Oksidlanish-kaytarilish reaksiyalari elektrokimyo asoslari

Oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari elektrokimyo asoslari
Reja:


1. Oksidlanish va kaytarilish prosesslari
2. Oksidlanish darajasi
3. Asosiy oksidlovchi va kaytaruvchilar
4. Oksidlanish-kaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzish usullari
5. Elektrod potensial xaqida tushuncha.
6. Gazli elektrodlar.
7. Galvaniq elementlar nazariyasi.
8. Elektroliz.
Anorganiq ximiyadagi barcha reaksiyalarni ikki turga bo'lish mumkin;
1. Reaksiyaga kirishuvchi elementlarning oksidlanish darajasi uzgarmay koladigan reaksiyalar.
2. Oksidlanish darajasi uzgarishi bilan boradigan reaksiyalar.
Birinchi tur reaksiyalarga almashinish, parchalanish va birikish reaksiyalari misol bula oladi. Masalan:
HCl + KOH =KCl + H₂O
CaCO₃ CaO + CO₂
SO₃ + H₂O = H₂SO₄.
Bu misollarda xech qaysi elementning oksidlanish darajasi uzgarmaydi.
Ikkinchi tur reaksiyalariga sikib chikarish va boshqa reaksiyalar misol bo'ladi. Bunday reaksiyalar oksidlanish-kaytarilish reaksiyadari deyiladi. Ularda elektronlar bir atom yoki ionlardan ikkinchi atom yoki ionlarga o'tadi. Uziga elektron biriktirib olgan atom, ion, molekulalar oksidlovchi deb, elektron yukotadigan atom, ion, molekulalar kaytaruvchi deb ataladi. Elektron biriktirib olish prosessi-kaytarilish prosessi deb, elektron berish prosessi-oksidlanish prosessi deyiladi. Demak, oksidlovchi kaytariladi va kaytaruvchi oksidlanadi.
Mg⁰ + CI ₂⁰ = Mg²⁺CI₂^1-
H₂⁰ + Cu²⁺O^2- = H₂¹⁺O^2- +Cu⁰
Element atomi oksidlanganda uning oksidlanish darajasi ortadi, kaytarilganda esa oksidlanish darajasi pasayadi.
Masalan, Sn²⁺-2e = Sn⁴⁺ prosessida kalayning oksiddanish darajasi +2 dan +4 gacha ortdi, Cr⁶⁺ +3e =Cr³⁺ prosessida xromning oksidlanish darajasi +6 dan +3 gacha kamayadi.
Element atomi o'zining eng yuqori oksidlanish darajasida (masalan S⁶⁺, P⁵⁺, Cu²⁺, Mn⁷⁺ ionlarda) boshqa elektron yukota olmaydi va faqat oksidlovchi xossasini nomayon qiladi. Va aksincha, element atomi o'zining eng kichik oksidlanish darajasida o'ziga elektron kabul kila olmaydi va faqat kaytaruvchi (masalan, S^2-, N^3-, Cl^-, P^3-, J^- ionlari) xossasini namoyon qiladi. Agar element atomi o'zining o'rtacha oksidlanish darajasiga ega bulsa, u eritmaning muxitiga qarab yo oksidlovchi yoki kaytaruvchi xossasini namoyon qiladi.
Kaytaruvchidan oksidlovchiga elektronlar utganda odatda reaksiyada ishtirok etayotgan elementning valentligi uzgaradi. Lekin oksiddanish-kaytarilish reaksiyalarida element valentligi uzgarmay kolishi mumkin. Masalan:
1. H₂⁰ + Cl₂⁰ = 2HCl 2. CH₄ + 2O₂ = CO₂ + H₂O
Birinchi reaksiyada vodorod va xlorning valentligi reaksiyadan oldin xam keyin xam birga teng. Metanning yonish reaksiyasida uglerod, kislorod va vodorodlarning valentliklari uzgarishsiz kolyapti. Lekin bu reaksiyalarda atomlarning xolatdari uzgaradi. Demak, molekulada atom xolatini valentlik tushunchasi tupik ifodalay olmaydi. Shuning uchun xam, oksidlanish-kaytarilish reaksiyadarida oksidlanish darajasi tushunchasidan foydalanish maqsadga muvofiq bo'ladi. Valentlik kovalent bog'lanishda (musbat yoki manfiy) ishoraga ega emas. U faqat bog'lanish sonini kursatadi. Ximiyaviy bog'lanishda esa elektronlar elektrmanfiyrok element atomiga siljigan bo'ladi, natijada atomlar ma'lum zaryadga ega bo'ladi.
Kuyidagi misollar valentlik bilan oksidlanish darajasi orasidagi farqni yakkol kursatadi.
1. Azot molekulasida ikkita azot (N=N) atomi o'zaro uch juft elektron orqali birikkan. Uning oksidlanish darajasi nolga teng. Chunki ximiyaviy bog' xosil kilgan umumiy elektron jufti xar ikki azot atomidan bir xil masofada joylashgan.
2. Gidrazin-N₂H₄ molekulasida, xar bir azot atomining valentligi 3 ga teng, oksidlanish darajasi esa minus 2ga teng, chunki;

xar bir azot-vodorod bog'da umumiy electron jufti azot atom tomonga siljigan.
3. Oksidlanish darajasi musbat, manfiy, nol va kasrli bo'lishi mumkin.
Umumiy elektron juftini o'ziga tortgan elektr manfiyrok element manfiy (-) va ikkinchi element musbat (+) oksidlanish darajasiga ega. Ximiyaviy birikmada yoki eritmada xakikiy bo'lgan ionlarni kursatish uchun musbat va manfiy ishorasi rakamdan keyin yoziladi.
Masalan: Fe³⁺, Mn²⁺, SO₄^2-, MnO^-₄ ,Cl^- , Na⁺ va boshqalar.
Ximiyaviy birikmalarda atomning oksidlanish darajasini aniqlashda kuyidagi qonundan foydalaniladi.
