Michakato ya kemikali katika betri za asidi ya risasi. Seli za kielektroniki Miitikio ya redoksi katika betri ya asidi ya risasi

Majibu ya Redox- majibu ambayo huenda na mabadiliko katika hali ya oxidation ya vipengele.

Oxidation ni mchakato wa kutoa elektroni.

Ahueni ni mchakato wa kuongeza elektroni.

Kioksidishaji Atomi, molekuli, au ioni ambayo inakubali elektroni.

Wakala wa kupunguza Atomi, molekuli, au ioni ambayo hutoa elektroni.

Wakala wa oksidi, kukubali elektroni, nenda kwa fomu iliyopunguzwa:

F2 [takriban. ] + 2ē → 2F¯ [rejesha].

Wakala wa kupunguza, kutoa elektroni, hupita kwenye fomu iliyooksidishwa:

Na0 [rejesha ] – 1ē → Na+ [takriban.].

Usawa kati ya fomu zilizooksidishwa na zilizopunguzwa ni sifa ya Milinganyo ya Nernst kwa uwezo wa redox:

wapi E0 ni thamani ya kawaida ya uwezo wa redox; n ni idadi ya elektroni zilizohamishwa; [pumziko. ] na [ca. ] ni viwango vya molar ya kiwanja katika fomu zilizopunguzwa na zilizooksidishwa, kwa mtiririko huo.

Maadili ya uwezo wa kawaida wa elektrodi E0 hutolewa katika meza na sifa ya oxidizing na kupunguza mali ya misombo: chanya zaidi thamani E0, nguvu ya mali ya vioksidishaji, na thamani hasi zaidi E0, nguvu ya mali ya kurejesha.

Kwa mfano, kwa F2 + 2ē ↔ 2F¯ E0 = Volti 2.87, na kwa Na + + 1ē ↔ Na0 E0 =-2.71 volts (mchakato daima hurekodiwa kwa athari za kupunguza).

Mmenyuko wa redoksi ni mchanganyiko wa miitikio miwili ya nusu, uoksidishaji na upunguzaji, na ina sifa ya nguvu ya kielektroniki (emf) Δ. E0: Δ E0 = Δ E0 sawa – Δ E0 mapumziko, wapi E0 sawa na Δ E0 mapumziko ni uwezo wa kawaida wa wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza kwa mmenyuko uliotolewa.

emf majibu Δ E0 inahusiana na mabadiliko katika nishati isiyolipishwa ya Gibbs ΔG na usawazisho thabiti wa mmenyuko KWA:

∆G = – nF Δ E0 au Δ E = (RT/nF) ln K.

emf athari katika viwango visivyo vya kawaida Δ E ni sawa na: ∆ E =Δ E0 - (RT / nF) × Ig K au Δ E =Δ E0 -(0,059/n)lg K .

Katika kesi ya usawa ΔG = 0 na ΔE = 0, kutoka wapi Δ E =(0.059/n)lg K Na K = 10nΔE/0.059.

Ili majibu yaendelee moja kwa moja, mahusiano yafuatayo lazima yatimizwe: ΔG< 0 или K >> 1, ambayo inalingana na hali Δ E0> 0. Kwa hiyo, ili kuamua uwezekano wa majibu ya redox, ni muhimu kuhesabu thamani ya Δ. E0. Ikiwa Δ E0 > 0, majibu yamewashwa. Ikiwa Δ E0< 0, hakuna majibu.

Vyanzo vya kemikali vya sasa

Seli za galvanic Vifaa vinavyobadilisha nishati ya mmenyuko wa kemikali kuwa nishati ya umeme.

Seli ya galvanic ya Daniel lina elektrodi za zinki na shaba zilizotumbukizwa katika suluhu za ZnSO4 na CuSO4, mtawalia. Suluhisho la elektroliti huwasiliana kupitia kizigeu cha porous. Wakati huo huo, oxidation hutokea kwenye electrode ya zinki: Zn → Zn2 + + 2ē, na kupunguza hutokea kwenye electrode ya shaba: Cu2 + + 2ē → Cu. Kwa ujumla, majibu yanaendelea: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu.

Anode- electrode ambayo oxidation hufanyika. Cathode- electrode ambayo kupunguzwa kunafanyika. Katika seli za galvanic, anode inashtakiwa vibaya na cathode inashtakiwa vyema. Katika michoro za vipengele, chuma na ufumbuzi hutenganishwa na mstari wa wima, na ufumbuzi mbili kwa mstari wa wima mbili.

Kwa hiyo, kwa majibu Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu, mzunguko wa seli ya galvanic imeandikwa: (-) Zn | ZnSO4 | CuSO4 | Cu(+).

Nguvu ya kielektroniki (emf) ya mmenyuko ni Δ E0 \u003d E0ok - E0rest = E0(Cu2+/Cu) - E0(Zn2 + / Zn) = 0.34 - (-0.76) = 1.10 V. Kutokana na hasara, voltage iliyoundwa na kipengele itakuwa kidogo chini ya Δ E0. Ikiwa viwango vya ufumbuzi vinatofautiana na viwango vya kawaida, sawa na 1 mol / l, basi E0 sawa Na E0 mapumziko huhesabiwa kulingana na mlinganyo wa Nernst, na kisha emf huhesabiwa. seli ya galvanic inayolingana.

kipengele kavu lina makazi ya zinki, kuweka NH4Cl na wanga au unga, mchanganyiko wa MnO2 na grafiti na electrode ya grafiti. Katika kipindi cha kazi yake, mmenyuko wafuatayo unafanyika: Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = Cl + 2MnOOH.

Mchoro wa kipengele: (-)Zn | NH4Cl | MnO2, C(+). emf kipengele - 1.5 V.

Uwakilishi wa elektroniki wa oxidation na kupunguza. Athari za kemikali zinaweza kuendelea bila mabadiliko au na mabadiliko katika hali ya oxidation ya vitu, kwa mfano:

Ikiwa katika mfano wa kwanza (mmenyuko wa neutralization) hakuna vipengele vinavyobadilisha hali ya oxidation, basi kwa pili - hali ya oxidation ya zinki inabadilika kutoka +2 hadi 0 na hali ya oxidation ya kaboni inabadilika kutoka 0 hadi +2.

Athari zinazotokea na mabadiliko katika hali ya oxidation ya vitu huitwa athari za redox.

Mabadiliko ya hali ya oxidation yalionekana kutokana na uhamisho wa elektroni mbili kutoka kwa kaboni hadi zinki, ambazo zinaweza kuonyeshwa. equations za elektroniki za athari za nusu za oxidation na kupunguza, ambayo, ikijumlishwa pamoja, toa equation ya majibu ya redox:

wakala wa kupunguza oxidation;

kioksidishaji kupona;

Kipengele, kutoa elektroni inaitwa wakala wa kupunguza wakati wa majibu huweka oksidi shahada yake ongezeko la oxidation.

Kipengele, kupokea elektroni inaitwa wakala wa oksidi wakati wa majibu kupona, shahada yake oxidation imepunguzwa.

Dhana za wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza pia hutumika kwa vitu rahisi na ngumu vyenye vipengele vinavyolingana. Katika mfano uliotolewa, wakala wa kupunguza ni dutu rahisi: kaboni C, wakala wa oksidi ni dutu ngumu: oksidi ya zinki. ZnO.

Katika hali ya jumla, mmenyuko wa redoksi unaweza kubadilishwa, kwa sababu hiyo, wakala wa kupunguza hubadilika kuwa wakala wa vioksidishaji, na wakala wa oksidi kuwa wakala wa kupunguza:

wakala wa kupunguza - ne ↔ kioksidishaji

kioksidishaji + ne ↔ kipunguzaji

Kwa hivyo, mmenyuko wa redox ni umoja usioweza kutenganishwa wa athari mbili za nusu - oxidation na kupunguza, na idadi ya elektroni iliyotolewa na wakala wa kupunguza na kukubaliwa na wakala wa oksidi ni sawa.

