Metallar kuchlanishlar qatori va elektroliz

Metallarning elektrokimyoviy kuchlanishlar qatori va elektroliz — bitta g‘oyaning ikki tomoni: qaysi zarracha elektronni osonroq beradi va qaysi biri osonroq oladi. Galvanik elementda kimyoviy reaksiya energiyasi elektr energiyasiga aylanadi (batareyalar, akkumulyatorlar), elektrolizda esa aksincha — elektr toki o‘z-o‘zidan bormaydigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyasini majburan amalga oshiradi. Elektroliz yordamida faol metallar (natriy, aluminiy), xlor, vodorod va ishqor olinadi, metallar tozalanadi va boshqa metallar bilan qoplanadi. Imtihonda elektrodlardagi mahsulotlarni aniqlash va Faradey qonuni bo‘yicha hisoblash muntazam uchraydi.

§1. Metallarning elektrokimyoviy kuchlanishlar qatori

Qatorda chapdan o‘ngga metallarning qaytaruvchilik faolligi (elektron berish qobiliyati) kamayadi, ularning ionlarining oksidlovchilik xossasi esa ortadi. Qatordan kelib chiqadigan qoidalar:

• Chapdagi metall o‘ngdagi metallni uning tuzi eritmasidan siqib chiqaradi: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu; Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Teskarisi bormaydi: mis rux tuzidan ruxni siqib chiqara olmaydi.
• Vodoroddan oldingi metallar suyultirilgan HCl va H₂SO₄ dan H₂ ni siqib chiqaradi; vodoroddan keyingilari (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) siqib chiqarmaydi.
• Istisno: suv bilan reaksiyaga kirishadigan juda faol metallar (Li–Na) tuz eritmasida avval suv bilan reaksiyaga kirishadi: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂, so‘ng ishqor tuz bilan: 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Shuning uchun natriy mis tuzi eritmasidan misni siqib chiqarmaydi.

Misol

Rux plastinka mis(II) sulfat eritmasiga tushirildi; 0,1 mol rux reaksiyaga kirishdi. Plastinka massasi qanday o‘zgaradi?

1. Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu: 0,1 mol Zn eriydi, 0,1 mol Cu o‘tiradi.
2. Eriydigan rux: 0,1·65 = 6,5 g; o‘tirgan mis: 0,1·64 = 6,4 g.
3. Plastinka massasi 6,5 − 6,4 = 0,1 g ga kamayadi.

§2. Galvanik element va korroziya

Ikki xil metall elektrolit eritmasiga tushirilib, sim bilan ulansa, faolroq metall elektron beradi va eriydi (anod, manfiy qutb), elektronlar sim orqali kamroq faol metallga o‘tadi va unda qaytarilish boradi (katod, musbat qutb). Daniel–Yakobi elementi: Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu; unda Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Metallar qatorda bir-biridan qanchalik uzoq bo‘lsa, element kuchlanishi shuncha katta.

Metallarning korroziyasi ham ko‘pincha galvanik juft hosil bo‘lishi bilan tezlashadi: temir mis bilan tutashgan joyda tezroq zanglaydi, chunki temir anod bo‘lib qoladi. Aksincha, ruxlangan temirda rux anod bo‘lib yemiriladi va temirni himoyalaydi (protektor himoya). Korroziyadan himoyalanishning boshqa usullari: bo‘yash va moylash, boshqa metall bilan qoplash (nikellash, xromlash), zanglamaydigan qotishmalar ishlatish va muhitga ingibitorlar qo‘shish.

§3. Eritmalar elektrolizi

Elektroliz — elektrolit eritmasi yoki suyuqlanmasidan doimiy elektr toki o‘tganda elektrodlarda boradigan oksidlanish-qaytarilish jarayoni. Qoida: katod (−) — qaytarilish, anod (+) — oksidlanish.
Katodda (metall faolligiga qarab):

• Li…Al ionlari eritmada qaytarilmaydi — suv qaytariladi: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
• Mn…Pb (Al dan keyin, H gacha) — metall ham, H₂ ham ajralishi mumkin.
• Cu, Ag, Hg, Au — faqat metall: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
• Kislotalar eritmasida: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂.

