Elektroliz qanday jarayon

Elektroliz — elektrodlarda erigan moddalarning tarkibiy qismlari yoki ikkilamchi elektrokimyoviy reaksiyalar mahsulotlari ajralib chiqishi bilan kechadigan fizik-kimyoviy jarayondir. Bunda elektr toki eritma yoki suyuqlanma orqali o‘tkaziladi. Bunday muhit — elektrolit.

Elektroliz metall buyumlarni oltin bilan zarhallash yoki ularning yuzasini mis va oltin bilan qoplashning eng yaxshi usullaridan biridir.

O‘tkazuvchan suyuqliklarda ionlarning tartibli harakati elektr maydonida yuz beradi. Bu maydonni elektrodlar — elektr energiyasi manbaining qutblariga ulangan o‘tkazgichlar hosil qiladi. Katod deb elektroliz jarayonidagi manfiy elektrodga, anod deb esa musbat elektrodga aytiladi. Musbat ionlar — kationlar (jumladan metall ionlari, vodorod ionlari, ammoniy ionlari va boshqalar) — katodga, manfiy ionlar — anionlar (kislota qoldiqlari va gidroksid guruhi ionlari) — anodga tomon harakatlanadi.

Elektroliz vaqtida elektrodlarda sodir bo‘ladigan reaksiyalar ikkilamchi reaksiyalar deyiladi. Birlamchi reaksiyalar esa elektrolitdagi dissotsiatsiya reaksiyalaridir. Reaksiyalarni birlamchi va ikkilamchi turlarga ajratish Faradeyga elektroliz qonunlarini aniqlashda yordam berdi.

Kimyoviy nuqtayi nazardan, elektroliz — elektrolit eritmasidan doimiy elektr toki o‘tganda elektrodlarda sodir bo‘ladigan oksidlanish-qaytarilish jarayonidir.

Qo‘llanilishi

Elektroliz zamonaviy sanoatda keng qo‘llaniladi. Xususan, u alyuminiy, mis, vodorod, marganes dioksidi va vodorod peroksidini sanoat miqyosida olish usullaridan biridir. Ko‘plab metallar rudalardan elektroliz yordamida ajratib olinadi va qayta ishlanadi (elektroekstraksiya, elektrorafinatsiya). Shuningdek, ishlashi elektroliz jarayoniga asoslangan qurilma — kimyoviy tok manbai.

Elektroliz oqova suvlarni tozalashda ham qo‘llaniladi (elektrokoagulyatsiya, elektroekstraksiya va elektroflotatsiya jarayonlari).

Elektroliz quyidagi maqsadlarda qo‘llaniladi: ko‘plab moddalarni (metallar, vodorod, xlor va boshqalarni) olish; metall qoplamalar hosil qilish (galvanostegiya); buyumlar shaklini nusxalash (galvanoplastika).

Faradeyning birinchi qonuni

Aynan 1832-yilda Maykl Faradey elektrodda ajralib chiqqan moddaning $m$ massasi elektrolit orqali o‘tgan $q$ elektr zaryadiga to‘g‘ri proporsional ekanini aniqladi:

$m = k \cdot q .$

Agar elektrolitdan $t$ vaqt davomida doimiy tok (tok kuchi $I$ ) o‘tkazilsa, u holda

$m = k \cdot I \cdot t .$

Proporsionallik koeffitsiyenti $k$ moddaning elektrokimyoviy ekvivalenti deb ataladi. Uning son qiymati elektrolit orqali birlik elektr zaryadi o‘tganda ajralib chiqadigan modda massasiga teng bo‘lib, moddaning kimyoviy tabiatiga bog‘liq.

Faradey qonunini keltirib chiqarish

m = m_{i} N_{i}

(1)

m_{i} = \frac{M}{N_{a}}

(2)

N_{i} = \frac{Δ q}{q_{i}}

(3)

Δ q = I Δ t

(4)

q_{i} = e z

, (5)

bu yerda z — valentlik: atomning (ionning) moddaga tegishli valentlik soni,

e — elektron zaryadi

(2)–(5) ifodalarni (1) ga qo‘ysak, quyidagini olamiz

m = \frac{M}{z e N_{A}} I Δ t

m = \frac{M}{z F} I Δ t

,

bu yerda $F = e N_{A}$ — Faradey doimiysi.

k = \frac{M}{F z}

m = k I Δ t

Faradeyning ikkinchi qonuni

Turli moddalarning elektrokimyoviy ekvivalentlari ularning molyar massalariga to‘g‘ri, kimyoviy valentliklarini ifodalovchi sonlarga esa teskari proporsionaldir.