Redox mali ya vitu rahisi na ngumu. Dutu rahisi - metali, kuwa na electronegativity ndogo, kwa urahisi kupoteza elektroni, kuonyesha sifa za kurejesha pekee. Wao hutamkwa zaidi katika metali za alkali. Kwa vitu rahisi - yasiyo ya metali na high electronegativity ni tabia mali ya oksidi. Fluorini ni wakala wa oksidi kabisa, na oksijeni pia imetamka sifa za oksidi (isipokuwa kwa mmenyuko na florini, ambapo oksijeni ina jukumu la wakala wa kupunguza). Hata hivyo, metali zisizo na metali zenye uwezo mdogo wa kielektroniki, kama vile kaboni, hidrojeni, pamoja na sifa za vioksidishaji, zinaweza pia kuonyesha sifa za kupunguza, zikitoa elektroni kwa vioksidishaji vikali zaidi.

Dutu ngumu zinaweza kuwa vioksidishaji au mawakala wa kupunguza, kulingana na kiwango cha oxidation ya vipengele katika muundo wao.

Ikiwa hali ya oxidation ya kipengele katika kiwanja fulani ni cha juu, ina uwezo wa kuipunguza kwa kukubali elektroni. Dutu hii katika kesi hii itakuwa wakala wa oksidi. Vioksidishaji muhimu zaidi ni: asidi ya nitriki H HAPANA h na chumvi zake - nitrati, tetroksidi ya nitrojeni N 2 O 4 , chumvi za asidi ya perkloric HC1O 4 - perhlorates, permanganate ya potasiamu KMnO 4, nk.

Ikiwa kiwanja kina kipengele kilicho na kiwango cha chini cha oxidation, kinaweza kuongeza kwa kutoa elektroni. Dutu changamano iliyo na kipengele kama hicho itaonyesha sifa za kupunguza. Amonia ni wakala muhimu zaidi wa kupunguza. N H 3, hidrazini N 2 H 4 na derivatives yake ya kikaboni, hidrokaboni, alkoholi, amini na vitu vingine.

Ni wazi, ikiwa kiwanja kina kipengele kilicho na hali ya kati ya oksidi, kinaweza kukipunguza kwa kukubali elektroni au kukiinua kwa kutoa elektroni. Dhana za wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza katika kesi hii huwa jamaa: dutu hii, kulingana na mali ya mshirika wa mmenyuko, itaonyesha mali ya vioksidishaji au ya kupunguza. Mfano ni peroxide ya hidrojeni H 2 O 2, hali ya oxidation ya oksijeni ambayo ni -1. Thamani yake inaweza kupungua hadi -2 kwa kuongeza elektroni moja au kuongezeka hadi 0 kwa kuitoa. Kwa hivyo, wakati wa kuingiliana na mawakala wa kupunguza nguvu, peroksidi ya hidrojeni hufanya kama wakala wa vioksidishaji, na inapojibu na mawakala wa vioksidishaji wenye nguvu, hufanya kama wakala wa kupunguza.

Kuchora milinganyo ya athari za redox.

Athari za redox mara nyingi huonyeshwa na hesabu ngumu. Ili kuchagua coefficients ndani yao, njia mbili hutumiwa: njia ya equations elektroniki na njia ya equations elektroni-ion.

Njia ya equations za elektroniki kwa kuzingatia dhana ya hali ya oxidation. Ni ya ulimwengu wote na inatumika kwa aina zote za athari za redox. Mbinu ni pamoja na shughuli zifuatazo:

1. Andika mpango wa mmenyuko unaoonyesha kiwango cha oxidation ya vitu, kwa mfano:

2. Kuamua vipengele ambavyo vimebadilisha kiwango cha oxidation. Katika mmenyuko huu, hali ya oxidation ilibadilishwa na kaboni na nitrojeni, wakati kwa hidrojeni na oksijeni, hali ya oxidation ilibakia bila kubadilika.

3. Tunga milinganyo ya kielektroniki kwa nusu ya athari za oksidi na kupunguza kufuata usawa wa raia na malipo:

Idadi ya elektroni iliyotolewa na wakala wa kupunguza na kukubaliwa na wakala wa vioksidishaji lazima iwe sawa, hivyo equation ya kwanza inapaswa kuzidishwa na tatu, na ya pili na nne. Vizidishi vilivyoonyeshwa ni mgawo wa wakala wa kupunguza C, wakala wa vioksidishaji HNO3 na bidhaa za mabadiliko yao CO na HAPANA:

3C + 4HNO 3 ® 3CO 2 + 4NO + H 2 O,

4. Coefficients kwa vitu vilivyobaki, vinavyojumuisha vipengele vilivyo na hali ya oxidation ya mara kwa mara, hupatikana kutoka kwa usawa wa atomi zinazofanana upande wa kushoto na wa kulia wa equation. Katika mmenyuko unaozingatiwa, dutu kama hiyo ni maji, kabla ya formula ambayo unahitaji kuweka sababu ya mbili. Equation ya mwisho itaandikwa kama ifuatavyo:

3C + 4HNO 3 ® 3CO 2 + 4NO + 2H 2 O

Njia ya milinganyo ya elektroni kutumika katika utayarishaji wa milinganyo kwa athari zinazotokea katika suluhu za elektroliti. Katika kesi hii, hali ya oxidation haijaamuliwa, na michakato ya oxidation na kupunguza ni kumbukumbu. ya kweli ions na molekuli katika suluhisho.

Ili kudumisha usawa wa wingi, chembe za kati ambayo majibu ya majibu hutumiwa. Katika ufumbuzi wowote wa maji, haya ni molekuli ya maji, katika ufumbuzi wa tindikali, H + ions ya ziada, na katika ufumbuzi wa alkali, OH - ions.

Mlolongo wa vitendo ni kama ifuatavyo:

1. Tengeneza mpango wa mmenyuko wa ioni, kuandika elektroliti zenye nguvu kwa namna ya ions, gesi, dutu zisizo na maji na elektroliti dhaifu kwa namna ya molekuli:

C + H + + NO 3 - ® CO 2 + NO + H 2 O

2. Andika milinganyo ya elektroni-ioni ya athari za nusu ya oxidation na kupona.

Katika mmenyuko huu, kaboni C hufanya kama wakala wa kupunguza, ambayo, ikioksidishwa, hubadilika kuwa kaboni dioksidi CO 2. Ili kudumisha usawa wa wingi, molekuli mbili za H 2 O zinaongezwa kwa upande wa kushoto wa equation, na ions nne za H zinaongezwa kwa upande wa kulia. Salio la malipo hudumishwa kwa kutoa elektroni nne kutoka upande wa kushoto wa mlinganyo:

C + 2H 2 O - 4e ® C O 2 + 4H +

Kioksidishaji ni ioni. NO 3 - , kugeuka kuwa HAPANA , Usawa wa molekuli hutolewa katika kesi hii kwa kuongeza molekuli mbili H2O upande wa kulia wa equation na ioni nne za H + upande wake wa kushoto. Kwa kuwa malipo ya jumla ya chembe upande wa kushoto wa equation ni pamoja na tatu, na upande wa kulia ni sifuri, elektroni tatu lazima ziongezwe upande wa kushoto:

NO 3 - + 4Н + + 3е ® HAPANA + H 2 O

3. Fanya muhtasari wa milinganyo ya nusu-majibu, baada ya kusawazisha nambari za elektroni zilizotolewa na zilizopokelewa hapo awali:

Baada ya kupunguzwa kwa masharti sawa, mtu anapata equation ya ionic:

ZS + 4H + + 4 NO 3 - ® ZSO 2 + 4 HAPANA + 2H 2 O

4. Kuchanganya ions katika molekuli na kupata mwisho mlinganyo wa molekuli majibu:

3C + 4H NO 3 ® 3CO 2 + 4 HAPANA + 2H 2 O

Kwa kulinganisha njia zinazozingatiwa za kuunda hesabu za athari za redox, inapaswa kuzingatiwa kuwa zote mbili husababisha matokeo sawa ya mwisho. Walakini, njia ya milinganyo ya elektroni ni ya kuelimisha zaidi; haifanyi kazi na dhahania, lakini na ioni halisi na molekuli ambazo zipo katika suluhisho la elektroliti. Ni muhimu hasa katika kuelezea michakato ya electrochemical.