1. Oddiy moddalarda atomning oksidlanish darajasi nolga teng (H₂, O₂,Fe, S).
2. Metallar xamma vaqt musbat oksidlanish darajasiga ega.
3. Vodorod, gidridlardan tashqari xamma birikmalarda +1, gidridlarda esa -1 oksidlanish daraja namoyon etadi.
4. Kislorod birikmalarda (OF₂ dan tashqari) -2 oksidlanish daraja namoyon etadi. Peroksid (-0-0-gruppali) larda esa kislorodning oksidlanish darajasi -1 ga teng.
5. Metallamaslarni oksiddanish darajasi xam musbat, xam manfiy bo'lishi mumkin.
Bu ma'lumotlarga asoslanib murakkab birikmalardagi atomlarning oksidlanish darajasini xisoblab topish mumkin, bunda molekuladagi atomlar oksidlanish darajalarining algebraik yigindisi doimo nolga, murakkab ionda esa ionning zaryadiga teng bo'lishini e'tiborga olish kerak. Misol, H₂SO₄ dagi oltingugurtning oksidlanish darajasini xisoblab topamiz.
H⁺₂ O^2-₄
(+1)*2 + x + (-2)*4 = 0 x=+6
Demak, oltingugurtning oksidlanish darajasi +6 ga teng.
Uziga elektron kabul qilib, davriy sistema qatoridagi inert gazning elektron strukturasiga ega bo'lgan yoki manfiy zaryadlangan ionlar xosil kiluvchi neytron atomdar oksidlovi bo'ladi. Masalan, gologenlarning neytrol atomlari F₂, Cl₂, Br₂, J₂ oksidlovchi funksiyasini bajarib, manfiy zaryadlangan F₂, Cl₂, Br₂, J₂ ionlarga aylanadi.
Galogenlardan ftor va xlor kuchli oksidlovchi xisoblanadi.
Asosiy oksidlovchilarga yana kislorod, oltingugurt va boshqalar misol bula oladi. Ba'zi metall ionlari uzlarining eng yuqori valentliklarida (masalan. Nr⁴⁺, Cr⁶⁺, Pb⁴⁺) oksidlovchi bo'lishi mumkin.
Erkin xolda barcha metallar, asosan ishkoriy (Li, Na, K, Rb, Cs) va ishkoriy-yer (Ca, Sr, Ba) metallari, kislorodsiz kislota koldiklarining ionlari (J^-,Br^-,S₂) xamda gidridlar (KH, NaH, CaH₂ ) kaytaruvchi bo'ladi. Shuni nazarda tutish kerakki, oksidlovchi bilan kaytaruvchi urtasida keskin chegara yuk, bitta modda bir sharoitda oksidlovchi, ikkinchi sharoitda esa kaytaruvchi bo'lishi mumkin. Masalan, temir sulfid xosil bo'lish reaksiyasida S + Fe = FeS oltingugurt -S elektron kabul qilib oksilovchi, lekin S + 2HNO₃ = H₂SO₄ +2NO reaksiyada esa elektron berib kaytaruvchi xossasini namoyon qiladi.
Oksidlanish kaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda elektron-balans va ion-elektron (yarim reksiyalar) metodlaridan foydalaniladi.
1. Elektron-balans metodi yordamida oksidlanish-kaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda oksidlovchi va kaytaruvchilarni kabul kilgan va yukotgan elektronlar sonini aniqlash kerak. Kaytaruvchining yukotgan va oksidlovchining kabul kilgan elektronlar soni reaksiyadan oldin va keyin atom, ionlarning oksidlanish darajasi uzgarish bilan aniqlanadi. Kaytaruvchining umumiy yukotgan elektronlar soni, oksidlovchining umumiy kabul kilgan elektronlar soniga teng bo'lishi kerak.
AI + O₂- AI₂O₃
A1 - 3e = A1³⁺ 3 4 - kaytaruvchi
O₂ + 4e = 2O ^2- 4 3 - oksidlovchi.
4AI + 3O₂ = 2AI₂O₃
P + HNO₃ = H₃PO₄ + NO
P⁰ - 5e = P⁵⁺ 5 3 -kaytaruvchi
N⁵⁺ + 3e = N²⁺ 3 5-oksidlovchi.
3P + 5HNO₃ = 3H₃PO₄ + 5NO
Reaksiyaning ung va chap tomonidagi atomlar sonini xisoblash tenglamaning chap tomonidan vodorod va kislorod atomlari o'zaro teng emasligini kursatadi. Bu xolda tenglamaning chap tomoniga suv molekulalari yoziladi va reaksiyaning tenglamasi kuyidagi kurinishga ega bo'ladi.
3PQ5HNO3Q2N2 Oq3N3RO4 Q5NO
Ba'zi bir xollarda metall oksidlanganda tuz xosil bo'ladi, bunday xolda reaksiyaga kislota molekulasidan ortikcha mikdorda olinadi. Masalan;
Cu + HNO₃ =Cu (NO₃)₂ + NO + H₂O
Cu⁰-2e = Cu²⁺ 2 3-kaytaruvchi
N⁵⁺-3e = N²⁺ 3 2-oksidlovchi.
3Cu + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O
Tenglamaning ung qismida 8 ta. chap qismida 2 ta, ya'ni uch molekula tuz xosil bo'lishida ishtirok etayogan 6 ta azot atomi yetishmaydi, bundan yana nechta suv molekulasi yozish kerakligi aniqlanadi va reaksiya tenglamasi kuyidagi kurinishga ega bo'ladi;
3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
Eritmada boradigan oksidlanish-kaytarilish reaksiyalarining to'lik molekulyar tenglamalarini tuzishda elektron-balans metodidan foydalanib oksidlanish darajasi tushunchasini ishlatish o'zining fizik ma'nosini yukotadi. Chunki elektron balans metodida ishlatiladigan Cr^6+, Mn⁷⁺, N⁵⁺ va boshqa kationlar eritmada umuman bo'lmaydi. Ular suvli eritmada suvning kislorodi bilan birikib, CrO₄^2-, MnO₄^2-, NO₃^- ionlari xolida mavjud bo'ladi.
