Organik va fizikaviy kimyo kafedrasi

8-Мавзу. Электролиз. Электролитларни суюқланмасини ва эритмаларини электролиз қилишни мисоллар асосида ўрганиш
Эритмада борадиган электролиз схемасини тузаётганда қуйидаги қоидаларни билиш зарур:
Катод жараёнлари учун:
1. Агар эритмада оксидланиш потенциали водороднинг оксидланиш потенциалидан кичик бўлган катионлар (активлик қаторида Li⁺ дан Al⁺³ гача) бўлса, катодда сув молекулалари қайтарилиб, бу металл ионлари эритмада ўзгармасдан қолади.
2. Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан кичик, лекин Al никидан катта бўлган катионлар (Al⁺³ дан Pb⁺² гача) бўлса, у холда катодда бир вақтнинг ўзида ҳам водород ионлари, ҳам шу металл катиони қайтарилади.
3. Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан Юқори бўлган катион бўлса, катодда аввал шу катион қайтарилади (активлик қаторида бу катионлар Н⁺ - дан кейин турибди).
Анод жараёнлар учун:
1. Агар эритмада кислородсиз кислоталарнинг анионлари; Cl^-, Br^-, J^-, F^- лар билан бирга H₂О - ионлари мавжуд бўлса, анодда аввал кислородсиз кислота анионлари оксидланади.
2. Агар эритмада кислородли кислота анионлари: SO₄^-2, CО₃^-2, PO₄^-3, NO₃^- лар H₂О билан биргаликда келса, у холда анодда H₂O молекулалари оксидланади, чунки бу анионларнинг оксидланиш потенциаллари сув молекуласининг оксидланиш потенциалидан катта.
Энди Юқоридаги қоидаларга амал қилган холда баъзи – бир электролиз жараёнларини кўриб чиқайлик.
М: Ош тузи эритмасининг электролиз схемасини тузинг. Анод ва катодда борадиган оксидланиш - қайтарилиш реакциялари тенгмаласи тузнинг.
Ечиш: Масаланинг шартидан кўриниб турибдики электролиз эритмада бораяпти. Ош тузи (NaCl) малекулалари эритмада диссоциацияланган холда бўлади: NaCl Na⁺ + Cl^-. Бу ионлардан Nа⁺ манфий зарядли электрод - катодга тортилади, Cl^- эса мусбат зарядли электрод - анодга тортилади. Булардан ташқари эритмада сув молекулалари ҳам бўлгани учун улар ҳам электролиз жараёнида қатнашадилар, аниқроғи сувнинг диссоциацияланиши натижасида ҳосил бўладиган Н⁺ ва ОН^- ионлари мос равишда катод ва анодга тортилади. Буни қуйидаги схемада кўриш мумкин:
(-) Катод Na⁺ NaCl Cl^- Анод (+)
H⁺ H₂O OH^-
Схемадан куриняптики катодда Na⁺ ва Н⁺ ионлари қайтарилиши керак. Булардан Na⁺ ионнинг оксидланиш потенциали (E⁰ = -2,71 в) водород ионнинг шартли оксидланиш потенциали (Е⁰ = О в) дан кичик:
E < E
Шунинг учун катодда водород ионлари қайтарилади, эритмада Na⁺ - ионлари қолади: 2Н⁺ + 2е^- Н₂⁰ (тўғрироги: 2Н₂O + 2е^- Н₂⁰ + 2ОН^- сув молекулалари қайтарилади).
Анодда хлор ва Н₂O молекулалари оксидланиши керак. Лекин хлор ионлари кислородсиз кислота қолдиғи бўлганлиги учун анодда Cl ионларининг оксидланиши руй беради:
2Cl^- - 2e^- Cl₂⁰
Демак NaCl тузининг эритмаси электролиз қилинганда катодда Н₂O молекулалари қайтарилади, анодда хлор ионлари оксидланади. Электролиз маҳсулоти сифатида водород ва хлор газлари ҳосил бўлади. Эритмада эса Na⁺ ва OH^- ионлари қолади, эритма кучли ишқорий муҳитга эга бўлади:
2NaCI + 2H₂O H₂ + CI₂ + 2Na⁺ + 2OH^-
Энди қуйидаги масалани кўриб чиқайлик. М: CиCl₂ тузи эритмасининг электролиз схемасини тузинг.
Ечиш: Электролиз қилинаётган туз таркибига кирган катион Юқорида кўриб чиқилган масаладаги туз таркибидаги ионлардан анча қилади. Чунки катион (Си⁺²) оксидланиш потенциали қаторида водороддан кейин туради. Cl^- аниони кислородли кислота қолдиғи. Шунинг учун бу туз эритмасининг электролизи қуйидагича боради.
Эритмада туз диссоцияланади: CиCl₂ Cи⁺² + 2Cl^-
Бу эритмага электродлар туширилиб уларга ток уланса, катодга мис (II) ионлари анодга эса хлор ионлари тортилади. Эритмада сув молекулалари ҳам бўлгани учун электролиз жараёнида улар ҳам иштирок этадилар. Буни схематик кўринишда ёзсак; (16 расм)
(-) Катод Cи⁺² СиCl₂ 2Cl^- Анод(+)
H⁺ H₂O OH^-
Юқоридаги қоидаларга кўра электродларда борадиган оксидланиш қайтарилиш реакция тенгламаларини езамиз. Катодда: Си⁺² + 2е^- Cи⁰ (эритмада H⁺- ионлари қолади. Чунки, E⁰ < E⁰ Анодда: E⁰_Cl-/_CI⁰ <
22-расм. Мис(II) хлорид тузи эритмаси электролизи схемаси.

