Электрохимиялық әдістерді өлшенетін параметрлеріне байланысты классификациялау

Өлшенетін параметр	Өлшеу жағдайлары	Әдістің аталуы
Потенциал Е, В	I=0	Потенциометрия
Ток I мкА, мА	I=f (Еналож)	Вольтамперометрия
Электр мөлшері Q, Кл	I=const немесе E=const	Кулонометрия
Меншікті электр өткізгіштігі א, См.см-1	I~, 1000Гц	Кондуктометрия
Масса m , г	I=const немесе E=const	Электрогравиметрия

Химиялық энергияның электр энергиясына ауысуы тек қана электрохимиялық жүйеде жүзеге асады.

Электрохимиялық жүйенің мынадай құрамдас бөлшектері болады:

1) электролит – бойынан электр тогын өткізетін ерітінді.

2) электродтар – электролит ерітіндісіне батырылған электрон өткізгіштік қабілеті бар металл пластинка. Электродтар арқылы электр энергиясы тасымалданады және тек электродтарда ғана электрохимиялық реакциялар жүзеге асады. Сондықтан олар электрохимиялық жүйенің ең маңызды құрамдас бөлшегі деп есептеледі.

3) металдық өткізгіш, ол электродтарды бір-бірімен жалғастырып, ток өтуін қамтамасыз етеді. Оны сыртқы тізбек депте атайды.

Сонымен, кез келген электрохимиялық құрылғы кем дегенде 2 электродтан тұрады және бұл электродтар, электролит ерітіндісіне батырылып, бір-бірімен металдық өткізгішпен жалғастырылады (14.34-сурет).

Сыртқы тізбек

е

е

е

Ox2

Э2

е

Red1

Э1

KCl

14.34-сурет. Электрохимиялық ұяшық.

Химиялық реакциялардың жүруі нәтижесінде пайда болған химиялық энергияны электр энергиясына айналдыратын электрохимиялық жүйені химиялық ток көзі (ХТК) немесе гальваникалық элемент (ГЭ) деп атайды. Ал, сырттан берілген электр энергиясының әсерінен химиялық өзгерістер жүзеге асатын электрохимиялық жүйені электролизер немесе электролиттік ұяшық (ыдыс) деп атайды. Сызбанұсқа түрінде мынадай болады:

ГЭ

Химиялық реакция → электр энергиясы

Электролизер

Электр энергиясы → химиялық реакция

Екеуі біріктірілген сызбанұсқаны жалпы түрде былай көрсетуге болады:

ГЭ

Химиялық энергия⇆ электр энергиясы

Электролизер

Яғни, ГЭ пен электролиздердің бір-бірінен принциптері бойынша айырмашылығы болады, олар: 1) ГЭ – бұл электр тогының көзі, ал электролизер – электр тогын қолданушы; 2) ГЭ-те химиялық энергия электр энергиясына айналады. Ал, электролизерде керісінше электр энергиясы химиялық энергияға айналады; 3) ГЭ-те электрохимиялық тотығу және тотықсыздану процестері өздігінен жүреді. Ал, электролизерде электрохимиялық тотығу және тотықсыздану процестері тек қана сырттан берілетін электр тогының әсерінен ғана жүреді. Яғни, олар өздігінен жүрмейді; 4) ГЭ-те теріс зарядталған электрод – анод,оң зарядталған электрод – катод. Ал, электролизерде, керісінше, теріс зарядталған –катод, оң зарядталған –анод (14.35-сурет).

Жалпы «теріс» немесе «оң» зарядталған деген ұғымдар әрқашан ток көзінің полюсіне байланысты айтылады.

ГЭ-те де, электролизерде де теріс зарядталған электродта ē-ның артық мөлшері пайда болады, ал оң зарядталған электродта – ē жетіспейді. Катод және анод деген ұғымдар ē -ның электрод арқылы өту бағытына байланысты болады. Катод – бұл ГЭ-ке немесе электролизерге электрон тасымалданатын электрод және бұнда ē – артық мөлшерде болғандықтан реакцияласатын заттардың тотықсыздануы жүзеге асады. Анод – бұл ГЭ-тен немесе электролизерден электронды кері тасымалдайтын электрод, бұнда ē-ның жетіспеуіне байланысты реакцияласатын заттардың тотығуы жүзеге асады.

Сонымен, ГЭ – те:

(+) катодта: тотықсыздану: Cu ²⁺ + 2 ē → Cu ^o

Электролизерде:

(-) катодта: тотықсыздану: Na⁺ + ē → Na ^o

ГЭ – те:

(-) анодта: тотығу: Zn – 2 ē → Zn²⁺

Электролизерде:

(+) анодта: тотығу: 2Cl^- – 2 ē → Cl₂

Яғни, ГЭ-пен электролизердің принципиальды айырмашылығы оларда жүретін процестердің бағыттарының қарама-қарсылығында екенін байқауға болады.

Zn2+

Cu2+

Zn

Cu

a)

Анод Тотығу (электрон беру)

Катод Тотықсыздану (электрон алу)

Zn Zn2+ + 2e

-2e

Cu2++2е →Cu

K+

A–

б)

Катод Тотықсыздану (электрон алу)

Анод Тотығу (электрон беру)

A–

+e–

A

–e–

K+

+e–

K

K+

– Катион

А–

– Анион

14.35-сурет. а) гальваникалық элементтің және б) электролизердің жұмыс істеу принциптерін салыстырмалы түрде көрсететін сызбанұсқа.

Бірінші реттік өткізгіш, яғни металл арқылы электр тогы өткенде олар өзгеріссіз қалады. Ал, егер электр тогы электролит ерітінділері (яғни 2-реттік өткізгіштер) арқылы өтсе, электродтарда бір заттардың екінші біреулеріне айналатын процестер жүреді. Нәтижесінде электролит ыдырайды, бұндай процестер электролиз деп аталады.

Сонымен, электролиз дегеніміз – химиялық қосылыстың электр тогы әсерінен ыдырауы, нәтижесінде иондар разрядталады, яғни электролиз 2-параллельді жартылай процестер: анодты тотығу және катодты тотықсызданудан тұрады.

Электролиттердің сулы ерітінділерінің электролизіндегі жартылай процестерге тек электролит қана емес суда қатысады. Судың электролиттік ыдырауы кезінде катодта – сутегі (Н₂), ал анодта – оттегі (О₂) бөлінеді.

Сонда: катодта сутектің тотықсыздануы: 2Н⁺ + 2 ē ⇆ Н₂. Ал, анодта оттектің тотығуы жүзеге асады: 4ОН^- – 4 ē ⇆ О₂ + 2Н₂О

Біріктіріп жазсақ: 2Н⁺ + 4ОН^- ⇆ Н₂ + О₂ + 2Н₂О

Дәлірек жазсақ: 4Н₃О⁺ + 4ОН^- ⇆ 2Н₂ + О₂ + 6Н₂О

Су мен электролиттің аттас иондары бір-бірімен бәсекелеседі және катодта қандай катион, ал анодта қандай анион разрядталатындығы олардың разрядталу кернеуінің мәніне байланысты болады, яғни кернеуі төмен иондар оңай разрядталады. Сызбанұсқада көрсетілгеніндей металдардың катиондарға ауысуы оңнан солға қарай артады.