Bundan tashqari, elektron-balans metodi oksidlanish-kaytarilish prosessida gidrosid va vodorod ionlari xolida suv molekulalarining rolini kursatmaydi. Shuning uchun xam suvli eritmalarda boradigan oksidlanish-kaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda ion-elektron metodidan foydalanish maqsadga muvofiqdir. Bu metodda koeffisiyentlar ion-elektron tenglama yerdamida topiladi. Ion-elektron tenlamaning elektron-balans tenglamadan farqi shuki, unda elektrolitik dissosilanish nazariyasiga binoan suvli eritmada xakikatan mavjud bo'lgan ionlar yoziladi.
Ion-elektron metodi yordamida eritmalarda boradigan oksidlanish -kaytarilish reaksiyalarining to'lik tenglamalarini tuzish uchun kuyidagi tartibga rioya qilish kerak.
1. Reaksiya uchun olingan va reaksiya natijasida xosil bo'ladigan maxsulotlarning tarkibini bilish, ya'ni reaksiyaning molekulyar tenglamasini yozish zarur.
2. Elektrolitik dissosialanish nazariyasiga binoan reaksiyaning ion sxemasini yozish kerak.
3. Ayrim xolda oksidlanish-kaytarilish prosesslarini ion-elektron tenglamasini yozishda kuyidagilarga asoslaniladi:
a) Ayni element atomlarining soni tenglamaning ung va chap tomonida teng bo'lishi kerak
b) Reaksiya uchun olingan modda tarkibida kislorod kam bulsa, kislotali muxitda (vodorod ioni bilan birikib) suv xosil qiladi. Neytral yoki ishkoriy muxitda esa ajralib chiqqan kislorod suv bilan birikib, gidroksid gruppani xosil qiladi
v) Reaksiya uchun olingan modda tarkibida kislorod kup bulsa kislotali va neytral muxitda suv, ishkoriy muxitda gidroksid ioni xosil bo'ladi
g) Oksidlanish va kaytarilish prosesslarining umumiy zaryadi tenglamaning chap va ung tomonlarida bir-biriga teng bo'lishi kerak
4. Oksidlanish va kaytarilish prosesslarini ion-elektron tenglamalari birgalikda yozilib, oksidlovchi va kaytaruvchi oldiga yoziladigan koeffisiyentlar topiladi. Uni aniqlashda kaytaruvchi yukotgan elektronlar soni oksidlovchi kabul kilgan edektronlar soniga teng bo'lishi nazarda tutiladi.
5. Prosesslarning ung va chap tomonlarini aniqlangan koeffisiyentlarga ko'paytirib, ularni birgalikda yoziladi. Natijada qisqa ion tenglama xosil bo'ladi.
6. Reaksiyaning to'lik ion va molekulyar tenglamalari yoziladi.
7. Molekulyar tenglama tugri yozilganligini xar qaysi element atomlari soni orqali tekshiriladi. Kupincha kislorod atomlari sonini xisoblash bilan chegaralanadi.
Masalan, ion-elektron metod buyicha sulfit ionining kaliy permangonat ta'sirida sulfat ioniga utishini uch muxit sharoitida kurib chikaylik.
1) Kislotali muxitda:
a) Reaksiyaning molekulyar tenglamasi:
KMnO₄ + Na₂SO₃ + H₂SO₄ = MnSO₄ + K₂SC₄ +Na₂SO₄ + H₂O (1)
b) Reaksiyaning ionli sxemasi:
K⁺ + MnO^-₄ + 2Na⁺ + 3SO2^-₃ + 2H⁺ + SO2^-₄ =Mn^2-+ SO₄^2- + 2K⁺ + SO^2-₄ + 2Na⁺ + SO^2-₄ + H₂O
MnO^-₄ + SO^2-₃ + 2H⁺ = Mn²⁺ + SO^2-₄ + H₂O (2)
Demak, kislotali muxitda permanganat ioni Mn⁺² ionigacha (eritma rangsizlanadi) kaytariladi.
v) Oksidlanish va kaytarilish prosessini ion-elektron kurinishida yozish uchun tenglama (2) dan kurinib turibdiki, MnO^-₄ ionidagi 4ta kislorod atomi H₂ bilan bog'lanib, to'rt molekula suv xosil qiladi, natijada
MnO^-₄ + 8H⁺ = Mn²⁺ + 4H₂O (3)
Sxemaning chap va ung tomonidagi umumiy zaryadni xisoblash shuni kursatadiki, ung tomondagi umumiy zaryad +2 ga, chap tomondagi umumiy zaryad esa +7 ga teng. Sxemaning chap va ung tomonidagi zaryadlar teng bo'lishi uchun tenglamaning chap tomoniga beshta elektron kushish kerak. U xolda kaytarilish prosessining ion-elektron tenglamasi kuyidagi kurinishga ega bo'ladi;
MnO^-₄ + 8N⁺ + 5e = Mn²⁺ + 4H₂O
SO^2-₃ ning SO^2-₄ ioniga oksidlanishi kislorod atomining soni ortishi bilan kuzatiladi.
SO^2-₃ + H₂O = SO^2-₄ + 2H⁺ (4)
Sxema (4) ning ung tomonidagi umumiy zaryad nolga, chap tomonida gisi esa -2 ga teng. Sxemaning ung va chap tomonida zaryadlar soni teng bo'lishi uchun sxemaning chap tomonidan ikkita elektronni olish kerak, u xolda oksidlanish prosessining ion - elektronli tenglamasi kuyidagicha yoziladi;
SO^2-₃ + H₂O - 2e = SO^2-₄ + 2H⁺ (5)
g) Endi kaytarilish (3) va oksidlanish (5) prosesslari bir-birini ostiga yozilib, oksidlovchi va kaytaruvchi uchun koeffisiyentlar aniqlanadi:
MnO^-₄ + 8H⁺ -5e = Mn²⁺ + 4H₂O 5 2
SO^2-₃ + H₂O - 2e = SO^2-₄ + 2H⁺ 2 5
Oksidlovchi kabul kilgan elektronlar soni kaytaruvchi yukotgan elektronlar soniga teng bo'lishi kerak. Buning uchun (3) tenglamani 2 ga va (5) tenglamani 5 ga ko'paytirib, reaksiyaning qisqa ionli tenglamasiga ega bulamiz.