E⁰_H+/_H2 бўлгани учун хлор ионлари оксидланади, яъни; 2Сl^- -2e^- Cl₂⁰ . Бу электролиз пайтида борадиган оксидланиш-қайтарилиш реакцияларини биргаликда ёзиб, электролизнинг умумий тенгламасини тузамиз:

Сu⁺² +2Cl^- + H₂O Си⁰ + Cl₂⁰+ H₂O
Демак, СuCl₂ тузи эритмаси электролиз қилинса, анодда хлор ионлари оксидланиб хлор гази чиқар экан. Катодда Сu⁺² ионлари қайтарилиб мис метали холида ажралар экан. Эритмада сув молекулалари қолаверади.
Баъзи холларда электролизни электролиз қилинаётган туз таркибига кирган металлардан ясалган электродлар ёрдамида ҳам ўтказилади. Бундай электролизни "эрувчан анод" электролизи дейилади. Бунга қуйидаги электролиз мисол бўлади.
Масала: NiSO₄ эритмасини никель электродлари ёрдамида электролиз қилинди. Шу электролизнинг схемасини тузинг.
Ечиш: эритмада Ni⁺², SO₄^-2 ионлари ва сув молекулалари бор.
Электродларга кучланиш берилганда никелдан ясалган анод эрий бошлайди, янъни никель атомлари оксидланиб эритмага никель ионлари холида ўта бошлайдилар: Ni⁰ - 2e^- Ni⁺²
Эритмадаги никель ионлари катодга тортилиб қайтарила бошлайди:
Ni⁺² + 2e^- Ni⁰
Бунда анод эриб қанча ионларини ҳосил килса, шунча Ni⁺² иони катодда қайтарилиб никель металини ҳосил қилади. Эритилган туз миқдори ва ионлари электролиз пайтида ўзгаришсиз қолади.
Айтилганларни схема кўринишида ёзсак:
(-) Катод: Ni⁺² + 2e^- Ni⁰ .
(+)Анодда: (Ni) Ni⁰ - 2e^- Ni⁺²
Электролизнинг умумий тенгламаси:
Ni⁺² + SO₄^-2 + Ni⁰ Ni⁰ + SO₄^-2 + Ni⁺²
Маълумки, электролиз пайтида электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдорини ҳисоблаш мумкин. Электролиз пайтида ажралиб чиқадиган моддалар миқдорини Фарадей қонунлари асосида олинган формулалар ёрдамида ҳисобланади.
Фарадейнинг биринчи қонунига биноан: электролиз натижасида электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдори эритмадан ўтган электр миқдори (J*t) га тўғри пропорционалдир.
Фарадейнинг иккинчи қонуни қуйидагича таърифланади: электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдори шу модда (ион) ларнинг кимёвий эквивалентига тўғри пропорционалдир. Модда миқдорига тегишли бўлгани учун иккала қонуни умумлаштириб электродларда ажралиб чиқадиган модда миқдорини ҳисоблаш мумкин:
m = I*t*Э/F
Бу ерда: m - ажралиб чиқаётган модда маcсаси, г; кг.
I - ток кучи, А, t - вақт, секунд
F - Фарадей сони = 96500 Кл.
Э - кимёвий эквивалент
Бу формулани газсимон моддалар учун ҳам ёзиш мумкин;
V=I*t V_э/F
Бу ерда: V - ажралиб чиққан газнинг ҳажми, мл; л. V_э - ажралиб чиққан газнинг эквивалент ҳажми. Формулаларда келтирилган I*t кўпайтма эритмадан ўтаётган электр миқдорини ифодалайди ва Q харфи билан белгиланади. Агар 1 Кл электр миқдори электролизердан утса электродларда Е = Э/F миқдор модда ажралиб чиқади. Бунда Е - модданинг электрокимёвий эквиваленти дейилади. Унинг маъноси, эритмадан 1 Кл электр миқдори ўтганда ажралиб чиқадиган моддалар массасидир.
Масала: Рух хлорид эритмасидан 1 соат давомида 0,6 ампер ток кучи ўтганда электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдорини ҳисобланг.
Ечиш: Аввал электролиз схемасини тузамиз;
(-) Катод Zn⁺² ZnCl₂ 2Cl^- Анод(+)
H₂O
Бу туз таркибидаги Zn⁺² катион оксидланиш потенциали қаторида водород билан Al ўртасида жойлашган Е = -0,76 в. Шу сабабли катодда бир вақтда рух ионлари ва водород ионлари (аниқроғи сув молекулалари) кайтиралади. Анодда эса Cl^- ионлари оксидланади:
Катодда: Zn⁺² + 2e^- Zn⁰ ва 2H₂O + 2e^- H₂ + 2OH^-
Анодда: 2Cl^- -2e^- Cl₂⁰
Электролизнинг умумий тенгламаси:
Zn⁺² + 2Cl^- + 2H₂O Zn⁰ + H₂ + Cl₂⁰ + 2OH^-
Демак, катодда рух метали ва водород, анодда эса хлор гази ажралиб чиқади. Рух металининг массасини водород ва хлор газ холида чиққани учун уларнинг ҳажмини ҳисоблаймиз:
г
л

Баъзи холларда электролиз натижасида ажралиб чиқадиган модда миқдори назарий ҳисоблангандан кам бўлади. Буни миқдорий томондан характерлаш учун электролизнинг ток бўйича унуми деган тушунча киритилган. Ток бўйича унум - харфи билан белгиланиб қуйидагича ҳисобланади:

Бунда: m_{тажриба} - тажрибада ажралиб чиққан модда массаси.

m_{назарий} - шу модданинг назарий ҳисобланганда ажралиб чиқиши керак бўлган массаси.