5.2. Mifumo ya electrochemical.

Uwezo wa elektroni. Michakato ya electrochemical inaitwa michakato ya mabadiliko ya pamoja ya nishati ya kemikali na umeme. Mabadiliko haya yanafanywa kama matokeo ya athari za redox zinazotokea kwenye mpaka wa awamu kati ya kondakta za elektroniki na ionic. Kondakta ya elektroniki katika kuwasiliana na conductor ionic inaitwa elektrodi.

Fikiria elektroni inayojumuisha sahani ya chuma hai - zinki, iliyotiwa ndani ya suluhisho la maji ya sulfate ya zinki, ikitengana na ioni:

ZnSO 4 ↔ Zn 2+ SO 4 2-

Kesheni za zinki zilizo na chaji chanya ziko kwenye uso wa sahani, kama matokeo ya mwingiliano na molekuli za maji ya polar, hutengana na sahani na kuingia kwenye suluhisho, elektroni hubaki kwenye chuma. Oxidation hufanyika:

Zn 0 - 2e ® Zn 2+

Wakati huo huo, mchakato wa reverse pia unafanyika: cations za zinki kutoka kwa suluhisho huvutiwa na uso wa chuma na ni sehemu ya latiti yake ya kioo. Urejeshaji unaendelea:

Zn 2+ +2е ® Zn 0

Wakati mkusanyiko wa cations za zinki katika suluhisho huongezeka, kiwango cha kutolewa kwa ions kutoka kwa chuma hupungua, na kiwango cha mpito wao ndani ya chuma huongezeka. Wakati viwango vya michakato hii vinakuwa sawa, usawa wa redox kati ya chuma na ioni zake utaanzishwa kwenye kiolesura cha metali-electrolyte, ambacho tulikubali kuandika kama mchakato wa kupunguza urejesho:

Wakati wa kurekodi mzunguko wa elektroni wa elektroni, fomu yake iliyooksidishwa hutenganishwa na ile iliyopunguzwa kwa mstari: Zn +2 / Zn .

Kwa kuwa zinki ni chuma kinachofanya kazi, usawa wa mchakato huhamishiwa kushoto, ambayo ni, ioni nyingi huingia kwenye suluhisho kuliko kurudi. Matokeo yake, sahani ya zinki hupata uwezo mbaya (Mchoro 5.1 a).

Michakato sawa hutokea wakati sahani ya chuma cha shaba isiyofanya kazi inaingizwa katika suluhisho la sulfate ya shaba, ambayo hutengana na ioni:

Walakini, katika kesi hii, chuma hutuma idadi ndogo ya cations kwenye suluhisho, mchakato wa mvua ya cations kwenye chuma hutawala, na usawa hubadilishwa kwenda kulia:

Electrodi ya shaba C wewe 2+ / Cu hupata uwezo mzuri (Mchoro 5.1.).

Kielelezo 5.1. Mpango wa tukio la uwezo wa electrode

a) chuma hai; b) chuma kisichofanya kazi

Thamani kamili ya uwezo wa elektrodi haiwezi kupimwa, kwa hivyo, inapimwa kulingana na uwezo wa elektrodi ya kumbukumbu, ambayo hutumiwa kama electrode ya kawaida ya hidrojeni (Mchoro 5.2). Ni sahani ya platinamu katika suluhisho la maji ya asidi ya sulfuriki na mkusanyiko wa ioni za hidrojeni CH + = 1 mol / l, iliyoosha na hidrojeni na shinikizo la 101.3 kPa kwa joto la 293K.

Platinum ina uwezo wa kutangaza hidrojeni na kwenye mpaka

Kielelezo 5.2. Mpango wa electrode ya hidrojeni

mgawanyiko wa awamu, usawa umeanzishwa kati ya molekuli na ioni za hidrojeni:

2Н + + 2е ↔ Н 2

Uwezo unaolingana wa elektrodi huchukuliwa kwa masharti kama sifuri, E 0 2H + / H2 = 0.

Uwezo wa kawaida wa elektrodi ya chuma ni tofauti inayoweza kutokea kati ya chuma kilichowekwa ndani ya mmumunyo wa chumvi yake na mkusanyiko wa ioni za chuma C M. n + \u003d 1 mol / l kwa joto la 293K na electrode ya kawaida ya hidrojeni.

Electrode ya kawaida uwezo ni kipimo cha shughuli ya redox ya mfumo.

KUTOKA ongezeko la thamani ya uwezo wa kawaida wa electrode, shughuli za kupunguza mfumo hupungua, na oxidative.- inakua.

Kwa hivyo, kwa kuongezeka kwa thamani ya uwezo wa kawaida wa elektroni ya metali, shughuli za kupunguza atomi zao hupungua na shughuli ya oksidi ya ioni huongezeka.

Ulinganisho wa uwezo wa electrode wa athari za nusu hufanya iwezekanavyo kuteka hitimisho kuhusu mwelekeo wa mchakato wa redox.

Fikiria mmenyuko tofauti wa redoksi ambao hutokea wakati sahani ya zinki inapowekwa kwenye suluhisho la sulfate ya shaba, ambayo hutengana na ioni (Mchoro 5.3a):

CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 2-

Uwezo wa elektrodi wa zinki na shaba una maadili yafuatayo:

Zn 2+ + 2e ↔ Zn 0; E 0 \u003d - 0.76 B

Cu 2+ + 2 e ↔ Cu 0; E 0 \u003d +0.34 V

Kama inavyoonekana, uwezo wa kawaida wa elektroni kwa mfumo wa pili ni wa juu kuliko wa kwanza. Kwa hivyo, inapogusana, mfumo wa pili utafanya kama wakala wa vioksidishaji, wa kwanza - kama wakala wa kupunguza. Kwa maneno mengine, majibu ya pili yatatoka kushoto kwenda kulia, na ya kwanza - kwa upande mwingine, yaani, zinki itatoa elektroni kwa ioni za shaba, na hivyo kuondoa shaba kutoka kwa ufumbuzi wake wa chumvi (Mchoro 5.3 a):

Uwezo wa electrode hutokea si tu kutokana na kubadilishana kwa ions kati ya chuma na ufumbuzi wake wa chumvi. Athari yoyote ya nusu ya redox inaonyeshwa na thamani fulani ya uwezo wa elektroni, kwa mfano:

CO 2 + 4H + + 4e ↔ C + 2H 2 O; E° = +0.21 b,

NO 3 - + 4Н + + 3 e ↔ NO + 2 H 2; E° = +0.96 B

Katika kesi hii, mali ya oksidi hutamkwa zaidi kwa ion NO 3 - , kwa hivyo ioni hii itaongeza kaboni, ikipunguzwa kuwa oksidi ya nitriki HAPANA (tazama 5.1).

Thamani ya uwezo wa elektroni sio mara kwa mara, inategemea mambo kadhaa, haswa, juu ya uwiano wa aina zilizooksidishwa na zilizopunguzwa za dutu hii. Utegemezi huu unaonyeshwa Equation ya Nernst, ambayo kwa joto la kawaida la 293K imeandikwa kama:

(5.1),

wapi: E - uwezo wa elektroni kwa viwango fulani vya C ok iliyooksidishwa na kupunguzwa kwa aina za C za kurejesha dutu hii, mol / l,

E ° - uwezo wa kawaida wa elektrodi,

n ni idadi ya elektroni zinazohamishwa.

Kwa elektroni za chuma katika suluhisho la chumvi, fomu iliyopunguzwa ni atomi za chuma, mkusanyiko wake ambao ni thamani ya mara kwa mara C M = const . Katika kesi hii, equation ya Nernst inachukua fomu:

(5.2)

wapi:

C m + n - mkusanyiko wa ions za chuma, mol / l;

n ni malipo ya ioni.

Vyanzo vya kemikali vya sasa vya umeme. Katika mifumo inayozingatiwa, mpito wa elektroni kutoka kwa wakala wa kupunguza hadi wakala wa oxidizing hufanyika kwa machafuko, kwa sababu hiyo, nishati ya kemikali inabadilishwa kuwa nishati ya joto.

