Электрохимия. Электролиз. Гальваникалық элемент. Металдардың кернеу қатары. Коррозия

Электрохимия – химиялық реакция әсерінен электр тоғы пайда болуын және электр тоғының әсерінен тотығу-тотықсыздану реакцияларының жүруін зерттейді.

1.Процесс гальваникалық элементтерде іске асырылады.

2.Процесс электролиттік ванналарда немесе электролиздерде жүреді.

Электродтық потенциалдар. Сутектік жартылай элемент

Металдардың активтілігіне байланысты суда немесе өз тұздарының ерітінділерінде олардың ерігіштік қабілеті әр түрлі. Активті металдар тұздарының ерітінділерінде еріп, теріс зарядталады. Пассивті металдар ерітіндісіне батырғанда ерімейді, керісінше ерітіндіде металл бетіне көшіп, оң зарядтайды, аниондар оң пластинкаға тартылып, ерітіндіні теріс зарядтайды. Осы жағдайда қос электрлік қабат ҚЭҚ пайда болады. Оны электродтық потенциал деп атайды.

Металдың электродтық потенциалының сандық мәні металдың табиғатына, ерітіндідегі иондардың концентрациясына, температураға тәуелді болады. Осы тәуелділікті Нернст теңдеуімен сипаттайды:

Е=E⁰ +ln а_Ме^z+

Тұрақтыларды орнына қойып есептегенде және натураль логарифмді ондық логарифмге ауыстырғанда Нернст теңдеуі былай жазылады:

Е=E⁰ +lg а_Ме^z+

Металдардың электрохимиялық кернеу қатары

Барлық металдардың потенциалдары өлшенген және металдардың электрхимиялық активтілігінің қатары – кернеу қатары жасалған. Бұл қатар сілтілік металдардан басталады. Потенциалдары оң және теріс металдар потенциалы 0-ге тең сутегімен бөлінген.

Металдардың кернеу қатары

Li Rb K Cs Ba Ca Na Mg Al Mn -3.045 -2.925 -2.925 -2.923 -2.90 -2.87 -2.71 -2.37 -1.7 -1.18 Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Cu -0.76 -0.74 -0.44 -0.40 -0.28 -0.25 -0.14 -0.13 0 +0.34 Ag Hg Au +0.80 +0.85 +1.50

Кернеу қатарынан екі жағдай туады: 1) сутегіге дейін тұрған металдар тотықтырғыш емес қышқылдар құрамынан сутегін ығыстырып шығарады; 2) алдында (сол жақта) орналасқан металл кейін (оң жақта) тұрған металды ығыстырып шығарады.

1) Zn+2HCl=ZnCl₂+H₂

2) Ag +CuSO₄ = жүрмейді

Электродтық потенциалды өлшеу үшін сутектік жартылай элементті қолданады.

Жартылай элемент – электродтан (металл пластинкасы) және электролит ерітіндісінен тұратын жүйе.

С

1М H₂SO₄

утектің нөлге тең потенциалына салыстырылып металдардың потенциалдары өлшенген және ол металл потенциалы деп бекітілген.

Гальваникалық элементтер теориясы

Екі жартылай элементтен тұратын жүйе гальваникалық элемент деп аталады. Гальваникалық элементте бір электрод ериді, екіншіде металдар немесе сутегі катиондары тотықсызданады.

Мысалы:

(-) Zn⁰ Zn⁺² Cu⁺² Cu⁰ (+)

Потенциал Zn E_Zn⁰= -0,76B, потенциал Cu E_Cu⁰= +0,34B.

Zn-электродының потенциалы теріс таңбалы болғандықтан ол активтілеу, ериді және электрондар цинк пластинасынан бірінші ретті өткізгіш пен өлшегіш құрал арқылы екінші мыс электродына ағады, онда мыс катиондары тотықсызданады (1- сурет).

Zn

KCl

1M ZnSO₄

Cu

1M CuSO₄

Даниэль-Якоби гальваникалық элементі

Процестің химизмі:

Zn⁰-2e=Zn²⁺, тотықсыздандырғыш;

Cu²⁺+2e=Cu⁰, тотықтырғыш.

Гальваникалық элемент дегеніміз-өздігінен тотығу-тотықсыздану реакциясы жүретін, одан пайда болған энергия электр энергиясына айналатын жүйе.