2MnO₄ + 6H⁺ +5SO^2-₃ = 2Mn²⁺+ 3H₂O + 5SO^2-₄ (6)
Tuliq ionli tenglama yozish uchun umumiy tenglikni saklagan xolda xosil bo'lgan qisqa ionli tenglamaning chap va ung tomoniga bir xil mikdorda karama-karshi ionlar yozamiz:
2MnO^-₄ + 6H⁺ + 5SO^2-₃ = 2Mn²⁺+ 3H₂O + 5SO^2-₄
2K⁺ 3SO^2-₄ 10Na⁺ 2K⁺ 3SO^2-₄ 10Na⁺ (7)
d) Endi to'lik ionli tenglamadan foydalanib, oksidlanish-kaytarilish reaksiyasining to'lik molekulyar tenglamasini yozamiz;
2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 5Na₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5Na₂SO₄ + 3H₂O (8)
Tugri yozilgan tenglamaning ung va chap tomonida kislorod atomining soni bir xil bo'lishi kerak.
2) Neytral muxitda
a) Bunda permanganat ion MnO^-₄ marganes (IV) - oksidigacha MnO₂ kaytariladi. natijada eritmaning to'q qizil rangi yukolib, jigar rang chukma xosil bo'ladi. Bu reaksiyaning ionli sxemasi kuyidagicha:
MnO^-₄ + SO^2-₃ + H₂O = MnO₂ + OH^-- + SO^2-₄ (9)
b) Oksidlanish va kaytarilish prosesslarining ion-elektron tenglamalarini ayrim-ayrim yozamiz;
SO^2-₃ + H₂O - 2e = SO^2-₄ + 2H⁺ 3 3 -oksidlanish (10)
MnO^-₄ + 2H₂O + 3e = MnO₂ + 4OH^- 3 2 -kaytarilish (11)
Demak, oksidlovchi oldidagi koeffisent ikkiga va kaytaruvchi oldidagi koeffisent uchga teng.
v) Oksidlanish va kaytarilish prosesslarining ion-elektron tenglamalarini topilgan koeffisentlarga ko'paytirib, qisqa ionli tenglamani yozamiz:
3SO^2-₃ + 2MnO^-₄ + H₂O = 3SO^2-₄ + 2MnO₂ + 2OH^- (12)
g) qisqa ionli tenglamaga (12) kapama-karshi ionlarni yozib, to'lik ionli tenglamaga ega bulamiz (13):
3SO^2-₃ + 2MnO^-₄ + H₂O = 3SO^2-₄ + 2MnO₂ + 2OH^-
6Na⁺ 2K⁺ 6Na⁺ 2K⁺ (13)
d) Berilgan oksidlanish-kaytarilish reaksiyasining to'lik molekulyar tenglamasini yozamiz:
3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O = 3Na₂SO₄ + 2MnO₂ + 2KOH (14)
3. Ishkoriy muxitda:
a) Bunda permanganat ion manganat ioniga kadar kaytariladi. Natijada eritmaning olcha rangli qizil tusi yashil rangga o'tadi. Reaksiyaning ionli sxemasini kuyidagicha yozish mumkin;
MnO^-₄ + SO^2-₃ + OH^- = MnO^2-₄ + SO^2-₄ + H₂O (15)
b) Oksidlanish va kaytarilish prosesslarining ion-elektron tenglamalarini yozamiz;
MnO^-₄ + e^- = MnO^2-₄ 1 2 - kaytarilish (16)
SO^2-₃ + 2OH^- -2e^- = SO^2-₄ + H₂O 2 1 - oksidlanish (17)
Bu tenglamalardan kurinib turibdiki, oksidlovchini 2 ga, kaytaruvchini 1 ga ko'paytirish kerak.
v) Yukoridagi (16) va (17) tenglamalarni koeffisiyentlarga ko'paytirib, birgalikda yozsak, reaksiyaning qisqa ionli tenglamasiga ega bulamiz;
2MnO^-₄ + SO^2-₃ + 2OH^-  = 2MnO^2-₄ + SO^2- ₄ + H₂O (18)
Kisqa (18) ionli tenglamaga karama-karshi ionlarni yozib, to'lik ionli tenglamani yozamiz;
2MnO^-₄ + SO^2-₃ + 2OH^- = 2MnO^2-₄ + SO^2-₄ + H₂O
2K⁺ 2Na⁺ 2K⁺ 2K⁺ 2Na⁺ 2K⁺
Endi reaksiyaning to'lik molekulyar tenglamasini yozamiz:
2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2KOH = 2K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O
Ba'zi kaytaruvchilar kation bo'lib, reaksiya natijasida murakkab anionlarga yoki ba'zi oksidlovchilar murakkab anionlar bo'lib, reaksiya natijasida kationlarga aylanadi. Masalan, arsenit sulfidning suyultirilgan HNO₃ bilan oksidlanishini kurib chikaylik.