Inawezekana, hata hivyo, kwa kugawanya kwa anga taratibu za oxidation na kupunguza, kupata harakati iliyoelekezwa ya elektroni - sasa ya umeme. Kifaa ambacho nishati ya kemikali ya mmenyuko wa redox inabadilishwa kuwa nishati ya umeme inaitwa chanzo cha sasa cha kemikali au seli ya galvanic.

Kielelezo 5.3. Mchakato wa redox tofauti:

a - haijagawanywa kwa anga; c - kutengwa kwa anga

Mchoro 5.3 unaonyesha mchoro wa seli ya galvani ya Daniel-Jacobi, inayojumuisha elektroni za zinki na shaba zilizowekwa kwenye suluhisho la maji la sulfati za metali hizi. Suluhisho zimeunganishwa na daraja la electrolytic - tube iliyojaa suluhisho la electrolyte, kwa mfano, kloridi ya potasiamu. Wakati elektroni zimefupishwa kupitia mzigo, elektroni ya zinki hupitia mchakato wa oxidation na kutolewa kwa ioni. Zn2+ suluhisho; elektroni iliyotolewa hupitia mzunguko wa nje kwa electrode ya shaba, ambapo C ions hupunguzwa u+2 kutoka kwa suluhisho la sulfate ya shaba.

Electrode ambayo mchakato wa oxidation hufanyika inaitwa anode, electrode ambayo mchakato wa kupunguza unafanyika inaitwa cathode. Katika kiini cha shaba-zinki, electrode ya zinki ni anode, na electrode ya shaba ni cathode. Wakati wa uendeshaji wa kipengele, anode ya zinki hupasuka hatua kwa hatua, na shaba huwekwa kwenye cathode ya shaba. Kwa hivyo, electrode ya zinki inafanya kazi, nyenzo zake zinahusika moja kwa moja katika mchakato wa redox. Electrode ya shaba ina jukumu la passiv kama kondakta wa elektroni; nyenzo zake hazishiriki katika mchakato wa redox.

Mchakato wa redox unaotokea kwenye elektroni huvuruga usawa wa ionic katika suluhisho - ziada ya ioni huundwa kwenye elektrodi ya shaba. SO 4 2- , katika zinki - ukosefu wao. Matokeo yake, harakati za ions hutokea katika mzunguko wa ndani SO 4 2- kutoka kwa suluhisho la sulfate ya shaba hadi suluhisho la sulfate ya zinki.

Mpango wa electrochemical wa kipengele hiki unaweza kuandikwa kama:

ambapo upau mmoja wima unaashiria mpaka kati ya vikondakta vya kielektroniki na ioni, na pau mbili za wima huashiria mpaka kati ya vikondakta viwili vya ioni.

Nguvu ya kielektroniki (EMF) ya kipengele katika viwango vya kawaida vya ioni (1 mol/l) inaweza kuhesabiwa kama tofauti kati ya uwezo wa kawaida wa cathode na anode:

EMF = D E ° \u003d E 0 paka - E 0 na \u003d E 0 C u 2 +/ C u - E 0 Zn 2 +/ Zn \u003d +0.34 - (- 0.76) \u003d 1.1 B.

Ikiwa viwango vya ioni vinatofautiana na viwango vya kawaida, ni muhimu kuhesabu uwezo wa elektroni kwa viwango fulani kwa kutumia formula 5.2 na kisha kuchukua tofauti zao.

Kimsingi, mmenyuko wowote wa redox unaweza kutumika kutoa nishati ya umeme, mradi michakato ya oxidation na upunguzaji imetenganishwa kwa anga. Vifaa vya kazi vya electrodes vinaweza kuwa si metali tu, bali pia zisizo za metali, pamoja na oksidi, hidroksidi na vitu vingine ngumu. Kwa hiyo, katika kesi ya mmenyuko wa oxidation ya kaboni na asidi ya nitriki (tazama 5.1), sasa umeme unaweza kupatikana ikiwa electrodes ya kaboni na platinamu huingizwa kwenye suluhisho la asidi ya nitriki na kufungwa na conductor ya chuma. Katika kesi hii, anodi ya kaboni inayofanya kazi hutiwa oksidi na malezi ya dioksidi kaboni C O2 , kwenye cathode ya platinamu ya passiv, ioni za nitrati zinapunguzwa NO 3 - hadi oksidi ya nitriki NO . Mpango wa kipengele unaweza kuandikwa kama:

EMF \u003d D E ° \u003d E ° paka - E ° na \u003d E ° HAPANA 3 - / HAPANA - E ° CO 2 / C \u003d 0.96 - 0.21 \u003d 0.75 KATIKA

thamani ya D E° inahusiana na nishati ya kawaida ya Gibbs ya mmenyuko ( D G °) uwiano:

D G °=- nF D E ° (5.3)

wapi n ni idadi ya elektroni zinazohamishwa wakati wa majibu, F Nambari ya Faraday (96500 C).

Equation 5.3 huanzisha uhusiano kati ya kemikali na umemeaina za nishati. Inaruhusu thamani inayojulikana G kuhesabu E seli ya galvanic na kinyume chake, kujua E kuhesabu G.

Vipengele vya mafuta. Kiini cha mafuta ni aina ya seli ya galvanic ambayo nishati ya umeme hupatikana kama matokeo ya mchakato wa redox kati ya vipengele vya mafuta - mafuta (reductant) na oxidizer, inayotolewa kwa electrodes kutoka nje. Hidrojeni, monoksidi kaboni, methane, alkoholi zinaweza kutumika kama mafuta, na oksijeni, hewa, peroxide ya hidrojeni na vitu vingine vinaweza kutumika kama wakala wa vioksidishaji. Kwa hiyo, katika seli za mafuta, tofauti na injini za joto, nishati ya kemikali ya mafuta inabadilishwa moja kwa moja kuwa nishati ya umeme, hivyo ufanisi wao ni 1.5 - 2.0 zaidi kuliko injini za joto. Aidha, wao kwa kiasi kikubwa chini ya kuchafua mazingira.

Kielelezo 5.4. Kiini cha mafuta ya hidrojeni-oksijeni

Kwa sasa, kiini cha mafuta ya hidrojeni-oksijeni kimepata matumizi ya vitendo (Mchoro 5.4).

Ina chuma mbili za porous au electrodes kaboni na viongeza vya kichocheo. Suluhisho la maji la 40 - 85% la hidroksidi ya potasiamu hutumiwa kama elektroliti. Mpango wa electrochemical wa kipengele:

Hidrojeni ya gesi na oksijeni hutolewa kwa electrodes huenea kwa njia ya electrodes katika mwelekeo wa electrolyte, ni adsorbed juu ya uso wa pores, na ni kuanzishwa na kichocheo. Hii hurahisisha na kuharakisha michakato ya oxidation ya hidrojeni kwenye anode na upunguzaji wa oksijeni kwenye cathode:

H 2 + 2 OH - - 2е ® 2 H 2 O

1/2O 2 + H 2 O + 2e ® 2OH -

Mlinganyo wa jumla wa majibu:

H 2 + 1 / 2O 2 ® H 2 O

Bidhaa ya mmenyuko, maji ya mvuke, huondolewa na mkondo wa hidrojeni, ambayo, baada ya kujitenga kwa maji, inarudi kwenye mfumo. Kwa hivyo, "mwako wa baridi" wa hidrojeni katika oksijeni unafanywa na kutolewa kwa nishati katika fomu ya umeme.

Betri.Michakato ya redox inayotokea wakati wa uendeshaji wa seli za galvanic inaweza kuwa isiyoweza kutenduliwa au kubadilishwa. Ipasavyo, vyanzo vya sasa vya kemikali vinaweza kuwa vya hatua moja na nyingi. Seli za galvanic zinazoweza kutumika tena huitwa betri. Wakati betri inafanya kazi katika hali ya sasa ya chanzo, mchakato wa redox huendelea moja kwa moja, na kusababisha ubadilishaji wa nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme (nishati ya Gibbs ya mmenyuko ni hasi. D G <0). Химический состав электродов при этом меняется, аккумулятор разряжается. Обратная реакция самопроизвольно не идет ( D G >0). Hata hivyo, betri iliyotolewa inaweza kushtakiwa kutoka kwa chanzo cha sasa cha nje, voltage ambayo inazidi EMF ya seli. Katika kesi hii, mchakato wa reverse wa kubadilisha nishati ya umeme katika nishati ya kemikali hufanyika, na nyenzo za electrode zinafanywa upya.