Гальваникалық элементтерді тізбектей қоса отырып, қуаты бар батерея алады.

Гальваникалық элементтің электр қозғаушы күші ЭҚК болады:

ЭҚК =Е_т-ш-Е_{т-сызд-ш}, ЭҚК – мәні барлық уақытта оң таңбалы. Сонымен:

ЭҚК=E_Cu⁰ – E_Zn⁰ =+0,34-(-0,76)=1,1B.

Егер тұздар концентрациясы 1М емес басқа болса, онда электродтар потенциалдары Нернст формуласын пайдаланып табылады.

Оның көрінісі мынадай:

Тұрақтылар R,T,F мәнін қойып және ln=2,303lg есептеп, мынадай формула аламыз:

мұндағы: n – металл валенттілігі немесе электрондар саны.

Есеп: Fe/Fe²⁺(10^-3моль/л) // Sn²⁺(10^-1моль/л) / Sn жүйесінің ЭҚК-н табыңыз.

Нернст формуласын пайдаланып, темір мен қалайының потенциалдарын табамыз:

ЭҚК=Е_Sn-Е_Fe=-0,169-(-0,527)=+0,358B

Электролиз. Электролиз дегеніміз – электролит арқылы электр тоғы өткенде жүретін тотығу-тотықсыздану процесі.

Электролиз кезінде гальваникалық элементтегі сияқты анодта тотығу, катодта тотықсыздану процесі жүреді.

Электролиз процесі гальваникалық элементтің жұмыс істеу принципіне қарама-қарсы болғандықтан, электролиз кезінде теріс электрод - катодтық, ал оң электрод - анодтық қызмет атқарады.

Электролит табиғатына және электролит материалына байланысты электролиздің үш түрі бар:

1. судағы ерітіндінің индифферентті электрод арқылы электролизі;

2. балқымалар электролизі;

3. еритін анодпен электролиз, яғни рафинадтау – металдарды тазалау.

Фарадей заңдары

І- заңы. Электродта бөлінген заттың массасы электролит арқылы өткен ток мөлшеріне тура пропорционал: m=I∙

m – граммен алынған масса;

I – ток күші, А;

 - секундпен өлшенген уақыт.

II- заңы. Электролиз кезінде тоқтың бірдей мөлшері электродтарда әртүрлі заттардың эквиваленттілік массасын бөліп шығарады:

А – атомдық масса;,

n – «е» саны, яғни оның қосылыстардағы заряды;

F – Фарадей саны=96500Кл.

Металдар коррозиясы. Металдардың өзін қоршаған орта әсерінен бұзылуын (тотығуын) коррозия деп атайды. Ортаға байланысты коррозияның бірнеше түрін ажыратуға болады:

1. химиялық немесе газ әсері;

2. электрохимиялық;

3. жер асты;

4. адасып жүрген тоқ (жер астында) арқылы коррозия.

Химиялық немесе газ әсерінен коррозия ауада жүреді. Ауа құрамы мынадай:

N₂ (78,08%), O₂ (20,95%), CO₂ (0,03%), H₂O, H₂ (5∙10^-5%), H₂S, SO₂, SO₃, NO, N₂O₃, NO₂, Cl₂, NH₃ және т.б.

Ауада металл бірден тотықтырғыштардың, көбінесе оттегінің әсеріне ұшырайды. Мысалы: темір, созылған ыстық темір бірден тотығып, оксид береді.

2Fe+O₂=2FeO, ары қарай тотығып,

4FeO+O₂=2Fe₂O₃ жартылай оксид түзеді, ол барлық қышқыл оксидтерімен және сумен әрекеттеседі. Сонымен, темір оксидінің барлық бағытта қышқыл оксидтерімен, күкіртсутекпен және сумен әрекеттесу реакциялары жүреді. Нәтижесінде тұз және тат деп аталатын күрделі оксид Fe₃O₄ түзіледі.

Электрохимиялық коррозия электролитте жүреді..

К

оррозиядан қорғау әдістері

1. Ауаның әсерінен сақтау: май, лак жағу, пленкалармен қаптау;

2. Металдық қаптау: анодтық және катодтық.

