Электролит ерітінділерде электр тогының жүруі

Жоспары:

 

1. Электролит ерітінділерде электр тогының жүруі.
2. Фарадей заңдары.
3. Ток бойынша заттың  шығымы.
4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электролит ерітінділерде электр тогының жүруі

         Электролит – ерітіндідегі ток жүрген жүрмегеніне тәуелсіз ерітіндіде иондар күйінде болатын қосылыс. Көрінетін дәрежеде электр тоғын өткізетін ерітінділерді электролит ерітінділері деп атайды, ал суда немесе басқа еріткіштерде еріткенде электрөткізгіш ерітінділерді түзетін заттар электролиттер болып табылады. Мысалы, ас тұзы NaCl, сірке қышқылы CH3COOH, барий хлориді BaCl2 және т.б. Олардың сулы ерітінділерінің электрөткізгіштігі жоғары болады. Демек тұздардың, қышқылдардың және сілтілердің ерітінділері электр тогын өткізсе, олар электролиттер деп аталады. Электролиттер екінші текті өткізгіштерге жатады. Электролиттердегі электр тогын тасымалдаушылар - оң зарядты ион, яғни катион және теріс зарядты ион, яғни анион болып табылады. Ал электролиттердегі электр өрісін электролиттік ваннаға батырылған электродтар - анод пен катод тудырады. Катодқа қарай қозғалатын иондарды катиондар деп атайды, ал анодқа қарай қозғалатын иондарды аниондар деп атайды.

         Сұйықтардағы электр тогы. Электролиттерде электролиттік диссоциациямен қатар оған кері құбылыс рекомбинация жүреді. Электролиттердегі оң және теріс иондардың қайта бірігіп, бейтарап молекулаға айналуын рекомбинация деп атайды.

Мұндағы: - рекомбинация тұрақтысы, өлшем бірлігі  .

 

          Диссоциация және рекомбинация тұрақтылары электролиттің тегіне және температурасына тәуелді.

 

.

Бұл алынған формула  Освальдтің тепе-теңдік заңын өрнектейді.

Электролиттерден электр тогы өткенде электродтарда зат бөліну құбылысы болады. Бұл құбылысты  электролиз құбылысы деп аталады.

     Жартылай өткізгіштердегі электр тогы. Жартылай өткiзгiштер деп өткiзгiштiгi жағынан электр тогын жақсы өткiзетiн заттар мен (өткiзгiштер) электр тогын өткiзбейтiн заттар (диэлектриктер) арасында жататын заттарды айтады. Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi олардың қасиеттерiне және ондағы қоспаларға өте тәуелдi.  Жартылай өткiзгiштердегi қоспалардың мөлшерiн проценттiң он миллионнан бiр бөлiгiнен 0,1-1%-не дейiн өзгерткенде оның өткiзгiштiгiн миллиондаған есе өзгертуге болады. Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы тек терiс заряд- электрондармен ғана емес, сонымен қатар оң зарядтар- кемтiктермен тасымалданады. Кемтiк зарядының абсолют шамасы электронның зарядына тең. Егер ешқандай қоспасы болмайтын идеал жартылай өткiзгiштiң электр тогын өткiзуi оның меншiктi электр өткiзгiштiгiмен анықталады.

Жартылай өткiзгiш  кристалындағы атомдар сыртқы электрондық қабықшадағы электрондар арқылы байланысады. Атомдардың жылулық тербелiсi кезiнде жылулық энергия байланысты құрайтын электрондар арасында бiртексiз таралады. Соның нәтижесiнде кейбiр электрондар өз атомының байланысын үзiп, кристалда еркiн орын ауыстыратындай жылулық энергия мөлшерiн алады, яғни электр тогын тасымалдаушыларға айналады (басқаша айтқанда олар өткiзгiштiк зонаға өтедi). Электронның осылай кетуi атомның электрлiк бейтараптығын бұзады және атомда заряды кеткен электрон зарядына тең оң заряд пайда болады. Осы электроны жетiспейтiн бос орын кемтiк деп аталады. Осы бос орынға көршi байланыстағы электрон көше алатын болғандықтан, кемтiк те  кристалл iшiнде орын ауыстырады және электр тогының оң зарядты тасымалдаушысы болып табылады. Осы жағдайда электрондар мен кемтiктердiң мөлшерi бiрдей болады және идеал кристалдың электр өткiзгiштiгi тең мөлшерде оң және терiс зарядтардың қозғалысымен анықталады.

 

     Егер жартылай өткiзгiштiң атомының орнына сыртқы электрондық қабатта бiр электроны артық қоспа атомын орналастырғанда, бұл электрон кристалдағы атомаралық байланысқа қатыспайды және өз атомымен нашар байланысады. Осы электрон аз энергияның өзiнде өз атомынан босап, еркiн электронға айналады. Осындай қоспаларды донорлық қоспалар, яғни электрон «беретiн қоспаларң деп аталады. Қоспа атомы оң зарядталады және бұл жағдайда кемтiк пайда болмайды. Бұл оң заряд өз атомымен байланысқандықтан электр өткiзгiштiк процесiне қатыспайды.    