Mchakato wa redox ambao hutokea wakati sasa inapitishwa kupitia electrolyte inaitwa electrolysis.

Kama matokeo ya electrolysis, betri inaweza tena kufanya kazi kama chanzo cha sasa. Idadi ya mizunguko ya kutokwa kwa malipo inaweza kufikia mia kadhaa. Katika anga, risasi, fedha-zinki na cadmium-nickel betri hutumiwa.

Betri ya risasi (asidi). katika hali ya kushtakiwa inalingana na mzunguko wa umeme:

Katika hali ya sasa ya chanzo, wakati wa kutokwa, risasi ni oxidized kwenye electrode hasi, na dioksidi ya risasi hupunguzwa kwenye electrode nzuri. Wakati wa kuchaji, michakato ya nyuma hufanyika: kwenye elektroni hasi - kupunguzwa kwa sulfate ya risasi, kwa chanya - oxidation yake:

Katika betri ya risasi iliyoshtakiwa, kulingana na aina yake, mkusanyiko wa asidi ya sulfuriki ni 27 - 30% ya wingi. Wakati wa kutokwa, hupungua, kwani maji hutolewa kwenye electrolyte. Uzito wa elektroliti pia hupungua. Hii inafanya uwezekano, kwa kupima wiani wa electrolyte, kudhibiti kiwango cha kutokwa kwa betri.

Betri ya nikeli ya Cadmium imeundwa kulingana na mpango:

Wakati wa kutekeleza kwa electrode hasi CD iliyooksidishwa, kwa chanya - Ni(OH ) 3 imerejeshwa kwa kiasi. Wakati wa kuchaji, michakato ya nyuma hufanyika:

Betri za nickel-cadmium ni thabiti katika kufanya kazi, zinahitaji matengenezo kidogo na zina maisha marefu ya huduma kuliko betri za asidi ya risasi.

Mkusanyiko wa fedha-zinki katika hali ya kushtakiwa inalingana na mpango:

Wakati wa operesheni yake, athari zinazoweza kubadilika hufanyika: kwenye elektroni hasi - oxidation ya zinki, kwa chanya - kupunguzwa kwa oksidi ya fedha:

Faida kuu ya betri ya fedha-zinki ni uwezo wake wa juu wa nishati; kwa misa ya kitengo, inatoa nishati mara 4 hadi 6 zaidi kuliko aina zinazozingatiwa za betri.

Kutu ya metali. Kutu ni uharibifu wa chuma kama matokeo ya mwingiliano wake wa kimwili na kemikali na mazingira. Aina ya hatari zaidi na ya kawaida ya kutu ya chuma ni kutu ya umeme, ambayo hutokea wakati metali inapogusana na ufumbuzi wa electrolyte. Mara nyingi, ni matokeo ya kazi ya seli za galvanic za mzunguko mfupi, ambazo huundwa, kwa mfano, wakati wa kuwasiliana na sehemu zilizofanywa kwa metali tofauti.

Jukumu la electrolyte katika kesi hii inaweza kuchezwa na filamu nyembamba ya unyevu inayoundwa wakati wa adsorption ya mvuke wa maji kutoka anga kwenye nyuso za chuma. Kwa hivyo, wakati sehemu zilizotengenezwa kwa shaba na chuma zinagusana mbele ya maji, seli ya galvanic huundwa (Mchoro 5.5):

Kielelezo 5.5. Mpango wa kutu ya electrochemical

Iron, kama chuma hai zaidi, hutumika kama anode na hupitia oxidation, wakati kwenye cathode ya shaba, oksijeni ya hewa hupunguzwa na ushiriki wa maji:

Ili kulinda metali kutokana na kutu, mipako mbalimbali hutumiwa: chuma, isiyo ya chuma, rangi na varnish, polymer.

Mfano wa maswali ya kujitathmini:

1. Ni athari gani zinazoitwa athari za redox?

2. Nini maana ya wakala wa kupunguza au wakala wa vioksidishaji?

3. Nini maana ya njia ya milinganyo ya kielektroniki?

4. Nini maana ya njia ya milinganyo ya elektroni-ioni?

5. Ni michakato gani inayoitwa electrochemical?

6. Electrode ya kawaida ya hidrojeni ni nini?

7. Ni kipimo gani cha shughuli ya redox ya mfumo?

8. Je, mlinganyo wa Nerst unaonyesha utegemezi gani?

9. Seli ya galvanic ni nini?

10. Cathode na anode ni nini?

11. Michakato ya redox hufanyikaje kwenye betri?

12. Electrolysis ni nini?

13. Kutu ya electrochemical ni nini?

Kazi za mada namba 5

Nambari ya kazi 5.1.

Kutumia njia ya usawa wa elektroniki, tunga milinganyo ya athari za redox. Bainisha wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza:

1. NH 3 + O 2 HAPANA + H 2 O

2. HClO 3 ClO 2 + HClO 4 + H 2 O

3. AgNO 3 Ag + NO 2 + O 2

4. NH 4 NO 2 + H 2 O

5. H 2 O 2 + PbS PbSO 4 + H 2 O

6. (NH 4) 2 Cr 2 O 7 N 2 + Cr 2 O 3 + H 2 O

7. Ca 3 (PO 4) 2 + C + SiO 2 CaSiO 3 + P + CO

8. FeS + O 2 Fe 2 O 3 + SO 2

9. N 2 H 2 + O 2 N 2 + H 2 O

10. S + KOH K 2 SO 3 + K 2 S + H 2 O

Nambari ya kazi 5.2.

Tunga hesabu za athari za redox:

1) njia ya usawa wa elektroniki;

2) njia ya ion-elektroniki.

Taja wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza.

1. P + NO 3 H 3 PO 4 + NO 2 + H 2 O

2. Zn + HNO 3 Zn (NO 3) 2 NO 2 +H 2 O

3. K 2 Cr 2 O 7 + H 2 S + H 2 SO 4 S + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + H 2 O

4. KMnO 4 + KNO 2 + H 2 O KNO 3 + MnO 2 + KOH

5. FeSO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4) 3 + H 2 O

6. CrCl 3 + H 2 O 2 + NaOH Na 2 CroO 4 + NaCl + H 2 O

7. CrO 3 + KNO 3 + KOH K 2 Cro 4 + KNO 2 + H 2 O

8. PH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 H 3 PO 4 + K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O

9. Si + NaOH + H 2 O Na 2 SiO 3 + H 2

10. HCl + KMnO 4 Ci 2 + MnCl 2 + KCl + H 2 O

Nambari ya kazi 5.3.

Suluhisho:

Uwezo wa elektrodi huhesabiwa na formula ya Nernst, ambayo kwa elektroni za chuma na hidrojeni imeandikwa kama:

ambapo E ni uwezo wa elektrodi,

n ni malipo ya ioni ya chuma (hidrojeni).

Mlinganyo wa kugawanya salfati yenye feri:

Fe 2 SO 4 2 Fe 3+ +3 SO 4 2-

inaonyesha kwamba juu ya kutengana kwa 0.05 mol Fe 2 (SO 4) 3, 0.05 2 = 0.1 mol Fe 3+ ions huundwa.

Kwa hiyo C(Fe 3+ )=0.1 mol/l, n=3.

Kutoka kwa jedwali la 3 tuna E 0 (Fe3+/Fe)=-0.04.

Nambari ya kazi 5.4.

Nambari ya kazi 5.5.

Je, ni kiasi gani uwezo wa electrode ya zinki itabadilika ikiwa suluhisho la chumvi la zinki ambalo hutiwa ndani yake hupunguzwa mara 10.

Tatizo namba 5.6.

Uwezo wa electrode ya cadmium katika suluhisho la chumvi yake ni 0.52V. Kuhesabu mkusanyiko wa Cd + ions katika suluhisho.

Nambari ya kazi 5.7.

Nambari ya kazi 5.8.

Kuhesabu pH ya suluhisho ambalo uwezo wa electrode ya hidrojeni ni -100 mV.