a) Reaksiyaning molekulyar tenglamasi
H₂O + As₂S₃ + HNO_{3 (suyul)} =H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NO
b) Ionli sxemasi:
As₂S₃ + 2H⁺ + NO^-₃ + H₂O = 3H⁺ + AsO^3-₄ + 2H⁺ + SO^2-₄ + NO
yoki
As₂S₃ + NO^-₃ + H₂O = AsO^3-₄ + SO^2-₄ + NO ­
v) Oksidlanish va kaytarilish prosesslarining ion-elektron tenglamalari;
As₂S₃ + 2H₂O - 28e = 2AsO₄^3- + SO₄^2- + 4OH^- 28 3 - oksidlanish
NO^-₃ + 4H⁺ +3e = NO + 2H₂O 3 28 - kaytarilish
g) yuqoridagi tenglamalarni koeffisiyentlariga ko'paytirib birgalikda yozsak, reaksiyaning qisqacha ionli tenglamasiga ega bulamiz:
3As₂S₃ + 28NO^-₃ + 60H₂O + 112H⁺ = 6AsO^3-₄ + 9SO^2-₄ + 28NO + 56H₂O + 120H⁺
yoki
3As₂S₃ + 28NO^-₃ + 4H₂O = 6AsO^3-₄ + 9SO^2-₄ + 28NO
qisqacha ionli tenglamaga karama-karshi ionlarni yozib, to'lik ionli tenglamani yozamiz;
3As₂S₃ + 28NO₃^- + 4H₂O = 6AsO^3-₄ + 9SO^2-₄ + 28NO + 8H⁺
28H⁺ 28H⁺
Endi oksidlanish-kaytarilish reaksiyasining to'lik molekulyar tenglamasini yozamiz:
3As₂S₃ + 28HNO₃ + 4H₂O = 6H₃AsO₄ + 9H₂SO₄ + 28NO
Elektr toki ta'sirida yoki uzi elektr toki xosil qilib boradigan ximiyaviy prosesslar elektroximiyaviy prosesslar deyiladi. Bunday prosesslarni ximiyaning elektroximiya bulimi urganadi.
A.V. Pisarjevskiy ta'limotiga kura metall suvga yoki shu metall ioni bilan bo'lgan eritmaga tushirilsa, metall bilan suyuqlik chegarasida elektrod potensial xosil bo'ladi, chunki metall sirtidagi ionlar suvning kutblangan molekulalariga tortiladi va metalldan suyuqlikka uta boshlaydi va nixoyat muvozanat karor topadi.
Me Mnⁿ⁺ +ne
Ionlarning suvga utishi natijasida, metallda ortikcha erkin elektronlar yigilib koladi: metall manfiy zaryadlanadi, suyuqlik esa musbat zaryadlanadi. Metalldan eritmaga utib, gidratlangan ionlar metallga tortiladi va metall sirtiga yaqin joylashib kush elektr qavat xosil qiladi, natijada metall bilan eritma orasida potensiallar ayirmasi vujudga keladi. Bu kiymat metallning elektrod potensiali deb ataladi.
Turli metallar suvga botirilganda vujudga keladigan potensiallarning kiymati turlicha bo'ladi. Metall qancha aktiv bulsa, uni kurshab turuvchi suv muxitiga shuncha kup ion o'tadi, natijada metall plastinkada paydo bo'ladigan manfiy zaryadning kiymati yuqori bo'ladi. Bu esa ayrim metallarning kristall panjaralarida kationlarning bir xil bog'lanish energiyaga ega emasligi va bu kationlarning bir xilda gidratlanmasligi natijasidir. Bu yerda kationlarning effektiv radiusi katta rol uynaydi.
Agar metall (masalan, Zn) uz to'zining (masalan, rux sulfat) eritmasiga tushirilsa, metall-suyuqlik sirtidagi muvozanat siljiydi va yangi potensiallar ayirmasi xosil bo'ladi.
Oddiy moddalarni kaytaruvchi-oksidlovchi xossasi uzgacha bo'ladi. Elektrod potensiallar uchun eritmalardagi oddiy moddalar reaksiyada kristall panjaradagi atomlararo bog'lanishni uzishga sarf bo'lgan energiyani xamda ionlarni eritmaga utishdagi gidratlanish energiyasini xisobga olish kerak. Masalan, Cu va Zn ni D. I. Mendeleyevning elementlar davriy sitemasida joylanishiga qarab ionlanish energiyasini kiymati Cu =738 va Zn =901 kj ga teng. Demak, Cu elementi Zn elementiga qaraganda kuchlirok kaytaruvchilik xususiyatiga ega bo'lishi kerak, lekin Su ning kristall panjarasidagi bog'lanish ancha mustaxkam. Shuning uchun Cu ionining rux ioniga nisbatan gidratlanish energiyasi kam. Bu esa mis ionlarini eritmaga utishini kiyinlashtiradi Shuning uchun mis ruxga nisbatan juda kuchsiz kaytaruvchidir. Elektrod potensialining kiymati metallning tabiatiga, eritmadagi ionlar konsentrasiyasiga va temperaturasiga bog'liq bo'ladi. Gazli elektrodlar gaz va gaz ioni bo'lgan eritma bilan tuknashib turadigan biror noaktiv metall utkazgich (Pt) dan iboratdir.
Metall utkazgich elektronlar okimini xosil qiladi, uzi esa eritmaga ionini bermaydi. Masalan, normal vodorod elektrodni kurib chikaylik. Platina plastinkasini aktiv vodorod ionlar konsentrasiyasi 1 mol/l bo'lgan 2 H sulfat kislota eritmasiga tushirib, eritmadan 1 atom bosim (25^oS da) vodorod utkazsak, vodorod platina plastinka sirtiga yutilib, vodorod plyonkasini (parda) xosil qiladi. Buning natijasida elektrolit (H₂SO₄) eritma platina plastinka bilan tuknashmasdan vodorod plyonkasi bilan tuknashadi va vodorod elektrod xosil bo'ladi. Vodorod elektrod metall elektrodlar kabi eritmaga uz ionini beradi:
H₂   2H⁺ + 2e^-
Natijada eritma bilan vodorod elektrod orasida potensiallar ayirmasi xosil bo'ladi va uni normal vodorod elektrod potensiali deyiladi. U shartli ravishda nolga teng deb kabul kilingan. Shunday qilib, eritmaga kation beruvchi gazli vodorod elektrod xosil bo'ladi. Gaz elektrodlardagi reaksiyalarda gazlar ishtirok etgani uchun, bu elektrodlar potensiallari gazlarni parsial bosimiga bog'liq bo'ladi. Vodorod elektrod uchun Nernst tenglamasini 2980 K da kuyidagicha yozish mumkin:
0.059 a²_H+
E_H+/H = ------------ 1 g --------
1 P_H2
bu yerda : P_H2- vodorodning parsial bosimi, a_H+ - elektrolitdagi H⁺ ionlar aktivligi.
Vodorod elektrodga o'xshash kislorod elektrodni tuzish mumkin. Masalan, platinani kislorod va kislorod xosil kiluvchi ioni (gidroksil ioni-ON^-) bo'lgan eritma bilan tuknashtirish kerak, ya'ni O₂ , Pt/OH_- Agar kislorodli elektrodda kuyidagi tenglama bilan reaksiya borsa:
O₂ + 2H₂O + 4e   4OH^-
Nernst tenglamasi kuyidagicha yoziladi:
EOH^-/O₂ =E⁰OH^-/O₂ + 0,0147 lg
Gazli elektrodlar asosan kosmonavtikada ishlatiladi.
Aloxida olingan elektrodning potensiali absolyut potensial deyiladi. Lekin uni ulchash juda kiyin. Shuning uchun amalda nisbiy elektrod potensial bilan ish kuriladi. Buning uchun solishtirilayotgan elektrodlarning birini absolyut potensiali nolga teng deb kabul kilinadi. Bunday elektrod sifatida standart vodorod elektrod kabul kilingan. Elektrodning standart potensiali (E⁰) deb, aktiv ionlar konsentrasiyasi 1 mol/l ga teng bo'lgan, 25^oS da uz tuzi eritmasiga tushirilgan elektrod potensiali orasidagi ayirmaga aytiladi.
Standart elektrod potensial kiymatini aniqlash uchun galvaniq element tuziladi. Bu galvaniq elementda birinchi elektrod sifatida standart vodorod elektrod, ikkinchi elektrod sifatida potensial kiymati aniqlanishi kerak bo'lgan metall plastinka olinadi. Masalan, Zn ning normal potensialini aniqlashda aktiv Zn ionlari konsentrasiyasi 1 mol/l ga teng bo'lgan ZnSO₄ ning 1 eritmasiga tushirilgan ruxli elektrod standart vodorod elektrod bilan tutashtiriladi. Xosil kilingan galvaniq elementning elektr yuritish kuchi ulchanib, E=E₁-E₂ formo'la asosida Zn ning standart elektrod potensiali xisoblab topiladi.
E⁰ Zn/Zn^2- = -0,766 Vga teng. Demak, galvaniq elementda rux elektrod potensiali bilan standart vodorod elektrod potensiallarining ayirmasi 0,788 ga teng. Rux elektrod manfiy bo'lgani uchun undagi elektrodlar tashki zanjir orqali vodorod elektrodga o'tadi.
Misning standart elektrod potensiali E⁰ Cu²⁺/Cu = +0.348 V ga teng. Standart elektrod potensial kiymati qancha kichik bulsa, metall atomi uz elektronini shuncha oson yukotadi. ya'ni uning ximiyaviy aktivligi yuqori bo'ladi.
Ximiyaviy reaksiya natijasida elektr energiya xosil qiladigan, ya'ni ximiyaviy energiyani elektr energiyaga aylantiradigan asboblar galvaniq elementlar deyiladi.
Galvaniq element xosil qilish uchun elektrolit eritmasiga ikki xil metall tushirilib, ularning uchlari tashki zanjir orqali bir-biriga ulanadi. Italiya olimi Volt mis va rux plastinkalarini sulfat kislotasiga tushirib, ularni o'zaro tutashtirganda elektr toki xosil bo'lishini kuzatadi va bu element keyinchalik volt elementi deb ataladi. Bunday galvaniq elementda elektronlar tashki zanjir orqali rux elektroddan mis elektrodga o'tadi. ya'ni rux manfiy, mis musbat zaryadlanadi. Tajribadan kurinib turibdiki, eritmada ichki zanjir orqali SO2^-₄ ionlari elektronlar yo'nalishiga teskari yo'nalishda xarakat qiladi. Natijada rux elektrod oksidlanadi, vodorod ioni esa mis elektrod sirtida kaytariladi va gaz xolida ajralib chiqadi. Elektrodlarning elektrolit eritma bilan tuknashish yuzasida kuyidagi prsesslar boradi:
Rux elektrodda Mis edektrodda
Zn⁰-2e = Zn²⁺ H₂SO₄ + 2e = H₂ + SO₄^2-
oksidlanish prosess kaytarilish prosess
Bu elektrod prosesslarni umumlashtirib oksidlanish-kaytarilish reaksiyasi xolida kuyidagicha yozish mumkin:
Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂
Galvaniq elementni xar xil metallar juftidan xosil qilish mumkin. Masalan, Daniel-Yakobi elementida rux va mis elektrodlar tegishlicha ZnSO₄ va CuSO₄ tuzlarining 1 molyar eritmasiga tushirilgan va elektrodlar galvanometr orqali tutashtirilgan. Bunda elektronlar aktiv metalldan (Zn) noaktiv metallga (Cu) tomon yo'naladi. Agar elektrolit eritmalar o'zaro birlashtirilmasa, pyx sulfat eritmasida musbat zaryadlangan Zn ionlari, mis sulfat eritmasida manfiy zaryadlangan SO₄^2- ionlari tuplanadi, bu esa prosessning davom etishiga karshilik kursatadi. Shuning uchun ikkala idishdagi eritmalar elektrolit eritmasi bilan tuldirilgan naycha yoki yarim utkazgich tusik yordamida tutashtiriladi. Bu bilan Zn²⁺ kationlari va SO₄^2- anionlarining bir idishdan 2-chi idishga diffuziyalanishi ta'minlanadi va natijada oksidlanish-kaytarilish prosessi davom etadi:
Zn⁰ + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰
Bu galvaniq elementni kuyidagi elektroximiyaviy sxema bilan yozish mumkin:
A(-)Zn²⁺ / Zn// Cu²⁺ / Cu (+) K
anod katod
Bundan kurinadiki, anodda, oksidlanish prosessi, katodda kaytarilish prosessi boradi.
Galvaniq elementning elektr yurituvchi kuchi (e.yu.k.) ni aniqlash uchun elektrod potensial kiymati kattasidan kiymati kichigi ayirib tashlanadi. Masalan, normal konsentrasiyadardagi rux-mis elementida:
E.YU.K.= E⁰ Cu²⁺/Cu^-E Zn²⁺ / Zn = +0,34-(-0,76) = +1.1 V
Metall elektrodlarning eritmadagi ionlar konsentrasiyasi oshsa, potensiali kamayadi, natijada metallmas elektrodlarning potensiali ortadi. Metall ionlar konsentrasiyasi 1 molG'l ga teng bulmasa, galvaniq elementdagi xar qaysi elektrodning potensialini aniqlash uchun Nernst tenglamasidan foydalaniladi:
E =E+ RT*1nC / nF
bu yerda: E- elektrod potensial, R-universal gaz doimiysi
(R = 8,315 J/grad.mol)
F - Faradey (96500 kulon) soni, n - kationning valentligi, C - elektrolit eritmadagi kation konsentrasiyasi, T-absolyut temperatura. Eo-elektrodning standart potensiali, T=2980 K bo'lganda yuqoridagi formo'la kuyidagicha yoziladi:
E RT*1nC / nF + E⁰ = 2.303*8.315*298 /n ^. 96500 ^. lgC + E⁰
Formo'ladagi 2.303 natural logarifmdan unli logarifmga utish soni, yoki
E = E⁰ + 1 gC
bu yerda; E-berilgan konsentrasiyadagi elektrodning potensiali
E⁰ -standart elektrod potensiali.
Xar kanday galvaniq element ishlaganda uning E.YU.K. kamayadi. Galvaniq elementlardagi elektronlarning xarakati natijasida E.YU.K.ning kamayishi galvaniq elementning kutblanishi deyiladi. E.YU.K. kamayish prosessi elektrodlar sirtining va elektrodlar oldidagi eletrolit konsetrasiyasining uzgarishi natijasidir. Masalan, elektrolit eritma sifatida NaCI tuzi temir anod va grafit katod yuzasidagi gazli vodorod elektrodli galvaniq elementda kutblanish xodisasini kurib chikaylik. Bu galvaniq elementning sxemasi kuyidagicha:
A (-) Fe²⁺ / Fe // H⁺ / H₂ (+)K
Bunda: anodda Fe-2e^- = Fe^2+, katodda esa 2H⁺ + 2e^- = H₂ pposecc boradi. Bunday galvaniq elementning E. YU. K. elektrodlarni potensial ayirmasiga teng: E.YU.K. = E₂H⁺ /H₂ -E Fe²⁺/Fe
Elementning ishlash prisescida anod elektroddagi kush elektr qavatda Fe²⁺ ionlar konsentrasiyasi ortadi va eritmaga ionlarning utishi kiyinlashadi, bu esa tashki zanjir orqali o'tadigan elektronlar sonini kamaytiradi, natijada anod elektrodning potensiali kamayadi. Bu prosess anoddagi kutblanish deyiladi.
Bir vaqtning uzida katod elektroddagi kush elektr qavatda H⁺ ionlar konsentrasiyasi va tashki zanjir orqali katod elektrodga utayotgan elektronlarning ionlar bilan birikishi susayadi, natijada elektronlar tuplanib koladi, katod elektrod potensiali ortadi va katoddagi kutblanish prosessi xosil bo'ladi. Kutblanishning kamayish prosessiga kutbsizlanish deyiladi. Eritmadagi H⁺ va O₂ konsentrasiyasi ortishi bilan katoddagi kutblanish kamayadi. Oddiy sharoitda kislorod molekulasini eritmada oshirishga xavoni suvda eritish natijasida erishiladi. Bunda kislorod molekulasining konsentrasiyasi ortishi CO₂ razining erishini orttiradi, natijada H⁺ ionlar konsentrasiyasi kuyidagi reaksiya buyicha boradi:
CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^-
Demak, oksidlovchilar - kislorod molekulasi, NQ ioni katodli kutblanishni kutbsizlantiruvchilari xisoblanadi.
Anodli kutblanishni kutbsizlantiruvchilari anion (masalan, Cl^-, OH^- va xokazo) lardir.
Vodorod elektrodga nisbatan Faqat metall juftlari potensialidan tashqari oksidlangan xoldagi istalgan kaytaruvchining va kaytarilgan xoldagi istalgan oksidlovchining potensialini aniqlash mumkin. Oksidlovchi va kaytaruvchining standart potensial kiymati ularni kanday muxitda ishlatilayotganligiga bog'liq.
Eritmada aktiv ionlar konsentrasiyasi 1mol/l ga teng bo'lgan standart oksidlanish-kaytarilish potensiallari kiymati (E⁰ ) jadvalda keltirilgan. Bu jadvalga asoslanib, ba'zi bir ximiyaviy masalarni yechish mumkin.
Masalan, ammiakli eritmada Su ning xavo kislorodi ta'sirida oksidlanib, [Cu(NH₃)₄ ]²⁺ ga utishni qarab chikamiz:
Cu + 8NH₃ + O₂ + 2H₂O = 2Cu²⁺ + NH₃ + 2O^2- + 2H⁺ + 2OH^- = 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 4OH^-
Sodir bo'lgan oksidlanish-kaytarilish reaksyyasiga asoslangan galvaniq element sxemasini tuzamiz:
A(-) Cu⁺ [Cu(CNH₃)₄] ²⁺ // O₂ /2OH^- (+) K
Xosil bo'lgan juftning standart elektrod potensiallarini jadvaldan olib- E.YU.K. ni xisoblaymiz:
E.YU.K.= E⁰0² /2OH^- -E⁰Cu²⁺/Cu = +0,40-(-0.05)= +0.45 V
Demak, ammiakli eritmada Si xavo kislorodi bilan oksidlanadi, chunki reaksiyaning E. YU. K. musbat kiymatga ega.
