллагааны цувралд нэгтгэгддэг.

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Химийн хувьд хамгийн идэвхтэй металлууд нь устөрөгч хүртэлх үйл ажиллагааны цувралд байдаг бөгөөд метал нь зүүн талд байрлах тусам илүү идэвхтэй байдаг. Үйл ажиллагааны цувралд устөрөгчийн дараа байрлаж буй металлыг идэвхгүй гэж үзнэ.

Хөнгөн цагаан

Хөнгөн цагаан бол мөнгөлөг цагаан өнгөтэй. Хөнгөн цагааны үндсэн физик шинж чанар нь хөнгөн, өндөр дулаан, цахилгаан дамжуулалт юм. Чөлөөт төлөвт, агаарт өртөх үед хөнгөн цагаан нь Al 2 O 3 оксидын бат бөх хальсаар хучигдсан байдаг бөгөөд энэ нь түүнийг төвлөрсөн хүчлийн нөлөөнд тэсвэртэй болгодог.

Хөнгөн цагаан нь p-гэр бүлийн металлд хамаардаг. Гадаад энергийн түвшний цахим тохиргоо нь 3s 2 3p 1 байна. Түүний нэгдлүүдэд хөнгөн цагаан нь "+3" исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг.

Хөнгөн цагааныг энэ элементийн хайлсан ислийн электролизээр гаргаж авдаг.

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

Гэсэн хэдий ч бүтээгдэхүүний гарц багатай тул Na 3 ба Al 2 O 3 хольцыг электролизээр хөнгөн цагаан үйлдвэрлэх аргыг ихэвчлэн ашигладаг. Урвал нь 960С хүртэл халааж, катализатор - фторидууд (AlF 3, CaF 2 гэх мэт) байх үед үүсдэг бол хөнгөн цагаан ялгаралт катодод, хүчилтөрөгч нь анод дээр гардаг.

Хөнгөн цагаан нь оксидын хальсыг гадаргуугаас нь салгасны дараа устай харьцах чадвартай (1), энгийн бодисууд (хүчилтөрөгч, галоген, азот, хүхэр, нүүрстөрөгч) (2-6), хүчил (7), суурь (8) -тай харилцан үйлчилнэ.

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)

2Al +3S = Al 2 S 3 (5)

4Al + 3C = Al 4 C 3 (6)

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

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

Кальци

Чөлөөт хэлбэрээр Ca нь мөнгөлөг цагаан металл юм. Агаарт өртөхөд тэр даруй шаргал хальсаар бүрхэгдсэн бөгөөд энэ нь агаарын бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй харилцан үйлчлэлийн бүтээгдэхүүн юм. Кальци нь нэлээд хатуу металл бөгөөд нүүр төвтэй шоо хэлбэртэй болор тортой.

Гадаад энергийн түвшний цахим тохиргоо нь 4s 2 байна. Түүний нэгдлүүдэд кальци нь "+2" исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг.

Кальцийг хайлсан давс, ихэвчлэн хлоридын электролизээр олж авдаг.

CaCl 2 = Ca + Cl 2

Кальци нь усанд уусаж гидроксид үүсгэх, хүчтэй үндсэн шинж чанартай (1), хүчилтөрөгчтэй урвалд орох (2), исэл үүсгэх, металл бустай харилцан үйлчлэх (3-8), хүчилд уусгах (9):

Ca + H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 (1)

2Ca + O 2 = 2CaO (2)

Ca + Br 2 = CaBr 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)

Төмөр ба түүний нэгдлүүд

Төмөр бол саарал металл юм. Цэвэр хэлбэрээрээ нэлээд зөөлөн, уян хатан, наалдамхай байдаг. Гадаад энергийн түвшний цахим тохиргоо нь 3d 6 4s 2 байна. Түүний нэгдлүүдэд төмөр нь "+2" ба "+3" исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг.

Металл төмөр нь усны ууртай урвалд орж, холимог исэл (II, III) Fe 3 O 4 үүсгэдэг.