Nambari ya kazi 5.9.

Mlingano wa majibu

Mkusanyiko wa ion, С mol / l

MnO 4 - + 8H + + 5 e Mn 2+ + 4H 2 O

C(MnO4-)=C(Mn2+)=1

ClO 3 - + 6H + + 6e Cl - + 3H 2 O

C(ClO 3 -)=C(Cl-)=0.1

Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e 2Cr 3 ++ 7H 2 O

C(Cr 2 O 7 2-)=C(Cr 3+)=1

PbO 2+ 4H + +2e Pb 2 ++2H 2 O

C(Pb2+)=0.1

Suluhisho la 1:

Uwezo wa elektrodi E redox hukokotolewa kwa kutumia mlinganyo wa Nerst:

ambapo E 0 kiwango cha electrode uwezo;

n ni idadi ya elektroni zinazohusika katika mmenyuko;

C ok, C kurejesha - bidhaa za viwango vya vitu katika fomu zilizooksidishwa na zilizopunguzwa, kwa mtiririko huo.

Katika mfumo huu, Mn 4 ions ni katika fomu iliyooksidishwa - na H+ , katika iliyopunguzwa - ioni ya Mn 2+ na molekuli ya H 2 O. Elektroni 5 hushiriki katika majibu. Kwa kuzingatia kwamba mkusanyiko wa maji unabaki kivitendo mara kwa mara na huingia thamani ya E 0, tunayo:

Kulingana na jedwali 3: E 0 (MnO 4 - /Mn 2+)=+1.51V.

Kubadilisha maadili ya nambari, hatimaye tunapata:

Nambari ya kazi 5.10.

Andika equations ya michakato ya electrode inayotokea wakati wa uendeshaji wa seli ya galvanic. Kuhesabu EMF ya kipengele katika viwango fulani, C mol / l.

Mpango wa kipengele

С, mol/l

Zn/Zn 2+ //Pb 2+ /Pb

C(Zn2+)=0.2, C(Pb2+)=0.04

Mn/Mn 2+ //Ni 2+ /Ni

C(Mn 2+)=0.1, C(Ni 2+)=0.01

Fe/Fe 2+ //Cu 2+ /Cu

C(Fe 2+)=1, C(Cu 2+)=0.5

H 2 /2H + //Ag + /Ag

C(H+)=0.01, C(Ag+)=0.1

Ni/Ni 2+ (C 1)//Ni 2+ (C 2)/Ni

C 1 (Ni 2+)=0.1, C 2 (Ni 2+)=0.01

Cu/Cu 2+ //Fe 3+ /Fe 2+

C(Cu 2+)=1, C(Fe 3+)=C(Fe 2+)=1

Suluhisho la 1:

Kulingana na data katika Jedwali la 3, inaweza kuhitimishwa kuwa chuma cha zinki kinachofanya kazi zaidi kitakuwa anode katika kipengele hiki, na chuma cha risasi kidogo kitakuwa cathode.

Nguvu ya kielektroniki ya seli ya galvanic ni sawa na tofauti kati ya uwezo wa elektrodi wa kioksidishaji (cathode) na kipunguzaji (anodi):

Kwa kutumia fomula ya Nerst, tunayo:

Nambari ya kazi 5.11.

Amua ni mwelekeo gani mtiririko wa hiari unawezekana chini ya hali ya kawaida ya majibu haya. Kuhesabu thamani ya mara kwa mara ya usawa wa majibu.

Mlingano wa majibu

2С l - + 2Fe 3+ 2Fe 2+ +Cl 2

H 2 O 2 + HClO H + Cl + O 2 + H 2 O

5H 2 O 2 +H + +2IO 3 I 2 +5O 2 +6H 2 O

Sn4+ +2I - Sn2+ +I2

Sn4+ +H2S Sn2+ +S+2H+

H 2 S + 4H 2 O 2 2H + + SO4 2- + 4H 2 O

Suluhisho la 1:

Kuamua mwelekeo wa mmenyuko wa redox, ni muhimu kupata EMF ya kiini cha galvanic kilichoundwa kutoka kwa oxidizer mbili na wakala wa kupunguza.

ambapo E 0 sawa, E 0 kurejesha - uwezo wa kawaida wa wakala wa vioksidishaji na wakala wa kupunguza.

Mmenyuko inawezekana ambayo, kwa kuwa katika kesi hii mabadiliko katika nishati ya Gibbs ni thamani hasi.

wapi n ni idadi ya elektroni zinazoshiriki katika majibu;

F Nambari ya Faraday, sawa na 96480 C / mol.

Kwa upande wake, mabadiliko katika nishati ya Gibbs yanahusiana na usawa wa mara kwa mara na uhusiano:

Kwa hiyo,

wapi

, .

Uwezo wa kawaida wa elektrodi ni sawa (tazama jedwali 3):

Cl2 + 2e 2Cl - E 0 (Cl 2 / 2Cl -) \u003d 1.36 B

Fe 3+ + e Fe 2+ E 0 (Fe 3+ /Fe 2+ = 0.77 B

Tangu E 0 (C l 2 / 2C l)> E 0 (Fe 3+ / Fe 2+ ) klorini itatumika kama wakala wa vioksidishaji, na ioni ya Fe 2+ kama wakala wa kupunguza.

Milinganyo ya mchakato wa electrode:

Muhtasari wa Mlingano:

Cl 2+ 2Fe 2+ 2 Cl - + Fe 3+

Kwa hivyo, majibu yanayozingatiwa yataendelea kutoka kulia kwenda kushoto.

K=10 20

Nambari ya kazi 5.12.

Kukokotoa thamani ya uwezo wa elektrodi ya redoksi iliyopatikana kwa kutumbukiza waya ya platinamu katika mmumunyo wa maji unaojumuisha kwa wakati mmoja chumvi mbili A na B na viwango vya C A na C B, mol/l kwa thamani fulani ya pH.

S A

M B

Na 2 Kr 2 O 7

Cr2(SO4)3

0,2

NaClO 2

NaClO

0,1

0,3

KClO 4

NaClO3

0,2

0,3

Na2SO4

K2SO3

0,05

0,08

CrCl 3

CrCl2

0,2

0,8

NaNO 3

NaNO 2

0,01

0,09

Na 2 S 2 O 8

Na2SO4

0,1

0,2

KMnO 4

K2MnO 4

0,3

0,6

Fe 2 (SO 4) 3

FeSO4

Ce(SO4)2

Ce 2 (SO 4) 3

0,002

0,001

0,5

Suluhisho la 1:

Suluhisho iliyo na aina zote zilizooksidishwa na zilizopunguzwa za kipengele sawa (katika kesi hii, chromium) inaitwa mfumo wa redox. Kwa ujumla, equation ya mmenyuko wa redox kwa elektrodi ya redox ni:

Oh+nyekundu,

wapinni idadi ya elektroni zinazohusika katika mmenyuko, na Ox naNyekundu- fomu iliyooksidishwa na iliyopunguzwa ya kipengele. Kuamua thamani ya uwezo wa elektrodi wa mfumo kama huu, mtu anapaswa kutumia mlinganyo wa Nerst:

Rasmi, katika kesi hii, hali ya oxidation katika mchakato wa electrode hubadilisha chromium

Cr 6+ + 3 eCr 3+ ,

yaani, fomu iliyooksidishwa itakuwaCr 6+ - iliyo na fomu, lakini hii haimaanishi kuwa inawezekana kuandika thamani ya shughuli kwa kutumia logarithm katika mlinganyo wa Nerst.Cr 6+ . Hii ni kutokana na ukweli kwamba chembe yenyewer 6+ haipo katika suluhisho la maji, ni sehemu ya chembe ngumu zaidiCr 2 O 7 2- , kwa hiyo dhana ya shughuli, yaani, mkusanyiko wa wazi wa chembe zisizopoCr 6+ isiyo na maana. Inaweza kubainisha shughuli (au ukolezi) wa chembeCr 2 O 7 2- , lakini basi equation ya mchakato wa electrode inapaswa pia kuandikwa na ushiriki wa chembeCr 2 O 7 2-

Cr 2 O 7 2- +…. Cr 3+ +…,

hata hivyo, katika kesi hii, oksijeni iko upande wa kushoto, lakini sio upande wa kulia, kwa hiyo ni muhimu kuongeza chembe zilizo na O 2- upande wa kulia. Hakuna O 2- ioni katika mmumunyo wa maji, hata hivyo, oksijeni yenye kiwango hiki cha oxidation ni sehemu ya molekuli H 2 O au OH - ions. Kwa kuwa kwa hali mazingira ni tindikali (pH<7), концентрация ионов ОН - в этом растворе крайне мала, значит следует записывать электродный процесс на с участием этих ионов, а с участием молекул Н 2 О

Cr 2 O 7 2- + 14Н+ + 6е 2Сr 3+ + 7 H 2 O

Hivyo, katika mchakato wa electrode, pamoja na ionsCr 2 O 7 2- na Cr 3+ H + ions pia zinahusika, hivyo mkusanyiko wao pia utaathiri ukubwa wa uwezo wa electrode, yaani.

