Fizikaviy kimyo fanidan laboratoriya mashg`ulotlari uchun

Ishdan kuzatiladigan maqsad: 1.galvanik elementning electron yurutuvchi kuchini o‘lchash.

2. elektrodning normal potensialini topish.

3. xingidron chokmasi

Ish uchun kerak jihozlar: Akkumuliyator reaxord , galvanometr kadmiyli normal element bir qutbli perekluchatr ikki qutbli perekluchatr kalomel elektrod mis elektrod , vadarod elektrod, mis simlar kristallik xingidron eritmalar: 0.1 n va 0.01 n mis (II) sulfat 0.1 N 0.1N rux sulfat kaliy xloridning to‘yingan eritmasi
Nazariy qism.

Kimyoviy reaksiya natijasida elektr energiyasi hosil bo‘ladigan asbob galvanik element deb ataladi; bunday asbobda kimyoviy energiya elektr energiyasiga aylanadi.

Galvanik element o‘zaro tegib turadigan ikkita yoki bir qancha elektrolit eritmalardan iborat bo‘lib, ularga metal plastinkalar- elektrodlar tushirilgan bo‘ladi, bunda elektrodlar bir-biriga sim bilan tutashtiriladi.

Mis-Rux galvanik elementi bunga misol bo‘la oladi,bu element sxema tarzida quydagicha yozilishi mumkin:

Cu /CuSO₄ /ZnSO₄ /Cu
Bu elementda elektr energiyasi:
Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

yoki

Zn + Cu⁺⁺- Zn⁺⁺ +Cu
Kimyoviy reaksiya hisobiga hosil bo‘ladi.

Kuchsiz elektrolit eritmalarida to‘la elektrolitik dissotsilanish yuz bermaydi, ya’ni bunda erigan modda molekulalarining faqat bir qismi ionlarga ajraladi. Shunday eritmalar olinganda ionlar konsentratsiyasi ustida so‘z borishi mumkin. Kuchli elektrolit eritmalari, hatto juda konsentrlangan bo‘lsa ham, erigan moddaning barcha molekulalari to‘la elektrolitik dissotsilanishi mumkin, ammo bunda hosil bo‘lgan ionlar o‘zaro elektrolitik tasir etadi. Shu ionlarni o‘zaro kuchlari kuchli elektrolit eritmalarning ideal eritmalarning qonunidan chetga chiqishiga sabab bo‘ladi. Ideal eritmalar qonunlarini kuchli elektrolit eritmalariga tatbiq etish uchun formulalarda umumiy konsentratsiyalar qiymati o‘rniga aktivlik qiymati qo‘yiladi.

a=ƒC

bunda a - aktivlik

ƒ – aktivlik koeffisenti

c – erigan modda konsentratsiyasi.

Galvanik elementda o‘ziga hos elektr yurituvchi kuch (E. Yu. K.) paydo bo‘ladi; uning elektr yurituvchi kuchi elektrolitga tushirilgan metallar tabiatiga, elektrolit konsentratsiyasiga va temperaturaga bog‘liq. Elekt yurituvchi kuch metal bilan elektrolit chegarasida hosil bo‘ladigan potentsiallar farqiga baravardir.

Galvanik elementda elektr yurituvchi kuch paydo bo‘lishi quydagicha tushuntiriladi.

Metall plastinka suvga botirilsa, shu metallning sirtqi qavatida joylashgan metall atomlari suvning juda kuchli qutublangan molekulalari tasirida gidratlanadi. Gidratlanish natijasida metallning shu atomlari bilan qolgan atomlari orasidagi bog‘ bo‘shashadi va atomlardan bir qanchasi metalldan uzilib chiqib, suyqlikning metall sirtiga yaqin qavatiga o‘tadi, bunday atomlar gidratlangan ionlar tarzida bo‘ladi; bunda metall plastinka manfiy zaryadlanadi:
M + H₂O= M⁺ · H₂O + e
Bunda M – metall atomlari;

M⁺ · H₂O – metallning gidratlangan ioni;

e – elektron.

eritmaga o‘tgan musbat zaryadli metall ionlari bilan manfiy zaryadli metal plastinka orasida elektrolitik tortishish vujudga keladi, bu hodisa protsess yana davom etishga to‘sqinlik qiladi. Ammo bunda protsess to‘xtab qolmaydi, ya’ni metall ionlari suyuqlikka o‘taveradi, lekin bu vaqtda huddi shunday tezlikda teskari protsess ham boradi, bunda ionlar eritmadan metall yuzasiga o‘tadi. Sistemada harakatchan muvozanat qaror topadi. Bunda metal eritmaga tegib turgan chegarada qo‘sh elektr qavati hosil bo‘ladi ( 15 – rasm ). Metall bilan suv orasida potensiallar farqi vujudga keladi. Metall suyuqlikka tegib turgan yuzada (chegarada) hosil bo‘ladigan potensiallar farqi elektrod potensiali deb ataladi. Metallarning eritmaga ion holida o‘tish qobilyati turlicha bo‘ladi, bu hol shu metallning tuzilishiga va uning atomlari orasidagi bog‘lar qanchalik mustahkamligiga bog‘liq.