Kimyoviy ekvivalent ion uchun molyar massa ( $A$ )ning shu ionning valentlik soni ( $z$ )ga nisbati sifatida aniqlanadi. Shuning uchun elektrokimyoviy ekvivalent

k = \frac{1}{F} \cdot \frac{A}{z}

,

bu yerda $F$ — Faradey doimiysi.

Faradeyning ikkinchi qonuni quyidagicha yoziladi:

m = \frac{M \cdot I \cdot Δ t}{n \cdot F}

,

bu yerda

M

— molyar massa (elektroliz natijasida hosil bo‘lgan, ammo albatta ajralib chiqishi shart bo‘lmagan, chunki hosil bo‘lgach darhol boshqa reaksiyaga kirishishi ham mumkin bo‘lgan moddaniki), g/mol

I

— tok kuchi, ya’ni modda yoki moddalar aralashmasidan (eritma, suyuqlanma), А

Δ t

— elektroliz davom etgan vaqt, s

F

— Faradey doimiysi, Kl·mol⁻¹

n

— jarayonda qatnashadigan elektronlar soni. Tok kuchi yetarlicha katta bo‘lganda, bu son elektrolizda bevosita qatnashgan (oksidlangan yoki qaytarilgan) ionning (hamda unga qarama-qarshi ionning) elektr zaryadi moduliga teng bo‘ladi

Biroq bu har doim ham shunday emas. Masalan, mis(II) tuzi eritmasi elektroliz qilinganda nafaqat erkin mis, balki mis(I) ionlari ham hosil bo‘lishi mumkin (tok kuchi kichik bo‘lganda).

Elektroliz natijasida moddalarning o‘zgarishi

Elektr toki o‘tkazilganda barcha moddalar ham elektrolizga uchramaydi. Bunda muayyan qonuniyat va qoidalar mavjud.

Kationlar (faol metallar)	Kationlar (faolligi pastroq metallar)	Kationlar (nofaol metallar)
Li⁺, Cs⁺, Rb⁺, K⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Be²⁺, Al³⁺	Mn²⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Ga³⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, In³⁺, Tl⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Mo⁴⁺, Sn²⁺, Pb²⁺	Bi³⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Pd³⁺, Pt²⁺, Au³⁺
Qiyin razryadlanadi (faqat suyuqlanmalarda); suvli eritmada esa suv elektrolizga uchrab, vodorod ajralib chiqadi	Suvli eritmada metall qaytariladi (eritmada kationlar konsentratsiyasi kichik bo‘lsa, metall bilan birga vodorod ham ajraladi)	Oson razryadlanadi va faqat metall qaytariladi

Anionlar (kislorodli kislotalar anionlari va ftorid-ion)	Gidroksid-ionlar; anionlar — kislorodsiz kislotalar anionlari (istisno: F⁻)
PO₄³⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻, NO₂⁻, ClO₄⁻, F⁻	OH⁻, Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻
Qiyin razryadlanadi (faqat suyuqlanmalarda); suvli eritmada esa suv elektrolizga uchrab, kislorod ajralib chiqadi	Oson razryadlanadi

Misollar

Suyuqlanmalar

Faol, faolligi pastroq va nofaol metallar suyuqlanmalarda bir xil xususiyat namoyon qiladi.

Faol metall va kislorodsiz kislotadan hosil bo‘lgan tuz	Faol metall va kislorodli kislotadan hosil bo‘lgan tuz	Gidroksid: faol metall va gidroksid-ion
$N a C l ⟷ N a^{+} + C l^{-}$ K(-): $N a^{+} + e^{-} = N a^{0}$ A(+): $C l^{-} - e^{-} ⟶ C l^{0} ⟶ C l_{2}$ Natija: $2 N a C l ⟶ 2 N a + C l_{2} ↑$	$N a_{2} S O_{4} ⟷ 2 N a^{+} + S O_{4}^{2 -}$ K(-): $2 N a^{+} + 2 e^{-} = 2 N a^{0}$ A(+): $2 S O_{4}^{2 -} - 4 e^{-} = 2 S O_{3} + O_{2}$ Natija: $2 N a_{2} S O_{4} ⟶ 4 N a + 2 S O_{3} ↑ + O_{2} ↑$	$N a O H ⟷ N a^{+} + O H^{-}$ K(-): $N a^{+} + e^{-} = N a^{0}$ A(+): $4 O H^{-} - 4 e^{-} = 2 H_{2} O + O_{2}$ Natija: $4 N a O H ⟶ 4 N a + 2 H_{2} O + O_{2} ↑$