Kwa hali, mkusanyiko wa K2Cr 2 O 7 NaCr 2 (HIVYO 4 ) 3 ni 0.1 na 0.2 mol/L, mtawalia. Kwa kuwa chumvi hizi ni electrolytes kali, yaani, hutengana kabisa katika suluhisho, mkusanyiko wa ionsCr 2 O 7 2- NaCr 3+ itakuwa 0.1 na 0.4 mol / l. Katika pH = 2, mkusanyiko wa H + ions ni C (H +) \u003d 10 -pH \u003d 10 -2, kutoka hapa:

Dhana kuu:

· mmenyuko wa oxidation;

· mmenyuko wa kurejesha;

· kioksidishaji;

· wakala wa kupunguza;

· equation ya majibu ya redox;

· mfumo wa electrochemical;

· electrode ya kawaida ya hidrojeni;

· uwezo wa kawaida wa electrode;

· chanzo cha sasa cha kemikali;

· cathode;

· anode;

· seli ya mafuta;

· betri;

· electrolysis;

· kutu.

Haijalishi jinsi unavyounda kichwa cha kifungu, bado kitakuwa sahihi. Kemia na nishati zimeunganishwa pamoja katika muundo wa betri.

Betri za asidi ya risasi zinaweza kufanya kazi kwa miaka kadhaa katika njia za kutokwa kwa chaji. Wao huchaji haraka na kutolewa haraka nishati iliyohifadhiwa. Siri ya metamorphoses hizi iko katika kemia, kwa sababu ni yeye ambaye husaidia kubadilisha umeme, lakini jinsi gani?

"Siri" ya ubadilishaji wa nishati katika betri hutolewa na seti ya reagents, kati ya ambayo kuna wakala wa oxidizing na wakala wa kupunguza kuingiliana kwa njia ya electrolyte. Wakala wa kupunguza (spongy lead Pb) ina chaji hasi. Wakati wa mmenyuko wa kemikali, ni oxidizes, na elektroni zake husafiri kwa wakala wa oxidizing, ambayo ina malipo mazuri. Wakala wa oxidizing (lead dioksidi PbO2) hupunguzwa, na matokeo ni sasa ya umeme.

Electrolyte ni kioevu ambacho ni conductor maskini wa sasa, lakini conductor nzuri kwa ions. Hii ni suluhisho la maji ya asidi ya sulfuriki (H2SO4). Katika mmenyuko wa kemikali, mchakato unafanyika ambao unajulikana kwa kila mtu kutoka shuleni - kutengana kwa electrolytic.

Wakati wa majibu, - ions chaji chanya (H +) hutumwa kwa electrode chanya, na ions chaji hasi (SO42-) kwa hasi. Wakati betri inapotolewa, basi kutoka kwa wakala wa kupunguza (spongy lead), kupitia electrolyte hadi electrode nzuri, ions yenye malipo mazuri ya Pb2 + hutumwa.

Ioni za risasi za robo (Pb4+) hubadilishwa kuwa ioni za divalent (Pb4+). Walakini, hii sio athari zote za kemikali. Wakati ioni za mabaki ya tindikali yenye chaji hasi (SO42-) ikichanganyika na ioni za risasi zenye chaji chanya (Pb2+), salfate ya risasi (PbSO4) huundwa kwenye elektrodi zote mbili. Lakini hii tayari ni mbaya kwa betri. Sulfation hufupisha maisha ya betri na inaweza kuongezeka kwa muda, na kusababisha kuharibika kwa betri. Madhara ya athari za kemikali katika betri za kawaida za asidi ya risasi ni gesi.

Ni nini hufanyika wakati betri inachajiwa tena?

Elektroni hutumwa kwa electrode na malipo hasi, ambapo hufanya kazi yao - hupunguza ioni za risasi (Pb2+). Athari za kemikali zinazotokea kwenye betri zinaweza kuelezewa na fomula ifuatayo:

Uzito wa elektroliti, na kiwango chake katika betri, inategemea ikiwa betri imeshtakiwa au imetolewa. Mabadiliko katika wiani wa elektroliti yanaweza kuelezewa na formula ifuatayo:

Ambapo kiwango cha kutokwa kwa betri, ambacho hupimwa kama asilimia, ni Cp. Msongamano wa elektroliti inapochajiwa kikamilifu ni Rz. Msongamano wa elektroliti wakati wa kutokwa kamili - Pр.

Kiwango cha joto ambacho vipimo vinafanywa ni + 25 ° C, Uzito wa electrolyte kwa mujibu wa joto ni + 25 ° C, g / cm3 - P25.
Wakati wa mmenyuko wa kemikali, electrodes chanya hutumia asidi mara 1.6 zaidi kuliko electrodes hasi. Wakati betri inapotolewa, kiasi cha electrolyte huongezeka, na inaposhtakiwa, kinyume chake, hupungua.
Kwa njia hii, kwa msaada wa athari za kemikali, betri hupokea na kisha hutoa nishati ya umeme.

Wakati zinki ya chuma imewekwa kwenye suluhisho la sulfate ya shaba, mmenyuko wa redox hufanyika:

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Athari zote za nusu (kupunguza na oxidation) hutokea wakati huo huo katika hatua ya kuwasiliana na zinki na suluhisho. Zinki hutoa elektroni mbili kwa cation ya shaba, oxidizing katika mchakato.

Ikiwa unafanya kinyume na kuweka shaba ya chuma katika suluhisho la sulfate ya zinki, basi hakuna kitu kitatokea. Jihadharini na shughuli za metali! Zinki inafanya kazi zaidi kuliko shaba - inatoa elektroni kwa urahisi zaidi.

Katika mfano uliojadiliwa hapo juu, majibu ya nusu yalitokea kwenye tovuti moja. Ni nini hufanyika ikiwa tutatenganisha athari za nusu ya kupunguza na oxidation? Katika kesi hii, elektroni zitapita kutoka kwa wakala wa kupunguza hadi kwa wakala wa oksidi kupitia mzunguko wa nje, ambao utatumika kama kondakta wa sasa wa umeme. Ndiyo, ndiyo - mtiririko ulioelekezwa wa elektroni sio kitu lakini sasa ya umeme.

Kifaa cha kubadilisha nishati ya athari za kemikali katika nishati ya umeme inaitwa seli za galvanic, au, kwa maneno rahisi, - betri za umeme.

Sahani ya shaba (electrode hasi - anode) inaingizwa kwenye chombo na sulfate ya shaba.

Sahani ya zinki (electrode chanya - cathode) - katika suluhisho la sulfate ya zinki.

Sahani zimeunganishwa na kondakta wa chuma. Lakini ili umeme wa sasa uonekane kwenye mzunguko, ni muhimu kuunganisha vyombo na daraja la chumvi (tube iliyojaa salini iliyojilimbikizia). Daraja la chumvi huruhusu ioni kuhama kutoka chombo kimoja hadi kingine, wakati suluhu hubakia kutokuwa na umeme. Nini kinaendelea na mfumo?

