Химиялық тоқ көздері. Электродтық потенциалдар. Тотығу- тотықсыздану реакцияларының бағыты. Гальвани элементі туралы түсінік


Таза суға мырыш пластинкасын батырса, оның беткі қабатындағы кристалдық тор көздерінің түйініндегі оң иондарының біразы полюсті су молекулаларының әсерінен үзіліп ерітіндіге өтеді. Иондар ерітіндіде су молекулаларымен ұстасып гидраттанады. Металдың иондарынан айырылған беткі қабатындағы электрондары бос қалып оны теріс зарядтайды. Міне, осы теріс зарядталған қабат ерітіндідегі оң иондар қабатымен электростатикалық тартылыста болатындықтан, ол иондар қайтадан металл бетіне келіп қонып жатады және бүкіл гидраттанған оң иондар қабаты алысқа кетпей бетке жақын орналасады. Барған сайын металдың беткі қабатының еруі азайып, еріген иондардың қайта келуі молаяды, ақыры жүйедегі металдың еру жылдамдығы мен оның металға қайта келіп қону жылдамдығы теңесіп, тепе-теңдік орнайды.

Металл+су ↔ гидраттанған металл ионы + электрондар

Металл мен ерітіндінің түйіскен жерінде түзілген қабатты қос электр қабаты деп атайды, қабаттар арасындағы зарядтар айрымын металдың электродтық потенциалы дейді. Егер таза суға металдың ерімтал тұздарының бірін қосса, қабаттар арасындағы тепе-теңдік жағдай өзгереді. Ерітіндіде еріген металл иондарының көбеюі оның металл бетіне барып қайта қонуын арттырады. Неғұрлым еріген тұздың концентрациясы молайса, соғұрлым металдың еруі азая береді. Тіпті жоғары концентрлі тұз ерітіндісіне малынған металл ерімей, зарядталған қабат түзілмеуі де мүмкін. Металл активтігі төмен болып, ерітіндідегі иондарының мөлшері жеткілікті болса, керісінше оң иондар ерітіндіден бөлініп металл бетіне барады да, ерітінді теріс, металл оң зарядталады. Мұнда да белгілі бір электродтық потенциал туады. Өз тұздарының ерітіндісіне малынған электродтар активтігіне сай теріс (өте актив металдар), немесе оң (активтігі төмен металдар) зарядталып отырады.

Іс жүзінде суға не электролит ерітіндісіне батырылған кез келген металды электрод деп алуға болады. Электродтық потенциал − металл (электрод) мен сұйық фазаның (су немесе электролит ерітіндісі) түйіскен жерінде туатын электростатикалық потенциал. Е = q1 − q2 .

Гальвани элементтерінің қарапайымдарының бірі – мыс-мырыш элементі. Мұндағы өз тұздары ZnSO4 пен CuSO4 ерітіндісіне батырылған мырыш пен мыс гальвани элементінің электродтары. Екі тұздың ерітіндісі өзара кеуек тоспамен бөлініп тұрады. Актив металл мырыш пластинкасының бетінде электрондар қалатындықтан теріс, ал активтігі төмен мыс пластинкасына оң иондар жиналатындықтан оң зарядталады. Егер осы екі пластинканы өз ара сыммен жалғастырса мырыштағы артық электрондар тобы электрондар жетпей тұрған мысқа қарай ағады, нәтижесінде сыртқы тізбекте электр тоғы туады. Мысқа ағылып келген электрондар оның бетіндегі мыс тұзының ерітіндісінен келген Cu2+ иондарын бейтараптап (зарядын жойып) отырады, ал жаңа түзілген бейтарап атомдар мыс электродтың бетіне жинала береді. CuSO4 молекуласынан бөлініп жеке қалған SO42- сульфат иондары кеуек тоспадан өтіп мырыш пластинкадан келген мырыш оң ионы мен (Zn2+) әрекеттесіп ерітіндіде ZnSO4 түзеді. Дәл осылайша Zn2+ иондары да мыс сульфатының ерітіндісіне қарай өтіп ондағы SO42 - иондарымен қосылып ZnSO4 түзеді. Мырыш пластинкасының еруі өзінен 2 электрон беріп тотығуы, мыс иондарының бейтараптануы өзіне 2 электрон қосып алып тотықсыздануы болып табылады:

Анод: Zn° − 2e= Zn2+, тотығу процесі

Катод: Cu2+ + 2е= Cu0, тотықсыздану процесі

Элементте жүретін тотығу-тотықсыздану процесі бір мезгілде өтеді, оның жалпы реакция теңдеуі мынадай: Zn + Cu2+= Zn2+ + Cu

Тотығу процесі жүретін электрод анод, ал тотықсыздану процесі жүретіні – катод деп аталады. Бұл гальвани элементіндегі анод-мырыш, катод-мыс.

Гальвани элементінің негізіне алынған химиялық тізбекті арнайы кестемен белгілейді: (+)Cu| CuSO4|| ZnSO4| Zn (-)

Сонымен, гальвани элементтерін өз тұздарына батырылған кез келген екі металдан жасауға болады.

Мырыш пен темірді өз тұздарына батырғанда, екеуі де теріс зарядталады, оған қарамастан электродтарды өзара қосқанда активтірек мырышқа жиналған электрондар, одан активсіздеу темірмен салыстырғанда молырақ болғандықтан, мырыштан темірге қарай электрондар ағылып, электр тогын тудырады. Бұл элементте жүретін реакция теңдеуі мынадай: Zn+Fe2+ = Fe+ Zn2+

Неғұрлым электрод ретінде алынған металдардың химиялық активтіктерінде айырым алшақ болса, соғұрлым гальвани элементтерінде өтетін тотығу-тотықсыздану реакция қуаттырақ болып, мол электр тоғы алынады.

Барлық металдардың иондарының ерітіндідегі концентрациясын бірдей етіп алып, потенциалдарының мөлшерін анықтау, олардың активтігін өз ара салыстыруға мүмкіндік береді. Әдетте, әрбір жеке электродтың абсолюттік потенциалын өлшеу тым қиын, сондықтан іс жүзінде электродтардың салыстырмалы потенциалын тауып, пайдаланады. Ол үшін бір металдың потенциалы екінші бір белгілі металдың (электродтың) потенциалынан қаншалықты артық немесе қаншалықты кем екендігін анықтайды. Потенциалдарды салыстыруға арналған стандартты электрод ретінде қалыпты сутек электродын алады. Ол сутек иондарының концентрациясы 1000мл суда 1моль болып келген күкірт қышқылының ерітіндісіне батырылған, беті ұсақ платина түйіршіктерімен кеуектеу етіп қапталған платина пластинкадан тұрады. Осы ерітіндіден 250С-та 1атм қысыммен таза газ күйіндегі сутекті үзбей жіберіліп тұрады. Ол кеуек бетке сіңіріліп бүкіл электрод сутектен жасалғандай болады. Электродтағы сутектен оң иондар ерітіндіге өтеді:

Н2 − 2е = 2Н+. Сонда электрод пен ерітінді арасында туатын сутек электродының потенциалын шартты түрде келісіп нольге тең деп алған.

Кез келген металдың салыстырмалы потенциалын табу үшін бірі стандартты сутекті электродтан, екіншісі сол металдың өзінен жасалған гальваникалық элемент құру қажет. Және ол металдың өз тұзындағы иондарының концентрациясы 1моль/л болуы шарт. Осында анықталатын салыстырмалы потенциал металдың қалыпты (стандартты) электродтық потенциалы болып аталады.

Стандартты сутек электроды мен 1л судағы Zn2+ иондары концентрациясы1моль/л болып келген ZnSO4 ерітіндісіндегі мырыш электродының потенциалдарының айырымы – 0,76 в. Бұл мырыш металының қалыпты электродтық потенциалы, оны былайша жазады: Е0 Zn/Zn2+ =−0,76в.

Мұндағы гальвани тізбегінің иондық кестесі мынадай:

(+)Н2|2H+||Zn2+|Zn(-) Металдарды, сутекті қоса, электродтар потенциалдарының алгебралық шамасының артуына сай орналастырса, Н.Н. Бекетов тапқан кернеу қатарына сай келетін химиялық активтігі бірінен бірі кеми орналасқан стандартты электродтық потенциалдар қатары шығады. Одан металдың стандартты электродтық потенциалының алгебралық мөлшері неғұрлым кіші болса, соғұрлым химиялық активтігі жоғары болатындығы көрінеді. Металдардың стандартты электродтық потенциалы белгілі болса кез келген екі металдан тұратын гальвани элементінің электр қозғаушы күшін (ЭҚК) есептеп шығаруға болады. Ол үшін алгебралық шамасы үлкен потенциалдан шамасы кіші потенциалды алу керек. Мысалы, мыс-мырыш гальваникалық элементтің ЭҚК-ін есептеу үшін мыстың стандартты электродтық потенциалынан (E0Cu/Cu2+ =+0,34) мырыштың стандартты электродтық потенциалын алады. Сонда

ЭҚК = E0Cu/Cu2+ − Е 0 Zn/Zn2+ =(+0,34) – (− 0,76)=+1,10в.

Гальвани элементін құрайтын металдардың стандартты электродтық потенциалдары бірінен-бірі алгебралық шамасы бойынша алшақ болған сайын оның ЭҚК көбірек болады. Егер металдың өз тұзының ерітіндісіндегі концентрациясы 1моль/л мөлшерінен артық, не кем болса, оның потенциалы стандартты электродтық потенциалынан өзгеше болады. Бұл жағдайда электродтық потенциалды Нернст формуласы бойынша есептейді:

Е= E0 +RT/nF ln[Oх]/[Red] E= E0 +0,058/n lgС,

Мұндағы n-электрон саны, С-металдың ерітіндідегі концентрациясы, (моль/л), R – универсал газ тұрақтысы, Ғ – Фарадей тұрақтысы, Т – Кельвин температурасы.

