Mavzu: Elekrod jarayonlarning termodinamikasi

Mavzu: Elekrod jarayonlarning termodinamikasi
Reja
1. Elektrokimyoviy jarayonlar
2. Moxiyati
3. Xulosa
4. Foydalanilgan adabiyotlar
Elektrokimyoviy jarayonlar — fizik kimyoning tarkibida ionlari boʻlgan sistemalarni (eritmalar, suyukdanmalar va qattiq elektrolitlar), shuningdek, 2 faza chegarasida zaryadli zarralar (ionlar va elektronlar) ishtirokidagi jarayonlar va hodisalarni oʻrganadigan boʻlimi. Odatda, fazalardan biri metall yoki yarimoʻtkazgich, ikkinchisi esa eritma yoki elektrolit suyuqlanmasi yoxud qattiq elektrolit boʻladi. Aksari hollarda bu 2 fazaning oʻzaro taʼsirida elektr toki hosil boʻladi. Shu sababli E. elektr toki hosil boʻlishi yoki aksincha kimyoviy birikmalarga elektr tokining taʼsiri natijasida kechadigan fizikkimyoviy jarayonlarni oʻrganadigan fan deb hisoblanadi.
Elektr toki va kimyoviy hodisalarning oʻzaro bogʻliqligi borasidagi ilk tadqiqotlar 18-asrning 2-yarmiga taalluqli. Lekin bu tadqiqotlar oʻsha davrda kuchli elektr manbalari boʻlmagani bois tasodifiy tavsifga ega. Bunday manba 18—19-asrlarda L. Galʼvani va A. Volgpa ishlari natijasida paydo boʻldi va shu sababli E.ni ularning nomlari bilan bogʻlaydilar. Keyinchalik galvanik elemenshlar deb nom olgan mukammalroq kimyoviy tok manbalari ishlab chiqildi. Ulardan foydalanib fizika sohasida koʻpgina kashfiyotlar qilindi, elektr va magnetizmning qator asosiy qonunlari ochildi. 19-asrning 60-yillarida dinamomashinalarning kashf etilishi natijasida galvanik elementlar elektr manbalari sifatida oʻz ahamiyatini yoʻqotdi; 20-asrda yarimoʻtkazgichli radiotexnika, mikroelektronika, kosmik texnikaning rivojlanishi bilan ularga boʻlgan yangi qiziqish paydo boʻlgan. Hozirgi vaqtda avtonom kimyoviy tok manbalarining roli yanada ortdi. Galvanik elementdagi elektr yurituvchi kuch (EYUK) mohiyatini tushuntirish uchun energiyaning saqlanish qonuni ochilgandan soʻng V. Nernst ishlarida goʻlatoʻkis ifodalangan kimyoviy nazariya olgʻa surildi. Bu nazariyaga muvofiq, galvanik elementdagi elektr energiyaning manbai metall elektrod va elektrolit eritmalari chegaralarida sodir boʻladigan kimyoviy reaksiyalar energiyasidir. Gibs — Gelmgoltsning termodinamik tenglamasi galvanik element EYUKni reaksiyaning issiqdik effekti va temperatura bilan bogʻlash imkoniyatini, Nernst tenglamasi (1888) esa EYUKning elektrolit konsentratsiyasiga termodinamik bogʻliqligini koʻrsatadi. Keyinchalik Nernst nazariyasi baʼzi hollarda amaliyotga toʻgʻri kelmasligi aniqlandi. 20-asrning 30—40-yillarida A.N.Frumkin Volta va Nernst ishlarini rivojlantirish natijasida galvanik element EYUK paydo boʻlish mexanizmining toʻgʻri yechimini topdi. 19-asr boshlarida elektrolizning ochilishi, suvning vodorod va kislorodga ajralishi (A. Karleyl va U. Nikolson), №ON va KON dan ilk bor metall holdagi natriy va kaliy olinishi (G. Devi, 1807), elektrolizning miqdoriy qonunlari (Faradey qonunlari) aniqlanishi E. rivojlanishiga katta hissa qoʻshdi.