Zinki ni oxidized: atomi za zinki hugeuka kuwa ions na kwenda kwenye suluhisho. Elektroni iliyotolewa huhamia kwenye mzunguko wa nje kwa electrode ya shaba, ambapo ioni za shaba hupunguzwa. Elektroni zinazokuja hapa huchanganyika na ioni za shaba zinazoacha suluhisho. Katika kesi hiyo, atomi za shaba huundwa, ambazo hutolewa kwa namna ya chuma. Miunganisho ya daraja la chumvi huhamia kwenye chombo cha electrode ya shaba ili kuchukua nafasi ya ioni za shaba zilizotumiwa. Anions za daraja la chumvi huhamia kwenye chombo cha electrode ya zinki, kusaidia kudumisha ufumbuzi usio na umeme na cations za zinki zinazosababisha.

Tofauti inayowezekana (voltage) katika mfumo kama huo itakuwa kubwa zaidi, zaidi ya metali ni kutoka kwa kila mmoja katika safu ya shughuli.

2. Kipengele cha kavu

Betri za umeme za kaya hutumia seli kavu inayojumuisha:

kesi ya zinki (anode);
iko ndani ya mwili wa fimbo ya grafiti (cathode).

Fimbo imezungukwa na safu ya oksidi ya manganese na kaboni nyeusi, na safu ya kloridi ya amonia na kloridi ya zinki hutumiwa kama elektroliti. Kama matokeo, athari zifuatazo hufanyika:

mmenyuko wa oksidi: Zn (t) → Zn 2+ + e -
majibu ya kurejesha: 2MnO 2 (t) + 2NH 4 + + 2e - → Mn 2 O 3 (t) + 2NH 3 (suluhisho) + H 2 O (l)

Seli kavu ya alkali hutumia hidroksidi ya potasiamu ya alkali kama elektroliti badala ya kloridi ya amonia yenye tindikali, ambayo huongeza maisha ya seli, kwa sababu mwili hauharibiki haraka sana.

Hasara kuu ya seli za galvanic ni ukweli kwamba umeme huzalishwa mpaka moja ya reagents itaisha.

3. Betri

Betri huondoa drawback kuu ya seli za kavu - maisha mafupi ya huduma, kwa vile zinaweza kurejeshwa, na kwa hiyo, muda wa uendeshaji wao huongezeka mara nyingi na hufikia miaka kadhaa.

Betri ya kawaida ya asidi ya risasi ina vipengele sita (makopo) yaliyounganishwa kwa mfululizo. Kila benki inatoa voltage ya 2V, na jumla yao = 12V.

Lead hutumiwa kama anode. Cathode ni dioksidi ya risasi (PbO 2). Electrodes huingizwa katika suluhisho la asidi ya sulfuriki (H 2 SO 4). Wakati mzunguko umefungwa kwenye betri, athari zifuatazo hutokea:

Kwenye anode: Pb (t) + H 2 SO 4 (p-p) → PbSO 4 (t) + 2H + + 2e -

Kwenye cathode: 2e - + 2H + + PbO2 (t) + H 2 SO 4 (p-p) → PbSO 4 (t) + 2H 2 O (l)

Jumla: Pb (t) + PbO 2 (t) + 2H 2 SO 4 (p-p) → 2PbSO 4 (t) + 2H 2 O (l)

Betri (wakati gari iko katika hali nzuri) hutumikia tu kuanza injini. Wakati wa kuanza, sasa muhimu inapita kwenye mzunguko (makumi ya amperes), kwa hiyo, malipo ya betri hutumiwa haraka sana (kwa dakika chache). Baada ya injini kuanza, nguvu zote za gari huchukuliwa na alternator. Wakati injini inafanya kazi, jenereta huchaji tena betri: athari za awali za redox zinaendelea kwa mwelekeo tofauti:

2PbSO 4 (t) + 2H 2 O (l) → Pb (t) + PbO 2 (t) + 2H 2 SO 4 (p-p)

Matokeo yake, risasi na dioksidi ya risasi hupunguzwa.

4. Electroplating

Kiini cha seli za electrolytic ni utekelezaji wa athari za kemikali kwa gharama ya umeme - kupunguzwa kwa cathode na oxidation kwenye anode.

Mmenyuko wa redox unaotokea kwenye elektrodi wakati mkondo wa umeme unapita kupitia seli ya elektroliti huitwa electrolysis:

Electrolysis ya maji: 2H 2 O (g) → 2H 2 (g) + O 2 (g)

Seli za electrolytic hutumiwa kuzalisha electroplating. Katika kesi hiyo, chuma moja hutumiwa kwenye safu nyembamba kwenye uso wa chuma kingine.

Chanzo cha umeme katika electroplating ni chanzo cha sasa cha nje. Bar ya dhahabu ni chanzo cha ioni za dhahabu, ambazo hurejeshwa kwenye uso wa medali.

Mipako inayotumiwa na electrolysis ni sare katika unene na ya kudumu. Matokeo yake, bidhaa ya nje haina tofauti kwa njia yoyote kutoka kwa toleo "safi", na kwa bei ni nafuu zaidi.

Betri ya asidi ya risasi iliyo tayari kutumika ina sahani za risasi zilizotiwa kimiani, ambazo baadhi yake zimejazwa na dioksidi ya risasi na nyingine na sponji ya madini ya risasi. Sahani huingizwa katika suluhisho kwenye mkusanyiko huu, conductivity ya umeme ya ufumbuzi wa asidi ya sulfuriki ni ya juu.

Wakati wa operesheni ya betri - inapotolewa - mmenyuko wa redox hufanyika ndani yake, wakati risasi ya metali hutiwa oksidi.

na dioksidi ya risasi imepunguzwa:

Elektroni zinazotolewa na atomi za risasi za chuma wakati wa oxidation zinakubaliwa na atomi za risasi wakati wa kupunguza; elektroni huhamishwa kutoka electrode moja hadi nyingine kupitia mzunguko wa nje.

Kwa hivyo, risasi ya metali katika betri inayoongoza hutumika kama anode na ina chaji hasi, na hutumika kama cathode na ina chaji chanya.

Katika mzunguko wa ndani (katika suluhisho), wakati betri inafanya kazi, usafiri wa ion hutokea. Ions huenda kuelekea anode na ions kuelekea cathode. Mwelekeo wa harakati hii imedhamiriwa na uwanja wa umeme unaotokana na tukio la michakato ya electrode: anions hutumiwa kwenye anode, na cations hutumiwa kwenye cathode. Matokeo yake, ufumbuzi unabakia neutral umeme.

Ikiwa tunaongeza hesabu zinazolingana na oxidation ya risasi na kupunguza, basi tunapata equation jumla ya majibu ambayo hutokea kwenye betri inayoongoza wakati wa uendeshaji wake (kutokwa):

E. d.s ya betri ya risasi iliyochajiwa ni takriban V 2. Betri inapochaji, vifaa vyake vya cathode na anode (Pb) hutumiwa. Asidi ya sulfuri pia hutumiwa. Katika kesi hii, voltage kwenye vituo vya betri hupungua. Wakati inakuwa chini ya thamani inayoruhusiwa na hali ya uendeshaji, betri inashtakiwa tena.

Kwa kuchaji (au kuchaji), betri imeunganishwa kwenye chanzo cha sasa cha nje (pamoja na kuongeza na kutoa kwa minus). Katika kesi hii, sasa inapita kupitia betri kwa mwelekeo kinyume na ile ambayo ilipita wakati betri ilitolewa.Kwa hiyo, taratibu za electrochemical kwenye electrodes "zinabadilishwa".

Electrode inayoongoza sasa inapitia mchakato wa kupunguza

yaani electrode hii inakuwa cathode.

Electroliti ya betri ya risasi ni suluhisho la asidi ya sulfuriki iliyo na kiasi kidogo cha ioni. Mkusanyiko wa ioni za hidrojeni katika suluhisho hili ni kubwa zaidi kuliko mkusanyiko wa ioni za risasi. Kwa kuongeza, risasi katika mfululizo wa voltages ni kabla ya hidrojeni. Hata hivyo, wakati betri inachajiwa, ni risasi ambayo hupunguzwa kwenye cathode, sio hidrojeni. Hii ni kwa sababu mabadiliko ya hidrojeni kupindukia kwenye risasi ni ya juu sana (tazama Jedwali 20 kwenye ukurasa wa 295).