Сонда, мырыш тұзының 0,001М ерітіндісіне батырылған кездегі потенциалы: Е = − 0,76+0,058/2×lg10-3 = − 0,85в.

Бұдан электролит ерітіндісіндегі металл ионы концентрациясының кемуі оның электродтық потенциалының алгебралық шамасының азайатындығын көрсетеді, керісінше концентрациясының артуы потенциал шамасын ұлғайтады.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Электродтық потенциалдардың мәні, қолданылуы.

2. Бекетовтың кернеу қатары нені көрсетеді?

3. Гальваникалық элемент деген не? Мысалдар келтіріңіздер.

4. Тотығу-тотықсыздану потенциалын (редокс-потенциал) есептейтін теңдеу.

5. Редокс-потенциал мәніне әсер ететін факторлар.

Практикалық сабақта және білім алушының оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. Екі гальваникалық элементтің кестесінде біреуінде мыс катод болса, біреуінде мыс анод болуы керек. Осы элементтердің жұмыс кезіндегі реакциялар теңдеулерін жазып, стандартты ЭҚК мәнін есептеңдер.

2. Мына гальваникалық элементтерде: а)Mg|Mg2+||Pb2+|Pb; б)Pb|Pb2+||Сu2+|Сu; в) Сu|Сu2+||Аg+|Аg сыртқы тізбек бойынша электрондар қай бағытта жылжиды? Электролиттер ерітінділері бір молярлы, әр жағдайда қай металл ериді?

3. Марганец электродын оның тұзының ерітіндісіне батырғанда, потенциалы 1,1в болса, марганец ионының (Мn2+) концентрациясы (моль/л) қанша болғаны? Жауабы: 2, 04×10-2 моль/л.

4. Күміс электродының потенциалы оның стандартты электрод потенциалының 95%-не тең болғанда күміс ионының (Аg+) концентрациясы нешеге тең болған? Жауабы: 0,21моль/л.

5. Сутекті электрод потенциалы −236мВ болса, сутегі ионының концентрациясы қанша? Жауабы: 1×10-4моль/л.

6. Егер сутекті электрод потенциалы (мВ) мына сандарға а)-201; б)-431 тең болса, ерітінді рН-ы қанша? Жауабы: а) 3,4; б)7,3.

7. Егер ЕКAgI = 8,3×10-17 болса, AgI қанық ерітіндісіне батырылған күміс электродының потенциалын есептеу керек . Электрод потенциалы нольге тең болғанда Аg+ концентрациясы қанша болады? Жауабы: 0,326В; 2,8.10-14 моль/л.

8. Концентрационды гальваникалық элементтің (мВ) ЭҚК-сін есептеу керек. Мырыш электродтары концентрациялары 2×10-2 және 3,2×10-3моль/л ZnSO4 ерітінділеріне батырылған. Жауабы: 24мВ.

9. Күміс мырыш гальваникалық элементінің ЭҚК-сін есептеу керек. Бұл электродтар катиондарының концентрациясы 0,01 моль/л болатын тұздарының ерітіндісіне батырылған. Жауабы: 1,50в.

10. PbBr2 қанық ерітіндісіне батырылған қорғасын электродының потенциалын есептеу керек. [Br-]=1 моль/л, ал ЕК PbBr2 =9,1×10-6.

Жауабы: − 0,28В.

11. Егер мыс және қорғасын электродтарын осы металдардың 1 М ерітінділеріне батырылғанда түзілген гальваникалық элементтің э.қ.к.= 0,47В болса, электродтарды 0,001М ерітінділеріне батырғанда, ЭҚК өзгере ме? Түсініктеме беру керек.

12. Егер магний ионының концентрациясы а) 0,1; б) 0,01; в) 0,001моль/л болса, оның электродтық потенциалдары есептеу керек.

Жауабы: −2,39В; −2,42В; 2,45В.

13. Мына жүйе үшін Zn+CdSO4=Cd+ZnSO4 тепе-теңдік константасын есептеу керек. Егер мырыш ионының концентрациясы 1моль/л болса, кадмий ионының концентрациясы қанша болады? Жауабы: 12,2; ~10-12.

14. Мына реакцияның KMnO4+FeSO4+H2SO4 → тепе-теңдік константасын есептеу керек. Жауабы: 3×1063 .

15. Өздігінен қай бағытта мына реакциялар жүреді:

а)H2O2+HOCl=HCl+O2+H2O; б)2HJO3+5H2O2=J2+5O2+6H2O;

в) J2+5H2O2=2HJO3+4H2O. Жауабы: тура.

16. Сулы ортада темір(Ш) тұзын темір(ІІ) тұзына дейін а) KBr б) KJ ерітінділерімен тотықсыздандыруға бола ма? Жауабы: а) жоқ; б) иә.

17. а) Кадмий-мырыш гальваникалық элементінде б) мыс-қорғасын гальваникалық элементінде жүретін реакциялардың тепе-теңдік константасын есептеу керек. Жауабы: а)1,6×1012; б)8,6×1015.