1838-yilda B.S. Yakobining galvanik elementni mukammallashtirish borasidagi ilmiy tadqiqotlari natijasida metall tuzlarini elektrokimyoviy usulda qaytarib katodda sof metall olib galvanotexnikaga asos solindi. Hozirgi vaqtda suv, tuzlarning suvdagi eritmalari va organik moddalarni metall ajratmasdan elektroliz (qarang Elektrosintez) qilishga asoslangan kuchli elektrokimyoviy ishlab chiqarish mavjud. Organik moddalarni elekgrosintez qilish (Kolbe reaksiyasi), elektrolit eritmalarining tuzilish nazariyasi (qarang Kolraush konuni), elektrolitik dissotsiatsiya nazariyasi (S. Arrenius, 1887), ionlarning solvatatsiyasi (tuzlanish) toʻgʻrisidagi tasavvurlar (I.A. Kablukov, 1891), ionlarning oʻzaro elektrostatik taʼsiri (Debay — Xyukkel nazariyasi) metallar korroziyasi va undan himoyalanish va boshqalar E. rivojlanishida muhim ahamiyatga ega boʻldi.
E.ning tarixiy rivojlanishiga asoslanib zamonaviy nazariy E. quyidagi boʻlimlarga ajratiladi: 1) elektrolitlarning tuzilishi va ularning elektr oʻtkazuvchanligi; 2) elektrod va eritma chegarasidagi elektrokimyoviy muvozanat; 3) elektrokimyoviy reaksiyalar tezligi. 20-asr oxirlarida E.ning yangi mustaqil boʻlimi — 2 ta ionli sistema chegarasidagi muvozanatlar va membrana jarayonlarini oʻrganish yuzaga keldi.
E.ning rivojlanishi elektrotexnika, radiotexnika, mikroelektronika va kompyuter texnikasi yutuqlari bilan uzviy bogʻliq boʻlib, bu tarmoqlar asosida elektrokimyoviy sistemalarni oʻrganishning koʻpgina usullari ishlab chiqildi. E. zamonaviy asbobsozlikda ham muhim ahamiyatga ega. E.ning amaliy boʻlimlaridan biri — xemotronika — elektron yacheykalarni elektron sxemalarda qoʻllash muammolari bilan shugʻullanadi.
E. usullari faollik koeffitsiyentlarini, kimyoviy reaksiyalarning issikdik effektlarini aniqlashda, turli sistemalardagi muvozanat konstantlarini topishda, analitik kimyoda keng qoʻllanadi. E. kolloid kimyo bilan ham uzviy bogʻliq. E. va biologiya chegarasida yangi ilmiy soha — bioelektrokimyo paydo boʻldi; fotoelektrokimyo ham alohida yoʻnalish sifatida ajratiladi.
Oʻzbekistonda E.ning rivojlanishiga A. M. Murtazayev, A. G. Siganov va boshqalar katta hissa qoʻshdilar. "Elektrokimyosanoat", Oʻzbekiston issiqbardosh materiallar kombinati, Olmaliq konmetallurgiya kombinati, Toshkent aviatsiya zavodi, Toshkent qishloq xoʻjaligi mashinalari zavodi, "Foton" va boshqalar koʻpgina korxonalarda E. jarayonlarini qoʻllab mahsulotlar ishlab chiqariladi.
Elektr toki ta’sirida yoki o’zi elektr toki hosil qilib boradigan kimyoviy jarayonlar elektrokimyoviy jarayonlar deyiladi. Bunday jarayonlarni kimyoning elektrokimyo bo’limida o’rganiladi. Elektrokimyo kimyoviy va elektr energiyalarining bir- biriga aylanish qonuniyatlarini o’rganadi.
Agar oddiy kimyoviy reaksiya paytida elektronlar bir zarrachadan ikkinchisiga ko’chib o’tishi ular to’qnashgan paytda sodir bo’lsa, elektrokimyoviy jarayon paytida elektronlar ma’lum bir yo’nalish orqali, ya’ni biror – bir elektr o’tkazgich yordamida biridan ikkinchisiga o’tadi. Bu xil reaksiyalar odatda o’zidan tok o’tkazadigan, biror – bir qattiq yuza (elekrtodda)da borib, ko’pchilik holatlarda reaksiya tezligi va uning borish va bormasligi ana shu elektrod xossasiga ham bog’liq bo’ladi. Elektrokimyoning vujudga kelishi natijasida endilikda ko’pgina kimyoviy jarayonlarni elektr energiyasi yordamida amalga oshirish imkoniyati paydo bo’ldi.
Shunday qilib XX asr boshlariga kelib, elektrokimyo sanoati vujudga keldi, u sanoat ishlab chiqarishning juda ko’p tarmoqlarini o’z ichiga oldi. Jumladan, elektrometallurgiyada elektr toki ishtirokida deyarli barcha rangli metallar elektroliz orqali ma’danlardan ajratib olina boshlandi. Mis, nikel, alyuminiy, kumush, oltin kabi ko’pgina metallar elektrokimyoviy yo’l bilan olinadi va tozalanadi. Galvanotexnika usuli bilan ko’pgina metall buyumlarning yuzasi, xrom, mis, latun, nikel, kumush, oltin kabi metallar bilan qoplana boshlandi.