Eritmalar

Faol metallar

Faol metall va kislorodsiz kislotadan hosil bo‘lgan tuz	Faol metall va kislorodli kislota qoldig‘idan hosil bo‘lgan tuz	Gidroksid: faol metall va gidroksid-ion
$N a C l ⟷ N a^{+} + C l^{-}$ K(-): $2 H_{2} O + 2 e^{-} = H_{2} + 2 O H^{-}$ A(+): $2 C l^{-} - 2 e^{-} = C l_{2}$ Natija: $2 N a C l + 2 H_{2} O ⟶ H_{2} ↑ + C l_{2} ↑ + 2 N a O H$	$N a_{2} S O_{4} ⟷ 2 N a^{+} + S O_{4}^{2 -}$ K(-): $2 H_{2} O + 2 e^{-} = H_{2} ↑ + 2 O H^{-}$ A(+): $2 H_{2} O - 4 e^{-} = O_{2} ↑ + 4 H^{+}$ Natija: $2 H_{2} O ⟶ 2 H_{2} ↑ + O_{2} ↑$	$N a O H ⟷ N a^{+} + O H^{-}$ K(-): $2 H_{2} O + 2 e^{-} = H_{2} ↑ + 2 O H^{-}$ A(+): $4 O H^{-} - 4 e^{-} = O_{2} ↑ + 2 H_{2} O$ Jami: $4 H_{2} O + 4 e^{-} + 4 O H^{-} = 2 H_{2} ↑ + 4 O H^{-} + 4 e^{-} + O_{2} ↑ + 2 H_{2} O$ Natija: $2 H_{2} O ⟶ 2 H_{2} ↑ + O_{2} ↑$

Faolligi pastroq va nofaol metallar

Faolligi pastroq metall va kislorodsiz kislotadan hosil bo‘lgan tuz	Faolligi pastroq metall va kislorodli kislotadan hosil bo‘lgan tuz	Gidroksid
$Z n C l_{2} ⟷ Z n^{2 +} + 2 C l^{-}$ K(-): $Z n^{2 +} + 2 e^{-} = Z n^{0}$ A(+): $2 C l^{-} - 2 e^{-} = 2 C l^{0}$ Natija: $Z n C l_{2} ⟶ Z n + C l_{2} ↑$	$Z n S O_{4} ⟷ Z n^{2 +} + S O_{4}^{2 -}$ K(-): $Z n^{2 +} + 2 e^{-} = Z n^{0}$ A(+): $2 H_{2} O - 4 e^{-} = O_{2} ↑ + 4 H^{+}$ Natija: $2 Z n S O_{4} + 2 H_{2} O ⟶ 2 Z n + 2 H_{2} S O_{4} + O_{2}$	Mumkin emas: nofaol metallarning gidroksidlari suvda erimaydi

Eslab qolish qoidasi

Elektrokimyoda katod va anodda sodir bo‘ladigan jarayonlarni eslab qolish uchun quyidagi mnemonik qoida mavjud:

Anodda anionlar oksidlanadi.
Katodda kationlar qaytariladi.

Birinchi qatordagi barcha so‘zlar unli harf bilan, ikkinchi qatordagilar esa undosh harf bilan boshlanadi.

Yoki yanada sodda qilib:

KATod — KATionlar (katod yonidagi ionlar, katod jarayoni)
ANod — ANionlar (anod yonidagi ionlar, anod jarayoni)

Gazlarda elektroliz

Gazlarda ionizator mavjud bo‘lganda elektroliz — ular orqali doimiy elektr toki o‘tkazilishi natijasida elektrodlarda moddalarning ajralib chiqishidir. Gazlarda Faradey qonunlari amal qilmaydi, biroq ayrim qonuniyatlar mavjud:

ionizator bo‘lmasa, hatto yuqori kuchlanishda ham elektroliz sodir bo‘lmaydi;
faqat gazsimon holatdagi kislorodsiz kislotalar va ayrim gazlar elektrolizga uchraydi;
elektrolitlarda ham, gazlarda ham elektroliz tenglamalari o‘zgarmas bo‘lib qoladi.

ifazo.uz