Inert (ko‘mir, platina) anodda:

• Kislorodsiz anionlar (Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻) oksidlanadi: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂.
• Kislorodli anionlar (SO₄²⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻) va F⁻ oksidlanmaydi — suv oksidlanadi: 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺.
• Ishqor eritmasida: 4OH⁻ − 4e⁻ → O₂ + 2H₂O.

Eriydigan (masalan, mis) anodda anod metalining o‘zi oksidlanib eriydi: Cu − 2e⁻ → Cu²⁺. Misni tozalash (rafinatsiya) va galvanik qoplash shunga asoslangan.

Misol

23,4 g NaCl saqlagan eritma to‘liq elektroliz qilindi. Elektrodlarda necha litr gaz (n.sh.) ajraladi va necha gramm NaOH hosil bo‘ladi?

1. n(NaCl) = 23,4/58,5 = 0,4 mol.
2. 2NaCl → H₂ + Cl₂ + 2NaOH: H₂ va Cl₂ — 0,2 mol dan, har biri 0,2·22,4 = 4,48 l.
3. n(NaOH) = 0,4 mol, m = 0,4·40 = 16 g.

§4. Suyuqlanmalar elektrolizi

Suyuqlanmada suv yo‘q, shuning uchun katodda metall ionining o‘zi qaytariladi, eng faol metallar ham olinadi:

Kriolit Na₃AlF₆ alyuminiy oksidining suyuqlanish haroratini (2000 °C dan ortiq) taxminan 950 °C gacha pasaytiradi va energiyani tejaydi. Ishqoriy va ishqoriy-yer metallari, magniy va alyuminiy faqat suyuqlanmalar elektrolizi bilan olinadi, chunki ularni kimyoviy qaytaruvchilar bilan qaytarish juda qiyin.

§5. Faradey qonunlari

M. Faradey (1833–1834) elektrodda ajralgan modda massasi o‘tgan zaryad miqdoriga to‘g‘ri proporsional ekanini aniqladi.

Bu yerda I — tok kuchi (A), t — vaqt (s), n — bitta zarracha qabul qilgan yoki bergan elektronlar soni. Masalani ikki qadamda yechish qulay: avval elektronlar miqdori n(e⁻) = I·t/F, so‘ng elektrod reaksiyasidan modda miqdori. Ketma-ket ulangan elektrolizyorlardan bir xil zaryad o‘tadi, shuning uchun ulardagi elektronlar miqdori teng bo‘ladi.

Misol

CuSO₄ eritmasi 5 A tok bilan 1930 s davomida elektroliz qilindi (inert elektrodlar). Katod va anod mahsulotlarini hisoblang.

1. Q = 5·1930 = 9650 Kl → n(e⁻) = 9650/96500 = 0,1 mol.
2. Katodda Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu: n(Cu) = 0,05 mol, m = 0,05·64 = 3,2 g.
3. Anodda 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺: n(O₂) = 0,025 mol, V = 0,56 l (n.sh.).

O‘zingizni tekshiring

1. KI eritmasi elektrolizida katod va anodda qanday mahsulotlar hosil bo‘ladi?

2. Qaysi metall FeSO₄ eritmasidan temirni siqib chiqaradi: Cu, Zn, Ag?

3. AgNO₃ eritmasi elektrolizida 10,8 g kumush ajraldi. Anodda necha litr O₂ (n.sh.) ajraladi?

4. Nima uchun natriy NaCl eritmasi elektrolizida olinmaydi?

5. KNO₃ eritmasi elektrolizida eritma tarkibi qanday o‘zgaradi?

6. 1 mol alyuminiy olish uchun necha faradey zaryad kerak?

7. 10 A tok bilan 6,4 g misni ajratish uchun necha sekund kerak?

8. CaCl₂ suyuqlanmasi elektrolizida katodda nima ajraladi?

Ko‘p uchraydigan xatolar

• Katod va anodni adashtirish: elektrolizda katod manfiy, unda qaytarilish boradi.
• Eritmada faol metall (Na, K, Al) ionlari qaytariladi deb yozish.
• Sulfat va nitrat ionlari anodda oksidlanadi deb hisoblash: ular o‘rniga suv oksidlanadi.
• Natriy mis tuzi eritmasidan misni siqib chiqaradi deb yozish.
• Faradey qonunida ion zaryadini (n) hisobga olmaslik.