Elektrokimyoviy reaksiyalarda kimyoviy energiya elektr energiyasiga va aksincha elektr energiyasi kimyoviy energiyaga aylanadi (elektr va kimyoviy) hodisalarning bir-biriga bog'liqlig'i haqidagi tasawurlar XVIII asr oxirlari va XIX asr boshlarida paydo bo'ldi. Elektr haqidagi ta'limotning asoschilari Italiya fizigi Volta (1793 — 1801), shved olimlari Berselius (1802), Arrennius (1887), Angliya olimlari Devi (1807), Faradey (1833) va boshqalar hisoblanadi. Elektrokimyoviy ishlab chiqarish jarayoni elektroliz hodisalariga asoslangan. Eritma va suyuqlanmalami elektrolizi sanoatning ko'pgina tarmoqlarida, texnika va turmushda keng qo'llaniladi. Suvli eritmalami elektroliz qilish yo'li bilan ko'pgina anorganik mahsulotlar: xlor, brom, yod, vodorod, kislorod, natriy va kaliy gidroksidlari, gipoxloritlar, xloratlar, permanganat, persulfit, vodorod peroksid va boshqalar olinadi. Elektrokimyoviy jarayonlar ba'zi organik moddalarni ishlab chiqarishda ham qo'llanildi. Masalan, spirtlardan, anodli oksidlash yo'li bilan aldegid va ketonlar olinadi, funksional guruhlarning elektrkimyoviy qaytarish yo'li bilan nitrobenzoldan benzidin olinadi. Suvli eritmalami elektroliz qilib ko'pgina rangli metallar: mis, vismut, sur'ma, qalay, qo'rg'oshin, nikel, kobalt, kadmiy, rux olinadi va tozalanadi. Suyuqlanmalami elektroliz qilib, ko'pgina yengil, oson suyuqlanadigan va nodir metallar qotishmalari olinadi, metallar tozalanadi. Aluminiy, natriy, kaliy, litiy, magniy kabi metallar faqatgina elektrkimyoviy usulda olinadi.
Avtomobil sanoatida, mashinasozlik va boshqa qator sohalarda metallar sirtini elektrkimyoviy qoplash usulidan keng foydaniladi. Galvanoplastika orqali buyumlarning aniq metall nusxalari olinadi. Nashriyotlarda klishelar matritsasi, bosma radiotexnik sxemalartayyorlanadi. Po'latni elektrkimyoviy silliqlash, aluminiy va magniyni ohorlash ishlari ham elektroliz yordamida bajariladi. Nikellash, xromlash, oltin, kumush bilan buyumlar sirtini qoplash kabi bir qator muhim ishlar amalga oshiriladi. Bular metallaming korroziyasiga chidamliligini oshiradi, qattiqligi va yemirilishga chidamliligini oshiradi, ko'rinishini chiroyli qiladi. Turli akkumlatorlar ishlab chiqarish ham kimyoviy energiyani elektr energiyasiga aylantirishga asoslangan. Elektrokimyoning tez sur'atlarda o'sib, taraqqiy etib borishi va undan sanoatning turli tarmoqlarida foydalanishning kengayib borishi boshqa usuldan, masalan, sof kimyoviy usuldan ancha afzalligi bilan izohlanadi. Elektrolizni qo'llash ishlab chiqarish jarayonlarida turli uskuna va jihozlar sonini qisqartirish imkonini beradi. Bunda arzon xomashyodan to'liq foydalanish, juda toza, sifatli mahsulot olish imkoniyati tug'iladi. Elektrkimyoviy usulning asosiy kamchiligi, elektrtokni ko'p sarflashidadir. Shuning uchun ham bu sohada elektr energiyasini tejashga e'tibor qaratilmog'i lozim.
Suvli eritmalar va suyuqlanmalar elektrolizining nazariy asoslari
Elektroliz deb, elektrolit eritmasidan o'zgarmas elektr toki o'tganda sodir bo'ladigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyasiga aytiladi. Bunda elektrolitlar parchalanib elektrodlarda mahsulotga aylanadi. Elektrodlarda elektr tokining paydo bo'lishi bilan (tok manbaiga ulangach) elektrolitlar parchalanib, kation va anionlar hosil qiladi. Kationlar katodga (elektronlar manbayiga), anionlar esa anodga harakat qiladi. Kationlar katodga borgach elektron olib, anionlar esa anodga kelgach elektron berib zaryadsizlanadilar. Natijada elektrodlarda gazsimon, suyuq yoki qattiq neytral moddalar hosil bo'ladi. Bunda elektrolitning ionlarga ajramay qolgan boshqa molekulalari ham dissotsiyalanadi. Natijada ionlarning zaryadsizlanishidan buzilgan muvozanat qayta tiklanadi. Agar anod elektrolitda eriydigan metalldan yasalgan bo'lsa, u holda anodning erib eritmaga o'tishi hisobiga muvozanat tiklanadi (metall ionlari — kationlar hosil bo'lishi hisobiga). Elektrolitlarda odatda turli xil ionlar bo'ladi. Ulardan qaysi birining elektrod potensiali kichik bo'lsa o'sha ion birinchi bo'lib zaryadsizlanadi. Ionlarning ketma-ket navbat bilan zaryadsizlanishi fizik-kimyoviy qonunlar asosida aniqlanadi. Amaliyotda elektroliz mahsulotlarining elektrodlarda ajralish tartibi, nafaqat normal elektrod potensiallarining qiymati bilan, balki elektrolizni o'tkazish sharoitlariga: elektrodlarning qanday materialdan qilinganligiga, elektrolit konsentratsiyasiga, aralashtirishning intensivligiga, muhit harorati va boshqalarga bog'liq bo'ladi. Texnologik sharoitni tanlash bilan elektrolizda ionlarning zaryadsizlanish tartibini o'zgartirish mumkin. Masalan, ba'zi elektrodlarda ionlar zaryadsizlanishining ketma-ketligini o'ta kuchlanish hodisasidan foydalanish orqali boshqarish mumkin. Yengil metallar (litiy, kaliy, natriy, magniy, aluminiy) va ba'zi og'ir metallarni (xrom, tantal, qo'rg'oshin) birikmalarining suvdagi eritmalarini elektroliz qilish yo'li bilan metall olib bo'lmaydi, chunki ularning elektrod potensiallari vodorodga nisbatan manfiyroqdir, shuning uchun ham elektrodlarda metall emas, balki faqat vodorod ajralib chiqadi. Bunday metallarni faqat ular birikmalarini (tuzlari, oksidlari yoki gidroksidlari) suyuqlanmalarini elektektroliz qilish yo'li bilan olish mumkin (chunki suyuqlanmada vodorod ioni bo'lmaydi). Suyuqlanmalar elektrolizi ham eritma elektrolizi qonunlariga asoslanadi, ammo ayrim o'ziga xos tomonlari bilan farq qiladi (masalan, bunda harorat yuqori —1400° С gacha bo'ladi, erituvchi ionlari bo'lmaydi). Elektroliz nazariyasi Faradey qonuniga asoslangan (1833-yil) va bu qonun bo'yicha elektroliz vaqtida elektrodlarda ajralib chiqqan moddaning miqdori, eritmadan o'tgan elektr miqdoriga to'g'ri proporsionaldir (1-qonuni). Bir nechta elektrolit eritmasi orqali teng miqdorlarda elektr o'tkazilganda elektrodlarda ajralib chiqadigan moddalarning og'irlik miqdorlari ayni moddalarning kimyoviy ekvivalentiga proporsional bo'ladi
(2-qonuni).
Faradeyning ikkinchi qonuniga ko'ra har qanday moddaning bir ekvivalentini ajratib chiqarish uchun teng miqdor elektr talab qilinada va bu elektr miqdori Faradey soni deyilib, u 96500 kulonga teng. Elektrolizning asosiy texnologik ko'rsatkichi va elektr energiyasidan ratsional foydalanish kategoriyasi quyidagichadir: tok bo'yicha unum, energiyadan foydalanish darajasi, energiya bo'yicha sarfiyot koeffitsiyenti, elektrolizga berilgan kuchlanish va boshqlardir. bilan va demak, elektroliz mahsulotlarining, ayniqsa metallarning tannarxini yuqoriligi bilan xarakterlanadi.
Elektroliz nazariyasi Faradey qonuniga asoslangan (1833-yil) va bu qonun bo'yicha elektroliz vaqtida elektrodlarda ajralib chiqqan moddaning miqdori, eritmadan o'tgan elektr miqdoriga to'g'ri proporsionaldir (1-qonuni). Bir nechta elektrolit eritmasi orqali teng miqdorlarda elektr o'tkazilganda elektrodlarda ajralib chiqadigan moddalarning og'irlik miqdorlari ayni moddalarning kimyoviy ekvivalentiga proporsional bo'ladi (2-qonuni).
Faradeyning ikkinchi qonuniga ko'ra har qanday moddaning bir ekvivalentini ajratib chiqarish uchun teng miqdor elektr talab qilinada va bu elektr miqdori Faradey soni deyilib, u 96500 kulonga teng. Elektrolizning asosiy texnologik ko'rsatkichi va elektr energiyasidan ratsional foydalanish kategoriyasi quyidagichadir: tok bo'yicha unum, energiyadan foydalanish darajasi, energiya bo'yicha sarfiyot koeffitsiyenti, elektrolizga
berilgan kuchlanish va boshqlardir.
Tok bo'yicha unum (%) ushbu formula asosida topiladi:
= (10.1)
Bunda: elektroliz natijasida amalda olingan mahsulot massasi,
G - Faradey qonuni bo'yicha nazariy olinishi mumkin bo'lgan mahsulot miqdori (massasi). Mahsulotning nazariy massasi Faradeyning ikkala qonunini birlashtiruvchi formula asosida hisoblab topiladi.
Gi= yoki (10.2)
Bunda: j - tok kuchi (Amper); - elektroliz vaqti (soat); A-- ionning massasi yoki atom massa; n-ion zaryadi; F- Faradey soni; E-moddaning elektrkimyoviy ekvivalenti, yoki G,= K Q formula shaklida yozish mumkin. Bunda: K moddaning elektrkimyoviy ekvivalenti (uni topish uchun
K= formuladan foydalaniladi); Q tok miqdori (uni topish uchun
Q=J formuladan foydaniladi). Energiyadan foydalanish darajasi, M (%), bu ayni miqdordagi moddani
ajralib chiqishi uchun kerak bo'ladigan nazariy energiya miqdorining - Q, ning amalda sarflangan faktik energiya miqdoriga-Q, ga bo'lgan nisbati:
(10.3)
elektroenergiyaning nazariy miqdorini (KVI /*g):
Q=VJ =Vn A (10.4)
formula orqali hisoblab topiladi. Bunda: V - elektrolit
parchalanishining nazariy kuchlanishi (Volt), A- elektr miqdori (KI).
Elektrodlarda nazariy kuchlanish anod . va katodning muvozanat
elektrod potensiallari orqali hisoblab topiladi.
(10.5)
Muvozanatdagi elektrod potensiallarning qiymatlari Nernst formulasi bo'yicha topiladi. Ularning qiymatlari spravochniklarda berilgan.
Elektrolizyorlarda nazariy kuchlanish,
(10.6)
formuladan foydalanib ham topiladi. Bu yerda: 298 - reaksiyaning erkin energiyasining o'zgarishi, j/mol. Energiyaning faktik sarfi Wf elektroliz vannasiga berilgan kuchlanishga bog'liq boʻladi. U har doim elektrodlarning qutblanishi sababli hamda Om birligidagi elektrolit, elektrodlar diafragmalari, tok beruvchilar (uzatuvchilar) va boshqalarning qarshiligi sababli nazariysidan koʻp boʻladi. Faktik energiya sarfi Q, ni hisoblash uchun 10.3 formuladan, energiyani foydalanish darajasi M orqali quyidagi formula bo'yicha topiladi:
μ= (3.10) Bu yerda: V₁ - amaldagi kuchlanishdir.
Formuladan kelib chiqadigan xulosa shundan iboratki, qanchalik tok bo'yicha unum ko'p va elektrolizyordagi amaliy kuchlanish kam bo'lsa, energiyadan foydalanish darajasi shunchalik katta bo'ladi.
Sanoatda eritmalar elektrolizida turli ishlab chiqarishlarda tok bo'yicha unum 60-90% dan va energiyadan foydalanish darajasi 50-60% dan oshmaydi. Suyuqlanmalar elektrolizida esa tok bo'yicha unum 70-80 % ni tashkil etsa, energiyadan foydalanish darajasi eritma elektrolizidan ancha past bo'ladi. Masalan, va kriolit suyuqlanmasi elektrolizining energiyadan foydalanish darajasi 30 % dan oshmaydi. Umuman olganda elektrkimyoviy ishlab chiqarish energiyadan foydalanish darajasining kamligi bilan va demak, elektroliz mahsulotlarining, ayniqsa metallarning tannarxini yuqoriligi bilan xarakterlanadi.
|