 

     Жартылай өткiзгiш атомын сыртқы электрондық қабықшасындағы электрондар саны негiзгi атомның электрондарынан аз болатын қоспамен ауыстырғанда байланыстарға электрондар жетпей, бос орын қалады, яғни бұл жағдайда кемтiктер пайда болады. Жоғарыда айтылғандай осы бос орынға көршi атомнан электрон келе алады және кемтiк кристалда еркiн орын ауыстырады. Кемтiктердiң қозғалысы - бұл электрондардың бiр байланыстан көршi екiншi байланысқа көшуi болып табылады. Осындай қоспалар электрон «алатынң акцепторлық қоспалар деп аталады. Кристалдағы қоспалардың мөлшерi артқанда оның өткiзгiштiгi электрондық немесе кемтiктiк сипат алады. Negativ (терiс) деген латын сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес электрондық өткiзгiштiгi n-типтi өткiзгiштiк, positiv (оң) сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес кемтiктiк өткiзгiштiктi  p-типтi өткiзгiштiк деп аталады.

 

     Қоспалары бар жартылай өткiзгiштерде екi түрлі электр тогын тасымалдаушылар болады. Олар қоспа атомдарын енгiзу нәтижесiнде пайда болатын негiзгi электр тогын тасымалдаушылар және жылулық энергия нәтижесiнде пайда болатын негiзгi емес электр тогын тасымалдаушылар.

 

     Техникада қолданылған алғашқы жартылай өткiзгiштiк материал селен болды. Қазiргi уақытта жиi қолданылатын материалдар кремний, германий, селен болып табылады. Бұл заттар элементар жартылай өткiзгiштерге, яғни Менделеев периодтық кестесінің элементiне жататын жартылай өткiзгiштерге жатады.

 

     Жартылай өткiзгiшке енгiзетiн қоспа түрiнде бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьма жатады.     

            Газдардағы электр тогы. Газдардан электр тогының өтуі газ разряды болып табылады. Қалыпты жағдайда газ молекулалары электрлік бейтарап болады. Газдардан электр тогы өту үшін газ молекулаларын иондарға және электрондарға ыдырату қажет. Газдар сыртқы ионизаторлардың әсерінен оң иондарға және электрондарға ыдырайды. Бұндай ионизаторларға от, рентген, ультракүлгін сәулелері және т.б. әсерлер жатады.

 

          Газдың атомы (молекуласы) иондалған кезде иондалу жұмысы атқарылады. Иондалу жұмысы деп электронды атомнан жұлып шығаруға жұмсалатын энергияны айтады. Біратомды газды соққымен иондау, иондаушы бөлшектін келесі кинетикалық энергиясында жүреді:

мұндағы:   - иондалу жұмысы, М – атом массасы.

Газ разряды тәуелді және тәуелсіз болып екіге бөлінеді. Тәуелді газ разряды дегеніміз – сыртқы әсер тоқтағанда, газдардан электр тогы өту құбылысы тоқтайтын разряд, осыған қарама-қарсы құбылыс, яғни сыртқы әсер тоқтағанмен, электр тогы өту құбылыс байқалатын болса, бұл тәуелсіз разряд деп аталады.

Тәуелсіз разрядтың 4 түрі бар:

1.     Солғын разряд - салқын катоды бар разрядты түтікшелерде төменгі қысымда(бірнеше килопаскаль немесе одан төмен қысымдарда) жүреді;

2.     Ұшқындық разряд - газдардағы қалыпты атмосфералық қысымда, өте үлкен потенциалдар айырмасында жүреді (мысалы найзағай);

3.     Тәжді разряд - қалыпты атмосфералық қысымда, біртекті емес электр өрісінде жүреді;

4.     Доғалық разряд – орыс ғалымы В.В.Петров ашқан. Бұл газдық разряд электродтар арасында аз потенциалдар айырмасында, бірақ үлкен ток тығыздығында жүреді. Электрлік ток электрод пен электролиттен түзілген электрохимиялық элемент тұйықталу нәтижесінде өту мүмкін немесе электрод – электролит жүйесіне берілген сыртқы потенциалдар айырмашылығының әсерінен өтуі мүмкін. Ақырғы жағдайдағы құбылыс электрод – электролит шекарасында өтетін, электролиз деп аталатын және ол электролиттен электродта бөлінген заттардан (металдар, газ), электрод затының еруінен және электрролит құрамының өзгеруінен тұрады. Электролиз – электролиттер, яғни қышқыл, тұз балқымасы немесе ерітіндісі арқылы тұрақты ток өткенде электродтарда (катод, анод) жүретін тотығу-тотықсыздану процестері.