Har qaysi metall o‘ziga xos potentsiallar muvozanati farqiga va eritmada ionlar konsentratsiyasi muvozanatiga ega.

Metall shu metall tuzining suvdagi eritmasiga botirilsa ham metall atomlari ion tarzida eritmaga o‘tadi. Metall suvga botirilgandagi singari , bunda ham metall atomlarining bir qismi metall sirtiga tegib turgan eritma qavatiga ion holida o‘tadi. Shu bilan bir vaqitda kinetik energiyasi ancha katta bo‘lgan ionlar eritmadan metall sirtiga o‘tadi. Bunda quydagi hodisalar yuz berishi mumkin.

Ionlarning eritmaga o‘tish tezligi shu ionlarning razryatlanish va metall sirtiga o‘tirish tezligidan katta bo‘lishi mumkin. Bu holda metall sirtida qolgan elektronlar ortiqcha bo‘lgani uchun metall sirti manfiy zaryadlanadi.

Atomlarning eritmaga o‘tish qobilyati juda kuchsiz bo‘gan metall ionlarining eritmadan metallga o‘tish tezligi metall atomlarining eritmaga o‘tish tezligidan katta bo‘ladi. Bunda metall sirti musbat zaryadlanadi, metall sirtiga tegib turgan eritma esa ortiqcha ionlar hisobiga manfiy zaryadlanadi.

Va, nihoyat, shunday hodisa bo‘lishi ham mumkinki, bunda to‘g‘ri protsess (ionlarning eritmaga o‘tish) tezligi va teskari protsess (ionlarning metallga o‘tirish) tezligi o‘zaro teng bo‘lib qoladi. Bu holda potensiallar farqi nolga teng bo‘ladi.

Zaryadlangan metall eritmaning shu metallga yaqin joyda hosil qilgan elektr ta’sirida ionlar suyuqlikda bir tekisda tarqalmaydi. Agar metall manfiy zaryadlangan bo‘lsa, shu vaqtda tarqalgan kationlar metallda tortiladi va kationning metallni o‘rab turgan suyuqlik qavatidagi konsentratsiyasi kamayadi, bunda suyuqlikning metall tegib turgan qavatida kationlar konsentratsiyasi juda kam bo‘ladi.

Yakobi galvanik elementni ko‘rib chiqaylik, bunda rux plastinka bilan mis plastinka o‘z tuzi eritmalariga tushirilgan, eritmalar esa bir-biridan diafragma bilan ajratib qo‘yilgan.

Rux o‘z tuzi eritmalarida yaxshi eriydi, ya’ni o‘z atomlarini eritmaga misdan ko‘ra osonroq beradi, shu sababli rux manfiy zaryadlanadi. Rux sirtida ortiqcha elektronlar bo‘ladi. Erish tezligi kichik bo‘lgan mis shu vaqtda musbat zaryadlanadi, chunki mis ionlari eritmadan mis sirtiga o‘tish tezligi mis atomlari plastinkadan eritmaga o‘tish tezligiga qaraganda ancha katta. Buning natijasida plastinka sirtida elektronlar tanqisligi vujudga keladi, ya’ni plastinka musbat zaryadlanib qoladi (15-rasmga qarang)
Agar bu plastinkalar o‘tkazgich (masalan, mis sim) bilan birlashtirilsa, rux sirtidagi elektronlarning ortiqcha qismi mis plastinkaga o‘tadi. Bu hodisa natijasida rux plastinkaning zaryadi kamayadi va qo‘sh elektr qavatdagi muvozanat buziladi. Qo‘sh qavat muvozanatini qaytadan hosil qilish uchun ma’lum miqdor rux plastinkadan eritmaga o‘tadi. Ortiqcha elektronlar rux plastinkadan mis plastinkaga o‘tishida mis plastinkaning musbat zaryadi kamayadi. Qo‘sh elektr qavatida muvozanatni saqlab qolish uchun musbat ionlarning bir qismi eritmadan ajratib, mis plastinkaga o‘tiradi.