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2

Агаарт төмөр амархан исэлддэг, ялангуяа чийг (зэв) байгаа тохиолдолд:

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

Бусад металлын нэгэн адил төмөр нь энгийн бодисуудтай, жишээлбэл, галоген (1) -тэй урвалд орж, хүчилд уусдаг (2):

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

Төмөр нь бүхэл бүтэн нэгдлүүдийн спектрийг бүрдүүлдэг, учир нь энэ нь хэд хэдэн исэлдэлтийн төлөвийг харуулдаг: төмрийн (II) гидроксид, төмөр (III) гидроксид, давс, исэл гэх мэт. Тиймээс төмрийн (II) гидроксидыг агаарт нэвтрэхгүйгээр төмрийн (II) давс дээр шүлтийн уусмалаар үйлчилж болно.

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

Төмрийн (II) гидроксид нь хүчилд уусдаг бөгөөд хүчилтөрөгчийн оролцоотойгоор төмрийн (III) гидроксид болж исэлддэг.

Төмрийн (II) давс нь бууруулагч шинж чанартай бөгөөд төмрийн (III) нэгдлүүд болж хувирдаг.

Төмрийн (III) ислийг хүчилтөрөгч дэх төмрийг шатаах замаар олж авах боломжгүй бөгөөд үүнийг авахын тулд төмрийн сульфидыг шатаах эсвэл бусад төмрийн давсыг кальцинжуулах шаардлагатай.

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

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

Төмрийн (III) нэгдлүүд нь сул исэлдүүлэх шинж чанартай бөгөөд хүчтэй бууруулагч бодисуудтай исэлдүүлэх урвалд орох чадвартай.

2FeCl 3 + H 2 S = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl

Төмөр, гангийн үйлдвэрлэл

Ган, цутгамал төмөр нь төмөр, нүүрстөрөгчийн хайлш бөгөөд ган дахь нүүрстөрөгчийн агууламж 2% хүртэл, цутгамал төмрийн агууламж 2-4% байдаг. Ган болон цутгамал төмөр нь хайлшлах нэмэлтүүдийг агуулдаг: ган - Cr, V, Ni, цутгамал төмөр - Si.

Янз бүрийн төрлийн ган байдаг бөгөөд жишээлбэл, бүтцийн, зэвэрдэггүй, багажийн, халуунд тэсвэртэй, криоген ган нь зориулалтын дагуу ялгагдана. Химийн найрлагаар нь нүүрстөрөгч (бага, дунд, өндөр нүүрстөрөгч) ба хайлштай (бага, дунд, өндөр хайлш) гэж хуваагддаг. Бүтэцээс хамааран аустенит, феррит, мартенсит, перлит, бейнит ганг ялгадаг.

Ган нь үндэсний эдийн засгийн олон салбарт, тухайлбал барилга, хими, нефть химийн, байгаль орчныг хамгаалах, тээврийн эрчим хүч болон бусад үйлдвэрүүдэд хэрэглэгдэж байна.

Цутгамал төмрийн нүүрстөрөгчийн агууламжийн хэлбэр - цементит эсвэл бал чулуу, тэдгээрийн тоо хэмжээ зэргээс хамааран хэд хэдэн төрлийн цутгамал төмрийг ялгадаг: цагаан (цементит хэлбэрээр нүүрстөрөгч агуулагддаг тул хугарлын цайвар өнгө), саарал. (графит хэлбэрээр нүүрстөрөгч агуулагдаж байгаа тул хугарлын саарал өнгө), уян хатан, халуунд тэсвэртэй. Цутгамал төмөр нь маш хэврэг хайлш юм.

Цутгамал төмрийн хэрэглээний талбарууд нь өргөн цар хүрээтэй байдаг - уран сайхны чимэглэл (хашаа, хаалга), шүүгээний эд анги, сантехникийн тоног төхөөрөмж, гэр ахуйн эд зүйлс (хайруулын таваг) нь цутгамал төмрөөр хийгдсэн бөгөөд үүнийг автомашины үйлдвэрлэлд ашигладаг.

Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ

ЖИШЭЭ 1

Дасгал хийх	26.31 г жинтэй магни, хөнгөн цагааны хайлшийг давсны хүчилд уусгасан. Энэ тохиолдолд 31.024 литр өнгөгүй хий ялгарчээ. Хайлш дахь металлын массын хувийг тодорхойл.
Шийдэл	Хоёр металл хоёулаа давсны хүчилтэй урвалд орох чадвартай тул устөрөгч ялгардаг. Mg +2HCl = MgCl 2 + H 2 2Al +6HCl = 2AlCl3 + 3H2 Гаргасан устөрөгчийн нийт моль тоог олцгооё. v(H 2) =V(H 2)/V м v(H 2) = 31.024/22.4 = 1.385 моль Mg бодисын хэмжээг х моль, Al нь у моль байна. Дараа нь урвалын тэгшитгэл дээр үндэслэн бид устөрөгчийн нийт молийн тооны илэрхийлэлийг бичиж болно. x + 1.5y = 1.385 Холимог дахь металлын массыг илэрхийлье. Дараа нь хольцын массыг тэгшитгэлээр илэрхийлнэ. 24x + 27y = 26.31 Бид тэгшитгэлийн системийг хүлээн авсан: x + 1.5y = 1.385 24x + 27y = 26.31 Үүнийг шийдье: 33.24 -36y+27y = 26.31 v(Al) = 0.77 моль v(Mg) = 0.23 моль Дараа нь хольц дахь металлын масс нь: m(Mg) = 24×0.23 = 5.52 гр m(Al) = 27×0.77 = 20.79 гр Холимог дахь металлын массын хувийг олцгооё. ώ =m(Me)/m нийлбэр ×100% ώ(Mg) = 5.52/26.31 ×100%= 20.98% ώ(Al) = 100 – 20.98 = 79.02%
Хариулт	Хайлш дахь металлын массын хэсэг: 20.98%, 79.02%

Цахилгаан химийн системүүд

ерөнхий шинж чанар

Цахилгаан хими - Боломжит ялгаа үүсэх, химийн энергийг цахилгаан энерги (гальван эс) болгон хувиргах үйл явц, түүнчлэн цахилгаан эрчим хүчний зарцуулалтын (электролиз) химийн урвалын хэрэгжилтийг судалдаг химийн салбар. Нийтлэг шинж чанартай эдгээр хоёр процесс нь орчин үеийн технологид өргөн хэрэглэгддэг.

Галваник эсийг машин, радио төхөөрөмж, хяналтын төхөөрөмжүүдийн бие даасан, жижиг хэмжээтэй эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг. Электролизийн тусламжтайгаар янз бүрийн бодисыг гаргаж авч, гадаргууг боловсруулж, хүссэн хэлбэрийн бүтээгдэхүүнийг бий болгодог.

Цахилгаан химийн процессууд нь хүмүүст үргэлж ашиг тусаа өгдөггүй, заримдаа их хэмжээний хор хөнөөл учруулж, зэврэлт, металл бүтцийг устгахад хүргэдэг. Цахилгаан химийн процессыг чадварлаг ашиглах, хүсээгүй үзэгдлүүдтэй тэмцэхийн тулд тэдгээрийг судалж, зохицуулах чадвартай байх ёстой.

Цахилгаан химийн үзэгдлийн шалтгаан нь электрон дамжуулалт эсвэл электрохимийн процесст оролцдог бодисын атомын исэлдэлтийн төлөвийн өөрчлөлт, өөрөөр хэлбэл гетероген системд тохиолддог исэлдэлтийн урвал юм. Редокс урвалын үед электронууд нь ангижруулагчаас исэлдүүлэгч бодис руу шууд шилждэг. Хэрэв исэлдэлт ба бууралтын процессыг орон зайд тусгаарлаж, электронууд нь металл дамжуулагчийн дагуу чиглэгддэг бол ийм систем нь гальваник элементийг төлөөлнө. Гальваник эсэд цахилгаан гүйдэл үүсэх, урсах шалтгаан нь боломжит зөрүү юм.