Фарадей заңдары

         Электрлік токтың электрохимиялық жүйеден өтуі химиялық айналуымен байланысты болғандықтан, өтіп жатқан электр тоғы мөлшерімен әрекеттескен заттар мөлшері арасында  қандай да бір тәуелділік болу керек. Осы тәуелділікті Фарадей ашты, ол электрохимияның бірінші сандық заңдарында өз мәнін тапты, кейін Фарадей заңдары деп аталады.

Фарадей зандары — электролиттер арқылы электр тогы өткенде электродтарда бөлінетін не ыдырайтын заттардың мөлшерін (массасын) анықтайтын  электролиз  процесінің  негізгі  заңдары. Электролиз процесінің сандық сипаттамасы Фарадей заңымен анықталады. Бұл  заңдарды  1833  -1834 ж.  ағылшын  ғалымы  М. Фарадей  ашқан.    

Электролиттер массасы, сонымен бірге электродта бөлінетін заттар массасы электролит ерітіндісі немесе балқымасы арқылы өтетін электр тогы мөлшеріне тура пропорционал:

 

 

 

 

 

 

Фарадейдің бірінші заңы:

Электролиз кезінде электродтарда бөлініп шығатын заттың массасы электролиттен өтетін зарядтың шамасына тура пропорционал.

 

          

∆m=kэQ 

∆m-реакцияға түскен заттың мөлшері;                                   Q - электр мөлшері;                          kэ - электр мөлшерінің бірлігіне қанша зат әсер еткенін көрсететін пропорционалдықкоэффициент. 
k-мөлшері электрохимиялық эквивалент деп аталады. 

                                                  k=M/(NАz||)

 
z - ион валенттілігі;                                     М - электродта бөлінген заттың молярлық массасы;                             NА-Авогадро тұрақтысы, NА= 6,022 * 1023 моль -1

||=1,6•10-19 Кл. 
Фарадейдің екінші заңы:

Заттың электрохимиялық эквиваленті олардың химиялық эквивалентіне тура пропорционал.

Заттың электрохимиялық эквиваленті олардың химиялық эквивалентіне тура пропорционал

Мұндағы: - заттың химиялық эквиваленті, М- мольдік массасы,

Z- валентілігі,    F=96000 Кл/моль - Фарадей тұрақтысы.

Фарадей тұрақтысы электролиттен электр тогы өткенде электродта бір моль зат мөлшері бөлініп шығу үшін ортадан өтетін зарядтың шамасына тең болады.

 

Фарадейдің біріккен заңы:

Фарадейдің екі заңынан Фарадейдің біріккен заңы алынады.

Электр тогы тұрақты болса ( ) 

Кез келген электр тогы үшін:

 

   

Ток бойынша заттың  шығымы

           Зат   бойынша   шығым  -  электрохимиялық  реакция  нәтижесінде алынған өнім мөлшерінің теория бойынша пайда болатын зат мөлшеріне қатынасы. Электроэнергия жұмсалуының пайдалы әсер коэффициенті (энергия бойынша шығым) - зат мөлшерінің бірлігі алыну үшін қажетті электроэнергия мөлшерінің практика бойынша шығымдалған энергия мөлшеріне қатынасын айтамыз. Теория бойынша қажетті электроэнергия мөлшері – егер процесс кернеу бойынша 100%-ті ток күшінің шығынымен жүргендегі зат мөлшерінің бірлігі алыну үшін қажетті мөлшері. Сонымен, энергия бойынша шығын мына формула арқылы анықталады. 
        ηэ=Wп\N=ηток•η        кернеу ток бойынша шығын һ және зат бойынша, электроэнергия пайдаланудың ПӘКі һкері көбінесе процентте есептейді. Электроэнергия шығынын көбінесе өндірілген зат мөлшерінің бірлігіне теңестіреді,               Вт*сағ/кг немесе квт сағ\т өлшенеді. Тұрақты ток электрэнергиясының 1т электролизбен өндірілген өнімге кеткен шығымын есептеу үшін келесі формуланы қолданады:

W=1•106•U\kη•1000

W - тұрақты ток электроэнергиясының шығымы кВтсағ\т;                       U - электролизердегі кернеу,В;                                               k - электрохимиялық эквивалент, грамм\а•r;                                η - ток бойынша шығыны, бірлік мөлшері;                                    1000 - айналдыру коэффициенті.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. Қоқанбаев Ә./  “Физикалық және коллоидтық химия ” – Алматы, 2011
2. Өтелбаев Б./  “Химия 2” – Шымкент: Полиграфия баспасы,-1999 – Б 395-404/
3. Антропов Л.И. / “Теоретичесая электрохимия”- М.: Высш.шк., - 1975 – 563с./