Shunday qilib, elektronlar rux plastinkadan mis plastinkaga o‘tishida har ikkala plastinka zaryadlari orasidagi potetsiallar farqi yana vujudga keladi. Natijada o‘z-o‘zidan davom etadigan protses vujudga keladi, bunda rux plastinkas eriydi, mis plastinkadan musbat zaryadlangan mis ionlari ajralib chiqadi va ular razyadlanadi. Elektronlarning o‘tkazgich bo‘ylab bir tomonga qarab oqishi elektr tokidan iborat bo‘lib, uni tegishli asboblar yordamida o‘lchash mumkin.

Elektronlar shu tariqa qaytar sharoitda ishlanganda ular orasidagi potentsiallar farqi hisobiga vujudga keladigan elektr toki elementning elektr yurituvchi kuchi deb ataladi.

Metall bilan shu metall tuzi eritmasi, ya’ni ichida shu metall ioni bo‘ladigan eritma chegarasida vujudga keladigan elektrod potentsialining qiymati nazariy hisoblashlar asosida aniqlangan, u:

ga teng bo‘ladi, bunda

E₀ – ma’lum temperaturada shu metall va eritmaga xos konstanta;

R – gaz konstantasi, u 8,32 j/grad mol ga teng;

T – absolyut temperatura, ⁰ K;

n – metallning shu birikmadagi valentligi, ya’ni metall atomi ionga aylanganda yoqotadigan elektronlar soni;

F – Faradey soni, u 96500 kulonga teng;

C –metall ionlarining berilgan eritmada konsentratsiyasi.
Bu tenglama metall potensiali shu metall ionlarining eritmadagi konsentratsiyasiga qanday bog‘liq ekanini ifoda etadi va elektrod potensiali tenglamasi deb ataladi, bu tenglama Nernst tenglamasi nomi bilan ma’lum.

Bu tenglamaga son qiymatlarini qo‘yish va tenglamani o‘ng tomoniga ko‘paytiruvchi 2,303 kiritish yo‘li bilan natural lagorifimdan o‘nlik logorifmga o‘tib, 20⁰C temperatura uchun quydagi tenglama hosil qilinadi:

Konsentratsiya c 1 ga teng bo‘lganda tenglamaning o‘ng tomonidagi ikkinchi qo‘shiluvchi nolga teng, u holda:

E=E₀

bo‘ladi .

Shunday qilib, 1 litrda 1g – ion bir ismli kationlar bo‘ladigan eritmaga tushirilgan metall potensiali doimiy bo‘lib, shu metall uchun harakterli qiymatdir.

Bu qiymat normal ya’ni standart potentsial deb ataladi. Bu holda metall hamda ichida shu metall ioni bo‘ladigan eritma chegarasida vujudga keladigan potentsialni potentsial sakrashi deb yuritish qabul qilingan.

elektrod potentsialini bevosita o‘lchab bo‘lmaydi, ammo uni boshqa elektrodga, ya’ni etanolga qabul qilingan potentsialga nisbatan o‘lchash mumkin. Har xil metallar potentsiallarining (umuman potentsiallarni) o‘lchash uchun etanol elektrod sifatida vodorod elektroddan foydalanish shart qilib olingan. Vodorod elektrod kislota eritmasiga botirilgan platinalangan platina elektroddan iborat bo‘lib,uning ustidan gaz holatidagi vodorod berib turiladi. Vodorod platina sirtiga adsorbilanadi; shu sababli, vodorod ionlari bor eritmaga botirilgan vodorod elektrod hosil bo‘ladi. Vodorod elektrod shartli ravishda H₂/2H⁺ shaklda yoziladi.

Agar vodorod bosimi 1 atmosferaga teng, kislota eritmasining 1 litrida 1 gram – ion vodorod* bo‘lsa, bunday elektrod normal vodorod elektrod deb ataladi. Bu elektrod potentsialning qiymati shartli ravishda nolga teng deb qabul qilinadi. Agar elektrodlardan bittasi 1litrida 1 gramm-ion bir ismli kationlar bo‘ladigan eritmaga botirilgan biror metalldan, ikkinchisi esa normal vodorod elektroddan iborat bo‘lsa, bunday galvanik element yordamida shu metallning nisbiy normal

potentsialni o‘lchash mumkin.