Электродын потенциал. Электродын потенциалыг хэмжих

Хэрэв та ямар нэгэн металлын хавтанг аваад ус руу буулгавал туйлын усны молекулуудын нөлөөн дор гадаргуугийн давхаргын ионууд гарч, шингэн рүү шингэн орно. Энэ шилжилтийн үр дүнд шингэн нь эерэг, металл нь сөрөг цэнэгтэй байдаг, учир нь үүн дээр илүүдэл электронууд гарч ирдэг. Шингэн дэх металлын ионуудын хуримтлал нь металлын уусалтыг саатуулж эхэлдэг. Хөдөлгөөнт тэнцвэрт байдал бий болсон

Me 0 + mH 2 O = Me n + × m H 2 O + ne -

Тэнцвэрийн төлөв нь металлын идэвхжил, уусмал дахь ионуудын концентрациас хамаарна. Устөрөгч хүртэлх хүчдэлийн цуваа дахь идэвхтэй металлын хувьд туйлын усны молекулуудтай харилцан үйлчлэл нь гадаргуугаас эерэг металлын ионуудыг салгаж, гидратжуулсан ионууд уусмал руу шилжих замаар төгсдөг (Зураг b). Металл сөрөг цэнэгтэй болдог. Үйл явц нь исэлдэлт юм. Гадаргуугийн ойролцоох ионы концентраци нэмэгдэх тусам урвуу үйл явц боломжтой болно - ионуудын бууралт. Уусмал дахь катионууд ба гадаргуу дээрх илүүдэл электронуудын хоорондох электростатик таталт нь цахилгаан давхар давхаргыг үүсгэдэг. Энэ нь метал ба шингэний хоорондох интерфэйс дээр тодорхой боломжит зөрүү буюу боломжит үсрэлт үүсэхэд хүргэдэг. Металл ба түүний эргэн тойрон дахь усан орчны хооронд үүсэх боломжит зөрүүг нэрлэдэг электродын потенциал. Металлыг давсны уусмалд дүрэх үед тэнцвэрт байдал өөрчлөгддөг. Уусмал дахь өгөгдсөн металлын ионы концентрацийг нэмэгдүүлэх нь ионуудын уусмалаас метал руу шилжих үйл явцыг хөнгөвчилдөг. Ионууд нь уусмал руу шилжих чухал чадвартай металлууд ийм уусмалд эерэг цэнэгтэй байх боловч цэвэр устай харьцуулахад бага хэмжээгээр цэнэглэгддэг.

Идэвхгүй металлын хувьд уусмал дахь металлын ионуудын тэнцвэрт концентраци маш бага байдаг. Хэрэв ийм металлыг энэ металлын давсны уусмалд дүрвэл эерэг цэнэгтэй ионууд нь металаас уусмал руу шилжих шилжилтээс илүү хурдан хугацаанд эерэг цэнэгтэй ионууд ялгардаг. Металлын гадаргуу нь эерэг цэнэгийг хүлээн авах бөгөөд уусмал нь илүүдэл давсны анионуудаас болж сөрөг цэнэгийг хүлээн авах болно. Мөн энэ тохиолдолд металлын уусмалын интерфейс дээр цахилгаан давхар давхарга гарч ирдэг тул тодорхой боломжит зөрүү гарч ирдэг (Зураг в). Энэ тохиолдолд электродын потенциал эерэг байна.

Цагаан будаа. Ионы металаас уусмал руу шилжих үйл явц:

a - тэнцвэр; б - татан буулгах; в - хуримтлал

Электрод бүрийн потенциал нь металлын шинж чанар, уусмал дахь ионуудын концентраци, температураас хамаарна. Хэрэв металыг 1 дм 3 тутамд нэг моль металлын ион агуулсан давсны уусмалд дүрвэл (түүний идэвхжил нь 1) электродын потенциал нь 25 ° C температурт, 1 даралттай тогтмол утгатай байх болно. атм. Энэ потенциал гэж нэрлэдэг стандарт электродын потенциал (E o).

Эерэг цэнэгтэй металлын ионууд уусмал руу нэвтэрч, металл уусмалын интерфэйсийн боломжит талбарт хөдөлж энерги зарцуулдаг. Энэ энерги нь гадаргуу дээрх ионуудын өндөр концентрацаас уусмал дахь бага концентраци хүртэл изотермийн тэлэлтийн ажилаар нөхөгддөг. Эерэг ионууд нь гадаргуугийн давхаргад хуримтлагдаж, концентрацитай байдаг -тай О, дараа нь уусмал руу орох, тэнд чөлөөт ионы концентраци -тай. EnF цахилгаан орны ажил нь RTln(с o /с) тэлэлтийн изотермийн ажилтай тэнцүү байна. Ажлын хоёр илэрхийлэлийг тэнцүүлэх замаар бид потенциалын хэмжээг гаргаж чадна

En F = RTln(s o /s), -E = RTln(s/s o)/nF,

Энд E нь металлын потенциал, V; R – бүх нийтийн хийн тогтмол, Ж/моль К; T - температур, K; n - ионы цэнэг; F - Фарадей тоо; с – чөлөөт ионуудын концентраци;

с о – гадаргуугийн давхарга дахь ионы концентраци.

Потенциалын утгыг туршилтаар тодорхойлох боломжгүй тул боломжит утгыг шууд хэмжих боломжгүй. Электродын потенциалын утгыг өөр электродын утгатай харьцуулан эмпирик байдлаар тодорхойлдог бөгөөд түүний потенциалыг уламжлалт байдлаар тэг гэж үздэг. Ийм стандарт буюу лавлагаа электрод нь ердийн устөрөгчийн электрод (n.v.e.) . Устөрөгчийн электродын бүтцийг зурагт үзүүлэв. Энэ нь электролитийн аргаар хуримтлагдсан цагаан алтаар бүрсэн цагаан алтны хавтангаас бүрдэнэ. Электродыг хүхрийн хүчлийн 1М уусмалд (устөрөгчийн ионы идэвхжил 1 моль/дм3) дүрж, 101 кПа ба T = 298 К даралттай устөрөгчийн хийн урсгалаар угаана. Платиныг устөрөгчөөр ханасан үед. , тэнцвэрт байдал нь металл гадаргуу дээр тогтсон, ерөнхий үйл явцыг тэгшитгэлээр илэрхийлнэ

2Н + +2е ↔ Н 2 .

Хэрэв энэ металлын давсны 1М уусмалд дүрсэн металл хавтанг стандарт устөрөгчийн электродтой гадаад дамжуулагчаар холбож, уусмалуудыг электролитийн түлхүүрээр холбосон бол гальваник элементийг олж авна (Зураг 32). Энэхүү гальваник эсийн цахилгаан хөдөлгөгч хүч нь хэмжигдэхүүн байх болно Өгөгдсөн металлын стандарт электродын потенциал (E О ).

Стандарт электродын потенциалыг хэмжих схем

устөрөгчийн электродтой харьцуулахад

Цайрыг 1 М цайрын сульфатын уусмалд электрод болгон авч, устөрөгчийн электродоор холбосноор бид гальван элементийг олж авах бөгөөд түүний хэлхээг дараах байдлаар бичнэ.

(-) Zn/Zn 2+ // 2H + /H 2, Pt (+).

Диаграммд нэг мөр нь электрод ба уусмалын хоорондох интерфейсийг, хоёр шугам нь уусмалын хоорондох интерфейсийг заана. Зүүн талд нь анод, баруун талд нь катод бичигдсэн байдаг. Ийм элементэд Zn o + 2H + = Zn 2+ + H 2 урвал явагдах ба электронууд гаднах хэлхээгээр цайраас устөрөгчийн электрод руу дамждаг. Цайрын электродын стандарт электродын потенциал (-0.76 В).

Зэс хавтанг электрод болгон авч, тогтоосон нөхцөлд стандарт устөрөгчийн электродтой хослуулан бид гальван эсийг олж авдаг.

(-) Pt, H 2 /2H + //Cu 2+ /Cu (+).

Энэ тохиолдолд урвал явагдана: Cu 2+ + H 2 = Cu o + 2H +. Электронууд устөрөгчийн электродоос зэс электрод руу гадаад хэлхээгээр дамждаг. Зэс электродын стандарт электродын потенциал (+0.34 В).

Хэд хэдэн стандарт электродын потенциал (хүчдэл). Нерстийн тэгшитгэл

Металлуудыг стандарт электродын потенциалыг нэмэгдүүлэх дарааллаар байрлуулснаар Николай Николаевич Бекетовын (1827-1911) цуврал хүчдэл буюу стандарт электродын потенциалын цувралыг олж авдаг. Техникийн чухал ач холбогдолтой хэд хэдэн металлын стандарт электродын потенциалын тоон утгыг хүснэгтэд үзүүлэв.

Металлын стрессийн хүрээ

Хэд хэдэн стресс нь металлын зарим шинж чанарыг тодорхойлдог.

1. Металлын электродын потенциал бага байх тусам химийн идэвхжил ихсэх тусам исэлдэхэд хялбар, ионыг нь нөхөхөд хүндрэлтэй байдаг. Байгальд идэвхтэй металлууд нь зөвхөн Na, K, ... нэгдлүүдийн хэлбэрээр байдаг бөгөөд байгальд нэгдлүүд болон Cu, Ag, Hg чөлөөт төлөвт хоёуланд нь байдаг; Au, Pt - зөвхөн чөлөөт төлөвт;

2. Магниас илүү сөрөг электродын потенциалтай металууд устөрөгчийг уснаас зайлуулдаг;

3. Устөрөгчийн өмнөх хүчдэлийн цуваа дахь металууд нь шингэрүүлсэн хүчлүүдийн уусмалаас устөрөгчийг нүүлгэн шилжүүлэх (анионууд нь исэлдүүлэх шинж чанартай байдаггүй);

4. Ус задалдаггүй цуваа металл бүр нь электродын потенциалын эерэг утгатай металуудыг давсны уусмалаас нь зайлуулдаг;

5. Металлууд электродын потенциалын утгаараа ялгаатай байх тусам emf утга их болно. тэдгээрээс хийгдсэн гальван эстэй болно.

Электродын потенциалын (E) металлын шинж чанар, уусмал дахь ионуудын идэвхжил, температураас хамаарах хамаарлыг Нернстийн тэгшитгэлээр илэрхийлнэ.

E Me = E o Me + RTln(a Me n +)/nF,

Энд E o Me нь металлын стандарт электродын потенциал, Men + нь уусмал дахь металлын ионуудын идэвхжил юм. Стандарт 25 хэмийн температурт шингэрүүлсэн уусмалын хувьд (a) идэвхийг (c) концентрацитай, натурал логарифмийг аравтын нэгээр сольж, R, T, F утгуудыг орлуулж авна.

E Me = E o Me + (0.059/n)logс.

Жишээлбэл, түүний давсны уусмалд байрлуулсан цайрын электродын хувьд гидратжуулсан ионы концентраци Zn 2+ × mH 2 O байна. Үүнийг Zn 2+ гэж товчилъё

E Zn = E o Zn + (0.059/n) log[ Zn 2+ ].

Хэрэв = 1 моль/дм 3 бол E Zn = E o Zn болно.

Галваник эсүүд, тэдгээрийн цахилгаан хөдөлгөгч хүч

Давсны уусмалд дүрсэн хоёр металлыг дамжуулагчаар холбосноор гальван элемент үүсгэдэг. Анхны гальваник эсийг 1800 онд Александр Вольт зохион бүтээжээ. Уг эс нь хүхрийн хүчлийн уусмалд дэвтээсэн даавуугаар тусгаарлагдсан зэс, цайрын хавтангаас бүрддэг. Олон тооны ялтсуудыг цувралаар холбосон тохиолдолд Вольта элемент нь цахилгаан хөдөлгөгч хүч (EMF) ихтэй байдаг.

Гальваник элементэд цахилгаан гүйдэл үүсэх нь авсан металлын электродын потенциалын зөрүүгээс үүдэлтэй бөгөөд электродуудад тохиолддог химийн өөрчлөлтүүд дагалддаг. Зэс-цайрын эсийн жишээн дээр гальваник эсийн үйл ажиллагааг авч үзье (Ж. Даниел - Б.С. Жакоби).

Зэс-цайрын Даниел-Якоби гальваник эсийн диаграмм

Цайрын сульфатын уусмалд (c = 1 моль/дм 3) дүрсэн цайрын электрод дээр цайрын исэлдэлт (цайрын уусалт) Zn o - 2e = Zn 2+ явагдана. Электронууд гадаад хэлхээнд ордог. Zn нь электронуудын эх үүсвэр юм. Электронуудын эх үүсвэрийг сөрөг электрод - анод гэж үздэг. Зэсийн сульфатын уусмалд (c = 1 моль/дм 3) дүрсэн зэс электрод дээр металлын ионууд буурдаг. Cu 2+ + 2e = Cu o электрод дээр зэсийн атомууд хуримтлагдана. Зэс электрод эерэг байна. Энэ нь катод юм. Үүний зэрэгцээ зарим SO 4 2- ионууд давсны гүүрээр дамжин ZnSO 4 уусмалтай саванд ордог. . Анод ба катодын үйл явцын тэгшитгэлийг нэмснээр бид нийт тэгшитгэлийг олж авна.

Борис Семенович Якоби (Мориц Херман) (1801-1874)

эсвэл молекул хэлбэрээр

Энэ нь металлын уусмалын интерфейс дээр тохиолддог нийтлэг редокс урвал юм. Гальваник эсийн цахилгаан энергийг химийн урвалаар олж авдаг. Үзэж буй гальваник эсийг богино цахилгаан химийн хэлхээний хэлбэрээр бичиж болно

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

Гальваник эсийн үйл ажиллагаанд зайлшгүй шаардлагатай нөхцөл бол боломжит ялгаа юм гальваник эсийн цахилгаан хөдөлгөгч хүч (EMF) . E.m.f. ямар ч ажлын гальваник элемент эерэг утгатай байна. EMF-ийг тооцоолохын тулд. гальваник элементийн хувьд эерэг потенциалын үнэ цэнээс бага эерэг потенциалын утгыг хасах шаардлагатай. Тиймээс e.m.f. Стандарт нөхцөлд (t = 25 o C, c = 1 моль/дм 3, P = 1 атм) зэс-цайрын гальваник элемент нь зэс (катод) ба цайрын (анод) стандарт электродын потенциалын зөрүүтэй тэнцүү байна. байна

э.м.ф. = E o C u 2+ / Cu - E o Zn 2+ / Zn = +0,34 В – (-0,76 В) = +1,10 В.

Цайртай хослуулбал Cu 2+ ион багасдаг.

Ашиглахад шаардагдах электродын потенциалын зөрүүг өөр өөр концентрацитай ижил уусмал, ижил электрод ашиглан үүсгэж болно. Ийм гальваник эсийг нэрлэдэг төвлөрөл , мөн энэ нь уусмалын концентрацийг тэнцүүлэх замаар ажилладаг. Жишээ нь хоёр устөрөгчийн электродоос бүрдэх эс байж болно

Pt, H 2 / H 2 SO 4 (s`) // H 2 SO 4 (s``) / H 2, Pt,

хаана c` = `; c`` = ``.

Хэрэв p = 101 кПа бол s`< с``, то его э.д.с. при 25 о С определяется уравнением

E = 0.059lg(s``/s`).

Үед с` = 1 моль-ион/дм 3 эмф. элементийг хоёр дахь уусмал дахь устөрөгчийн ионы концентрацаар тодорхойлно, өөрөөр хэлбэл E = 0.059lgс`` = -0.059 рН.