Металдарды оксидтендіру

Кейбір металдар өте жұқа, эластиктік, тесіктері жоқ жақсы адгезиямен лак пленкасы секілді жақсы жабысқыш қабат түзеді. Осы қабат металды бұзылудан сақтайды, себебі ол металдың бетіне оттегінің келуін азайтып тоқтатады.

Мұндай металдар коррозияға өте тұрақты:

Zn – ZnO, Cr – Cr₂O₃, Al – Al₂O₃, Ti – TiO₂ және т.б.

Протекторлық қорғау

Бұл әдіс коррозиядан қорғайтын конструкция электролит ортамен немесе теңіз, жер қыртысы суымен байланысты болғанда қолданылады. Ол үшін протектор ретінде теріс потенциалы жоғарылау, яғни активтілеу металл протектор қолданылады. Ол конструкцияны коррозиядан сақтайды да, өзі бірінші бұзылады.

Ингибиторлар коррозияны жүз немесе мың есеге дейін азайтады.

1. Алюминий кай катионды оның тұз ерітіндісінен ығыстырады

А) К⁺;

В) Cu²⁺;

С) Li⁺;

D) Ba²⁺;

Е) Mg²⁺.

2. Болатын реакцияны көрсетіңіз.

А) Сu+HCl®…

В) Cu+AgNO₃®…

С) Au+K₂SO₄®…

D) Ag+H₂O®…

Е) Al+BaCl₂®…

$$$ 36

Қай тұз ерітіндісі электролизденгенде анодта оттек (О₂) бөлініп шығады.

А) CuCl₂;

В) NaI;

С) NaBr;

D) KCl;

Е) K₂SO₄.

$$$ 148

Қай элементтiң металдық қасиетi күштiрек?

А) Zn; j⁰=-0,76 B;

В) Al; j⁰=-1,67 B;

С) Na; j⁰=-2,71 B;

D) Sn; j⁰=-0,14 B;

Е) Cu; j⁰=+0,34 B.

$$$ 37

Ток күшi 2,5 А электролит ерiтiндiсi арқылы 30 мин аралығында өткенде, ерiтiндiден 2,77г метал бөлiнедi. Металдың эквиваленттік массасын анықтаңыз.

А) 10,9 г/моль;

В) 0,09 г/моль;

С) 59,4 г/моль;

D) 100 г/моль;

Е) 50 г/моль.

3. Гальваникалық элементтегі электрод потенциалдарының мәндері тең:

j_{тотық-ш}=+0,54 В, j_{тотықсыз-ш}= -0,73 В. Жүйенің ЭҚҚ есептеңіз.

А) 1,27 В;

В) -1,27 В;

С) -0,54 В;

D) +0,73 В;

Е) 0,19 В.

4. Судан сутекті ығыстырып шығаратын металл:

А) Ca;

В) Cu;

С) Ag;

D) Au;

Е) Pt.

1. Қай электродтың стандартты потенциалы нөлге тең деп алынады?

А) мыстікі;

В) оттектікі;

С) сутектікі;

D) каломельдікі;

Е) алтындікі.

2. 1 сағ бойы AlCl₃ балқымасынан 10,0 А ток жiбергенде бөлiнетiн алюминийдiң массасы:

А) 60г;

В) 0,9г;

С) 7,5г;

D) 1,23г;

Е) 3,36г.

2. 0,01М ZnSO₄ тұзы ерiтiндiсiндегi мырыштың электрод потенциалын есептеңiз.

E⁰(Zn²⁺/Zn)=-0,76B.

А) +0,10;

В) -0,10;

С) -0,82;

D) +0,82;

Е) 0.

$$$ 46

Электролиз кезiнде 1 сағ. бойы катодта массасы 5,62 г кадмий бөлiндi, ал ток 5,36 А тең болды. Кадмийдiң ток бойынша шығымы қандай.

А) 100%;

В) 30%;

С) 40%;

D) 50%;

Е) 70%.

$$$47

Гальваникалық элементтiң ЭҚК-ң өлшем бiрлiгi?

А) кулон;

В) градус Кельвин;

С) калорий;

D) ампер;

Е) вольт.

$$$ 48

Орынбасу реакциясының қайсы жүредi?