Agar metall vodorodga nisbatan qaytaruvchi bo‘lsa, elektrod potentsiallar qiymati minus ( - ) ishora bilan, oksidlovchi bo‘lsa, plyus ( + ) ishora bilan ifodalaniladi. ( Ilovadagi 2-jadvalga qarang.)

Istalgan bir juft elektroddan tuzilgan galvanik elementning elektr yurituvchi kuchi elektroddan potentsiali farqiga qarab hisoblanib chiqarilishi mumkin, bunda ikki eritma chegarasida vujudga keladigan potentsial nazarga olinmaydi (bu diffusion potentsial deb ataladi); odatda diffusion potentsiali qiymat jihatidan olinganda elektrod potentsialidan ancha kichik bo‘ladi.

elektr yurituvchi kuchni musbat qiymat bilan ifodalash qabul qilingan. Masalan , mis –ruh galvanik elementida

Cu CuSO₄ ZnSO₄ Zn
Rux – manfiy elektrod, mis esa musbat elektroddir. Rux elektrodning normal potentsiali 25⁰ da -0,76 v gat eng. Mis elektrodining normal potentsiali 25⁰ da +0,34 v gat eng. Rux – mis galvanik elementining e. yu. k.
+0,34 – ( -0,76 ) = + 1,10 v gat eng.
Potentsial eritmadagi tuz ionlari konsentratsiyasiga bogliq ekanligi formula (2) bilan ifodalangan.

Galvanik elementlar faqat rux, mis metallaridan ham bo‘lishi mumkin. Turli darajada eriydigan ikki metall shu metall ionlari bo‘ladigan eritmaga botirilsa va har ikki metall bir-biri bilan tutashtirilsa ham galvanic element hosil bo‘lib, ular orasida potentsiallar farqi vujudga keladi. Bir xil metalldan yasalgan elektrodlar birlashtirilishi ham mumkin, ammo bunda elektrodlar ionlari konsentratsiyasi c₁ va c₂ har xil bo‘lgan eritmalarga botirilgan bo‘lishi kerak (16-rasm), bu erda c₂ > c₁ bo‘ladi.

Bu holda zanjirning elektr yurituvchi kuchi:

ga teng bo‘ladi.

Bunday element kontsentratsion galvanik element (zanjir) deb ataladi. Eritmalardan biridagi ionlar konsentratsiyasi ma’lum bo‘lsa, galvanic elementning elektr yurituvchi kuchini o‘lchab, shu ionlarning ikkinchi eritmadagi konsentratsiyasini topish metodlaridan biri shunga asoslangan.

Galvanik elementning elektrodlari orasidagi potentsiallar farqini yoki shu elementning elektr yurituvchi kuchini (e. yu. k.ni) o‘lchash uchun kompensatsion yoki tenglash metodidan foydalaniladi. Bu metod mohiyati 17-rasmda keltirilgan sxemadan ko‘rinib turibdi. Akkumulyator (1)ning qutublariga ulangan simlar reaxord uchlari A va B bilan tutashtirilgan reaxord simining uzunligi odatda 1000 mm ga teng bo‘ladi. Kontak (2) simda u yoq-bu yoqqa surib turiladi; kontakt normal element (3) ning manfiy qutubiga birlashtirilgan.

Normal elementning musbat qutbi bilan akkumlyatorning musbat qutbi similar yordamida reoxordning A uchiga ulangan. A va B nuqtalari orasidagi potensial simning hamma joyiga bir tekisda ta`sir etadi.

Vestonning kadmiyli normal elementi ikkita probirkadan yasalgan shisha idish bo`lib, ular o`rtasidan shisha nay bilan bir-biriga tutashtirilgan. Har qaysi probirka tubiga elektr toki o`tishi uchun platina similar kavsharlangan.

Probirkalardan birining tubiga toza simob (1) quyilgan, bu 12,5% kadmiy bo`ladigan kadmiy amalgamasi (3) quyilgan, bu manfiy qutb hisoblanadi. Musbat simob qutbi simob (1)-sulfat Hg<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> kristallaridan tayyorlangan pasta (2) bilan qoplangan. Probirkaning qolgan qismi to`yingan kadmiy sulfat CdSO₄ . 3H₂O eritmasi bilan to`latilgan, bunda tuz kristallari eritmada muallaq suzib yuradi Har ikkala probirka kavsharlanib, germrtik bekitilgan. Normal kadmiy elementining elektr yurituvchi kuchi (En) aniq o`lchangan; bu doimiy qiymat bo`lib, temperature ta`sirida juda kam o`zgaradi: