Mavzu: sanoatda elektroliz jarayonining qo`llanilishi

MAVZU: SANOATDA ELEKTROLIZ JARAYONINING QO`LLANILISHI
Elektrolit eritmasi yoki suyuqlanmasi orqali o'zgarmas elektr toki o'tkazilganda elektrodlarda boradigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari elektroliz deb ataladi. Elektroliz jarayoni maxsus qurilmalar – elektrolizerlar yoki elektrolitik vannalarda olib boriladi.
Elektrolizning mohiyati shundan iboratki, katodda qaytarilish jarayoni, anodda oksidlanish jarayoni boradi. Jumladan, elektrolit eritmasidan elektr toki o‘tkazilganda eritmadagi musbat ionlar katodga tomon borib elektronlar qabul qiladi va neytral atomlarga aylanadi, manfiy ionlar anodga tomon borib zaryadsizlanadi, elektronlarini beradi.
Ishqoriy va ishqoriy tuproq metallari, shuningdek, magniy, berilliy va alyuminiy tegishli tuzlar yoki gidroksidlarning eritmalarini elektroliz qilish yo'li bilan olinadi.
Tuz eritmalarini elektroliz qilish natijasida mis, rux, kadmiy, nikel, kobalt, marganets va boshqa metallar olinadi. Metallarni (mis, oltin, kumush, qo'rg'oshin, qalay va boshqalar) elektrolitik tozalash ulardagi aralashmalarni tozalash uchun ishlatiladi. Qayta ishlash jarayonida tozalanadigan metall anod vazifasini bajaradi. Anodda asosiy metall va aralashmalar eriydi, ularning potentsiali tozalanadigan metallning potentsialidan ko'ra salbiyroqdir. Ijobiy potentsialga ega bo'lgan aralashmalar anodga loy shaklida tushadi. Elektrolitga o'tgan aralashmalar vaqti-vaqti bilan yoki doimiy ravishda elektrolitdan chiqariladi. Asosiy metall kationlari katodda chiqariladi va ixcham konni hosil qiladi.
Elektroliz orqali bir metallni boshqa metall bilan qoplash usuli elektrokaplama deb ataladi. Elektrokaplama metallarni korroziyadan himoya qilish, metall sirtini mustahkamlash va dekorativ maqsadlarda qo'llaniladi. Bunday holda, qoplanadigan buyum katod bo'lib xizmat qiladi, u elektrolitik vannaga ushbu buyumga yotqizilgan metallning tuz eritmasi bilan tushiriladi. Anod qoplama metall bo'lib, u elektroliz paytida eriydi va uning ionlari chiqariladi va katodga yotqiziladi. Elektrokaplama-elektroliz yordamida ob'ektlarning rel'ef tasvirlaridan aniq metall nusxalarini ishlab chiqarish. Elektroformatsiyani rus olimi B.S.Yakobi. Ob'ektni nusxalash uchun matritsa mumdan yasaladi-bu ob'ektning teskari (salbiy)tasviri, u grafit bilan qoplangan va uni o'tkazuvchan qiladi. Elektr toki o'tganda, anod eriydi va katodga metall qatlami yotqiziladi va u ob'ektdan osongina ajratiladi. Bu narsaning aniqmetall nusxasi paydo bo'ldi. Elektroformatsiyalash uchun odatda mis ishlatiladi, lekin ba'zidaboshqa metallar ham ishlatiladi-temir, nikel, kumush. Elektrokaplama yordamida qog'oz, gramofon plastinalarini va boshqa mahsulotlarni chop etish uchun klishelar tayyorlanadi. Shunday qilib, radiotexnika va asbobsozlikda elektrokaplama usuli bilan tayyorlangan murakkab shakldagi juda yupqa devorli mahsulotlar (to'lqin o'tkazgichlar, ko'rfazlar) talabqilinadi. Alyuminiy mog'or tayyorlanadi, unga elektroliz yo'li bilan kerakli qalinlikdagi misqatlami qo'llaniladi, so'ngra qolip xlorid kislota yoki ishqorda eritiladi, u bilan mis reaksiyagakirishmaydi. Devor qalinligi mikronlarda bo'lgan mahsulot chiqadi. Mexanik ishlov berishqiyin bo'lgan metallarni elektrokimyoviy tozalash uchun elektrolizdan foydalaniladi.Metalllarga elektrokimyoviy ishlov berishda metallarni silliqlash va parlatish taxminan tayyor metall yuzasini tezda tekislaydi va unga oynaga o'xshash porlashni beradi. Bunday holda, olib tashlangan metall eritmada qoladi, u yerdan olinishi va qayta ishlatilishi mumkin.
Kimyo sanoatida elektroliz suvdan vodorod va kislorod kabi qimmatli kimyoviy mahsulotlar olish uchun ishlatiladi. Elektroliz yo'li bilan olingan vodorod energetika sanoatida generatorlarni termal va sovutish uchun ishlatiladi. Xlor va gidroksidi natriy xlorid eritmasidan elektroliz orqali, ftor uning tuzlari eritmalaridan olinadi. Uzoq vaqt davomida ftorni erkin holatda olish mumkin emas edi, chunki hech qanday kimyoviy oksidant ftorid ioni F-uning elektronini tortib ololmaydi. Biroq, elektr tokning oksidlovchi ta'siri kimyoviy oksidlovchilarning ta'siridan bir necha baravar kuchliroqdir, shuning uchun ftorid ionidan elektronni faqat eritilgan ftor tuzining elektrolizi paytida olish mumkin edi. Vodorod peroksid, kaliy permanganat, xromatlar, xloratlar, gipoxloritlar va boshqalar kabi oksidlovchi moddalar elektroliz orqali olinadi. Elektroliz texnologiyada keng qo'llaniladi.
Elektrokimyoviy jarayonlar zamonaviy texnologiyaning turli sohalarida keng qo'llaniladi analitik kimyo,biokimyo va hokazo. Kimyo sanoati elektroliz natijasida xlor va ftor, ishqorlar, xloratlar va perkloratlar, persulfat kislota va persulfatlar, kimyoviy toza vodorod va kislorod va boshqalar hosil bo'ladi, bu holda ba'zi moddalar katodda (aldegidlar, paraaminofenol vaboshqalar), boshqalari elektrooksidlanish yo'li bilan qaytariladi.
Elektroliz ichida gidrometallurgiya metall o'z ichiga olgan xom ashyoni qayta ishlash bosqichlaridan biri bo'lib, tovar metallar ishlab chiqarishni ta'minlaydi. Elektroliz eruvchan anodlar bilan-elektr tozalash jarayoni yoki erimaydigan anodlar bilan-elektroekstraktsiya jarayoni bilan amalga oshirilishi mumkin.
Rangli metallurgiyada elektrolizdan foydalaniladi metallarni qazib olish rudalardan va ularning tozalash. Alyuminiy, magniy, titan, sirkoniy, uran, berilliy va boshqalar eritilgan muhitlarni elektroliz qilish orqali olinadi. Tozalash uchun metall plitalar undan elektroliz orqali quyiladi va elektrolizatorga anod sifatida joylashtiriladi. Tok o'tganda tozalanadigan metall anodik erishga uchraydi, ya'ni kationlar holida eritmaga o'tadi. Keyin bu metall kationlari katodda chiqariladi, buning natijasida allaqachon toza metallning ixcham konlari hosil bo'ladi. Anoddagi aralashmalar erimaydigan bo'lib qoladi yoki elektrolitga o'tadi va chiqariladi. Elektrokaplama-metall va metall bo'lmagan mahsulotlarning tuzlari eritmalari orqali to'g'ridan-to'g'ri elektr toki o'tganda ularning yuzasiga metall qoplamalarni qo'llash jarayonlari bilan shug'ullanadigan amaliy elektrokimyo sohasi. Elektrokaplama (yunonchadan. qoplamoq)—elektrolizatorning katodi boʻlib xizmat qiluvchi, qoplanadigan metallga (obyektga) mahkam bogʻlangan (yopishgan) metall yuzasiga boshqa metalning elektrodlanishi.
Elektroliz sanoatning turli sohalarida keng qoʻllanadi. Kimyo sanoatida xlor va ishqorlar olishda, xlorat, perxlorat, persulfat kislota, kaliy permanganat, sof holdagi vodorod, ftor va boshqalar qimmatli mahsulotlar hosil qilishda, rangli metallurgiyada metallarni rafinatsiyalashda elektrolizdan foydalaniladi. Turli metallarning birikmalarini qizdirib suyuqlantirib, elektroliz yordamida oʻsha metallar ajratib olinadi. Mashinasozlik, radiotexnika, elektronika, poligrafiya sanoatlarida turli buyumlar sirtini metallar bilan qoplashda va boshqalarda elektroliz qoʻllanadi.
Elektroliz ancha keng ko'lamda qo'llaniladi. Metall buyumlarni korroziyalashdan muhofaza qilish uchun ularning sirtiga boshqa metallning — xrom, kumush, oltin, mis, nikel va h.k. juda yupqa qatlami qoplanadi. Ba’zan ko'p qatlamli qoplama ham qilinadi. Masalan, avtomobillarning tashqi detallariga dastlab yupqa mis qatlami, misning ustidan yupqa nikel qatlami, nikel ustidan esa xrom qatlami qoplanadi.
Metallar sirtiga elektroliz yo‘li bilan qoplangan qoplamlar qalinligi bir xil, puxta bo‘lib, uzoq vaqt xizmat qiladi; bundan tashqari, bu usul bilan istalgan shakldagi buyumni qoplash mumkin. Amaliy elektrokimyoning bu tarm og‘i galvanostegiya deyiladi. Galvanik qoplamlar korroziyalanishdan saqlashdan tashqari ba’zan buyumlarga chiroyli tashqi ko‘rinish baxsh etadi.
Elektrokimyoning mohiyati jihatidan galvanostegiyaga yaqin yana bir tarm og'i galvanoplastika deyiladi. Bu turli xil buyumlardan aniq metall nusxalar olishdir. Nusxasini tayyorlash talab etilayotgan buyum mum bilan qoplanadi, mum qotiriladi va mumli matritsa olinadi; unda nusxa olinayotgan buyumning barcha chuqur joylari qavariq bo’lib chiqadi. Matritsaning ichki yuzasi elektr tokini o‘tkazadigan grafitning yupqa qatlami bilan qoplanadi. Bu grafitli katod mis sulfat eritmasi solingan vannaga botiriladi; anod sifatida mis xizmat qiladi. Elektroliz vaqtida mis anod eriydi, katodga esa mis o‘tiradi. Shunday qilib, buyumning aniq yupqa mis nusxasi olinadi. Galvanoplastika yordam ida bosm axona klishelari, grammplastinkalar tayyorlanadi, turli xil buyumlar metallashtiriladi.
Tuzlarning suvdagi eritmalarining elektrolizida eritmada tuz ionlaridan tashqari suvning dissosilanishidan hosil bo'lgan H va OH– ionlarining hosil bo'lishi ham hisobga olinadi. Katod atrofida elektrolit va vodorod kationlari hamda anod atrofiga elektrolit va gidroksid ionlari to'planadi. Katod va anodda boradigan oksidlanish-qaytarilish jarayoni ionlarning oksidlanish-qaytarilish potensiallari qiymatiga bog'liq.
Vodorod elektrodning potensiali Eo0 ga tengligini va lg[H-pH ekanligini hisobga olsak, E]o-0,059*pH bo'ladi.
7 ga tengligi uchun,Tuzlarning neytral eritmalari uchun pH
Eo-0,41v-0,059*7 bo'ladi.
Agar elektrolit kationini hosil qiluvchi metallning elektrod potensiali – 0,41V dan katta bo'lsa, katodda metall emas, balki vodorod ajraladi. Agar metallning elektrod potensiali – 0,41V ga yaqin bo'lsa, katodda metall ham, vodorod ham birgalikda qaytariladi.
Kislotali eritmalardan vodorodni ajralib chiqishi vodorod ionlarining zaryadsizlanishi hisobiga boradi. Neytral va ishqoriy eritmalarda suv molekulalari qaytariladi:
Masalan: NaCl suvdagi eritmasini elektroliz qilinganda, suv molekulalari elektrolizga uchrashi hisobiga katodda Na o'rniga N2 qaytariladi. Umumiy tarzda quyidagicha:
Elektroliz jarayoni anod materialiga qarab, inert anod bilan bo’ladigan elektroliz va aktiv anod bilan bo’ladigan elektrolizga bo’linadi. Oksidlanmaydigan materialdan (grafit, platina) yasalgan anod inert anod, oksidlanadigan materialdan yasalgan anod aktiv anod deb yuritiladi.
Тuzlar eritmalarining elektrolizini misollar asosida kurib chiqamiz.
1) KNO3 tuzi eritmasining inert anod ishtirokidagi elektrolizi:
KNO3 K+ + NO3-
K+/K uchun Eo = -2,93 V bo’lib, K+ kationlari katodda qaytarilmaydi,
NO3- anionlari suvli eritmalarda oksidlanmaydi. Katodda va anodda suv molekulasi qaytariladi va oksidlanadi:
Katodda (-): 2H2O + 2e- = 2OH- + H2;
Anodda (+): 2H2O - 4e- = 4H+ + O2 .
CuCl2 eritmasining inert anod ishtirokidagi elektrolizi.
CuCl2 Cu2+ + 2Cl-
Misning standart elektrod potensiali Eo = 0,34V bo’lganligi uchun katodda faqat mis ionlari qaytariladi, anodda esa xlorid ionlari oksidlanadi:
Katodda (-): Cu2+ + 2e- = Cu;
Anodda (+): 2Cl- - 2e- = Cl2
elektroliz
CuCl2 ----------> Cu + Cl2
2) Тuz eritmalarining aktiv anod kullanilgandagi elektrolizi.
Bunday elektroliz jarayonida anod materiali eriydi. Masalan, kadmiy sulfat eritmasining elektrolizini misol kilish mumkin:
CdSO4 Cd2+ + SO42-
Katodda (-): Cd2+ + 2e- = Cd
Anodda (+): Cd - 2e- = Cd2+
Elektroliz qonunlari.^ Elektroliz vaqtidagi anodda boradigan oksidlanish jarayonida anod materiali ikki guruhga: erimaydigan va eriydigan anodlarga bo'linadi.
Oksidlanmaydigan materialdan (grafit, platina) yasalgan anod erimaydigan (inert) anod, oksidlanadigan materialdan yasalgan anod eriydigan (aktiv) anod deyiladi.
Elektr energiyasining ta'sirida vujudga keladigan kimyoviy jarayonlar unumi bilan elektr toki o'rtasida miqdoriy bog'lanish borligini dastlab 1836 yilda ingliz olimi M.Faradey aniqladi. Faradey fanga elektrod, anod, katod, anion, kation, elektrolit, elektroliz tushunchalarini kiritdi. Faradey o'z tajribalarini bajarishda bir necha galvanik elementni ketma-ket ulab, batareya hosil qildi; elektroliz qilishda ana shu batareyadan elektr manbai sifatida foydalandi. U o'zining ilmiy kuzatishlari asosida quyidagi elektroliz qonunlarini kashf etdi:
1. Faradeyning I qonuni. Elektroliz vaqtida elektrodda ajralib chiqadigan moddaning massasi miqdori eritmadan o'tgan elektr toki miqdoriga to'g'ri proporsional bo'ladi.
2. Faradeyning II qonuni. Agar bir necha elektrolit eritmasi orqali bir xil miqdorda ketma-ket ulangan holda, elektr o'tkazilsa elektrodlarda ajralib chiqadigan moddalarning massa miqdorlari o'sha moddalarning kimyoviy ekvivalentlariga proporsional bo'ladi.
Elektroliz vaqtida elektrodlarda 1 g – ekvivalent modda ajralib chiqishi uchun elektrolit eritmasidan 96500 kulon elektr toki o'tishi kerak. Bu son Faradey soni (F) deyiladi.
|