Устөрөгчийн ионуудын концентрацийг тодорхойлох, улмаар орчны рН-ийг emf-ийг хэмжих замаар тодорхойлно. харгалзах гальваник элементийг потенциометр гэж нэрлэдэг.

Батерей

Батерей дахин ашиглах боломжтой, буцах үйлдэлтэй гальван эсүүд гэж нэрлэдэг. Эдгээр нь цэнэгийн үед хуримтлагдсан химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргаж, цахилгаан энергийг химийн энерги болгон хувиргаж, цэнэглэх явцад нөөцийг бий болгох чадвартай. e.m.f-ээс хойш. батерей нь жижиг, ашиглалтын явцад ихэвчлэн батерейнд холбогддог.

Хар тугалганы хүчлийн батерей . Хар тугалганы хүчлийн батерей нь хоёр цоолсон хар тугалганы хавтангаас бүрдэх бөгөөд тэдгээрийн нэг нь (сөрөг) цэнэглэсний дараа дүүргэгч - хөвөн идэвхтэй хар тугалга, нөгөө нь (эерэг) - хар тугалганы давхар ислийг агуулдаг. Хоёр хавтанг хоёуланг нь 25 - 30% хүхрийн хүчлийн уусмалд дүрнэ (Зураг 35). Зайны хэлхээ

(-) Pb/ p -p H 2 SO 4 / PbO 2 / Pb(+) .

Цэнэглэхийн өмнө хар тугалганы электродын нүхэнд органик холбогчоос гадна хар тугалганы исэл PbO агуулсан зуурмагийг түрхэнэ. Хар тугалганы исэл хүхрийн хүчилтэй харилцан үйлчлэлийн үр дүнд электродын хавтангийн нүхэнд хар тугалганы сульфат үүсдэг.

PbO + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2 O .

Батерейг цахилгаан гүйдэл дамжуулах замаар цэнэглэдэг

Цэнэглэх үйл явц

Нийтдээ батерейг цэнэглэх, цэнэглэх үед тохиолддог процессуудыг дараах байдлаар илэрхийлж болно.

Батерейг цэнэглэх үед электролитийн нягтрал (хүхрийн хүчил) нэмэгдэж, цэнэглэх үед буурдаг. Электролитийн нягт нь батерейны цэнэгийн түвшинг тодорхойлдог. E.m.f. хар тугалга батерей 2.1 В.

Давуу талхар тугалга-хүчлийн зай - цахилгааны өндөр хүчин чадал, тогтвортой ажиллагаа, олон тооны цикл (цэнэглэх). Алдаа дутагдал- их масстай, тиймээс бага хувийн багтаамжтай, цэнэглэх явцад устөрөгч ялгарах, хүхрийн хүчлийн төвлөрсөн уусмал байгаа үед битүүмжлэлгүй байх. Энэ талаар шүлтлэг батерейнууд илүү сайн байдаг.

Шүлтлэг батерейнууд. Үүнд Т.Эдисоны кадми-никель, төмөр-никель батерейнууд багтана.

Эдисоны батерей ба хар тугалганы батерейны хэлхээ

Томас Эдисон (1847-1931)

Тэд бие биетэйгээ төстэй. Ялгаа нь сөрөг электродын хавтангийн материалд оршдог. Эхний тохиолдолд тэдгээр нь кадми, хоёр дахь нь төмөр юм. Электролит нь KOH уусмал юм ω = 20% . Никель-кадми батерей нь хамгийн чухал практик ач холбогдолтой юм. Кадми-никель батерейны диаграм

(-) Cd / KOH /Ni 2 O 3 /Ni уусмал (+).

Кадми-никель батерейны ажиллагаа нь Ni 3+-тэй холбоотой исэлдэлтийн урвал дээр суурилдаг

E.m.f. цэнэглэгдсэн никель-кадми батерейны хүч нь 1.4 В.

Хүснэгтэд Эдисоны батерей болон хар тугалганы батерейны шинж чанарыг харуулав.