А) Zn+AlCl₃®

В) Cu+Ni(NO₃)₂®

С) Ag+Pb(NO₃)₂® 

D) Zn+FeCl₂®

Е) Cu+MgCl₂®

3. Zn⁰/Zn²⁺//Mg²⁺/Mg гальваникалық элементтiң электр қозғаушы күшi неге тең, егер ⁰(Zn/Zn²⁺)=-0,760B; ⁰(Mg/Mg²⁺)=-2,370B:

А) 2,43;

В) 1,607;

С) 1,405;

D) 1,610;

Е) 2,401.

$$$ 33

Мыс сульфатына батырылған темiр пластинкада 1,5 г мыс бөлiндi. Темiр пластинканың қанша грамы ерiдi? А_Fe=55,84 г/моль, А_Cu=63,54 г/моль.

А) 1,32 г;

В) 2,64 г;

С) 3,96 г;

D) 7,2 г;

Е) 10 г.

4. Фарадейдің біріктірілген заңы бойынша электролиз кезiнде зат массасы қандай формуламен анықталынады?

А) m=V/;

В) ;

С) m=PMV/RT;

D) m=rV;

Е) m=M(X)n(X).

5. AuCl₃ ерiтiндiсiн 30 минут бойы электролиздегенде катодта 0,5 г Au бөлiну үшiн қажеттi ток күшiн анықтаңыз.

А) 0,1А;

В) 0,2А;

С) 0,4А;

D) 0,6А;

Е) 1,0А.

6. AgNO₃ ерiтiндiсiнен массасы 108 г күмiстi 6 мин iшiнде бөлiп алу үшiн кандай ток күшiн жұмсау керек?

А) 670А;

В) 268А;

С) 123А;

D) 78А;

Е) 90А.

$$$ 39

Коррозияға ұшырамайтын металл?

А) Na;

В) Fe;

С) Mg;

D) Mn;

Е) Au.

$$$ 40

Магний мен мыс пластинкалары, өздерiнiң сәйкес тұздарының ерiтiндiлерiне батырылып, егер [Mg²⁺]=[Cu²⁺]=0,01моль/л, E⁰(Mg²⁺/Mg)=-2,34B; E⁰(Cu²⁺/Cu)=+0,34 B болса, онда осы гальваникалық элементтiң ЭҚК қандай болады?

А) +3,0 В;

В) -2,0 В;

С) +2,0 В;

D) -2,68 В;

Е) +2,68 В.

$$$ 41

CuSO₄ ерітіндісі электролизденгенде электродтарда (катод және анодта) қандай заттар бөлініп шығады:

А) Cu және SO₂;

В) Cu және O₂;

С) H₂ және SO₂;

D) H₂ және O₂;

Е) Cu және H₂.

$$$ 42

Қандай тұздың сулы ерiтiндiсiн электролиздегенде катодта тек металл бөлiнедi?

А) SnCl₂;

В) KCl;

С) Hg(NO₃)₂;

D) Ba(CH₃COO)₂;

Е) FeSO₄.

$$$ 43

Кадмийдің эквивалентті массасы қаншаға тең, егер оның тұз ерітіндісінен 1 г кадмийді бөлу үшін осы ерітіндіден 1717 Кл электртоғын откізу керек болса

А) 123г/моль;

В) 234,5г/моль;

С) 56,2г/моль;

D) 26,5г/моль;

Е) 0,98г/моль.

7. Мырышты-күмiстi гальваникалық элементтiң стандартты Э.Қ.К. (В) есептеңiз.

⁰(Zn²⁺/Zn)=-0,76B, ⁰(Ag⁺/Ag)=+0,80B.

А) +1,56;

В) -1,56;

С) +0,04;

D) -0,04;

Е) 0.

8. Ерітіндідегі күміс нитратының массасы қандай болды, егер оған ВаСI₂ қосқанда массасы 0,287 г AgCI тұнба түзілсе.

А) 0,340г;

В) 1,0г;

С) 20,9г;

D) 789г;

Е) 0,987г.

9. Mg(NO₃)₂ тұзы ерiтiндiсi электролизiнде анодта бөлiнетiн затты көрсетiңiз.

А) Mg;

В) O₂;

С) H₂;

D) NO;

Е) NO₂.