Elektroliz - bu elektr toki ta'sirida elektrolit eritmalarda yoki suyuqlanmalarda boradigan oksidlanish-kaytarilish prosessidir.
Elektrolizni amalga oshirish uchun uzgarmas tok manbaidan foydalaniladi. Elektrodlar ikki xil bo'ladi:
1) Erimaydigan - ularga grafit, platina, oltin kiradi (erimaydigan elektrodlar ximiyaviy prosessda ishtirok etmaydi, ular faqat elektron utkazgich vazifasini utaydi.);
2) Eriydigan elektrodlar jumlasiga yuqorida kursatilgan metallardan boshqa xamma metall elektrodlar kiradi. Bu elektrodlar elektrolizda anod sifatida kullanilganida eritmaga uz ionlarini berib, erib ketadi.
Eruvchan anod elektroddan foydalanib, toza metallar olinadi. Bunda elektroliz prosessi tozalanayotgan metall to'zining eritmasida olib borilishi kerak. Sanoatda tuzlarning eritmalarini elektroliz qilib, Cu, Zn, Cd, Ni, So, Mn va boshqa metallar olinadi. Bu metod yordamida bir metall boshqa metall bilan qoplanadi. Bu metod galvanostegiya deyiladi.
Katod elektrodda elektrolitning musbat zaryadlangan ionlari elektron kabul qilib zaryadsizlanadi. Kaysi ion oldin zaryadsizlanishi metallning kuchlanishlar qatorida vodorodga nisbatan joylanishiga, uning konsentrasiyasiga va ayrim xollarda elektrod potensialiga bog'liq bo'ladi.
Bir xil sharoitda noaktiv metallar ionlari, ya'ni kuchlanishlar qatorida vodoroddan keyin (ungda) joylashgan metall oson zaryadsizlanadi, ba'zan chapdagi metall ionlari oson zaryadsizlanadi. Suvdagi eritmalarda kuchlanishlar qatorida Al gacha bo'lgan aktiv metallar ionlari kaytarilmaydi. Anodda elektrolit anionlaridan faqat kislorodsiz kislota koldiklari: Cl^-, Br^-, J^-, F, S^2-, CN^- va xokazolar zaryadsizlanadi. Kislorodli kislota koldiklari (NO^-₃, SO^2-₄, PO^3-₄, CO₃^2-, CH₃COO^- va xokazo) urniga suvning OH^- ionlari zaryadsizlanadi. Masalan, osh tuzi eritmasi elektroliz kilinganida katodda vodorod, anodda xlor ajralib chiqadi. Uning dissosilanish sxemasi kuyidagicha yoziladi;
NaCL  Na⁺ + CL^- : H₂O  H⁺ + ON^-
Elektroliz sxemasi:
katodda 2H⁺ + 2e^- = H₂ ­ kaytarilish prosessi muxit ishkoriy
anodda 2Cl^- -2e= Cl₂ oksidlanish prosessi muxit neytral.
Kaliy sulfat eritmasi elektroliz kilinganda esa katodda vodorod, anodda kislorod ajralib chiqadi. Dissosilanish sxemasi kuyidagicha:
K₂SO₄ = 2K⁺ + SO^2-₄
H₂O = H⁺ + OH^-
Elektroliz sxemasi:
katodda 2H⁺ + 2e^- = H₂­- kaytarilish prosessi muxit ishkoriy
Anodda 4OH^- - 4e^-= O₂ + 2H₂O oksidlanish prosessi muxit kislotali. Keltirilgan misollardan kurinib turibdiki, katodda ishkoriy metalla ionlari kaytarilmasdan ularning urniga suvning vodorod ionlari kaytariladi. Agar anodda kislorodli kislota koldigi bulsa, anod elektrodda xam suvning uzi elektron berib oksidlanadi.
Agarda tuz kuchlanishdar qatorida Al dan keyinda turgan metalldan tarkib topgan bulsa. u xolla katodda shu metallning ioni va juda oz mikdorda vodorod ioni kaytariladi. Masalan: ZnSO₄ eritmasi elektroliz kilinganda katodda rux, anodda kislorod ajralib chiqadi.
Uning dissosilanish sxemasi kuyidagicha:
ZnSO₄ = Zn²⁺+ SO^2-₄ ; H₂O =H⁺₂ + OH^-
Elektroliz sxemasi:
Zn²⁺ + 2e = Zn
4 OH^- - 4e^- = O₂ + 2H₂O
Elektrolizga doir mikdoriy qonunlar ingliz olimi M.Faradey tomonidan kashf etilagan.
Faradeyning 1-chi qonuni. Elektroliz prosessida elektrodlarda ajralib chiqadigan modda mikdori elektrolitlardan utgan elektr mikdoriga tugri proporsionaldir; m = k ^. Q
bu yerda m- modda mikdori, k - proporsionallik koeffisiyenti. (uni moddaning elektroximiyaviy ekvivalenti xam deyiladi va u elektrolitdan bir sekundda bir amper tok kuchi yoki bir kulon elektr utganda ajralib chiqqan modda mikdorini kursatadi), Q-elektrolitdan utgan elektr mikdori (kulonlar xisobida).
Faradeyning 2-chi qonuni. Turli ximiyaviy birikmalardan bir xil mikdorda elektr toki utganida elektrodlarda ekvivalent mikdorda modda ajralib chiqadi yoki bir ekvivalent istalgan modda ajralib chiqishi uchun elektrolitdan 96500 kulon elektr toki utkazish kerak:

I, II qonunlarning matematik ifodasi kuyidagicha:

bu yerda; m - kaytarilgan yoki oksidlangan modda mikdori, E - moddaning ekvivalenti, Q-elektr mikdori urniga J*t kuyilsa:
J-tok kuchi. t-tok utish vaqti (sekunad.)
E*J*t
m = ---------
96500
Faradey qonunlarini bilgan xolda kuyidagilarni xisoblash mumkin:
a) Elektr mikdori ajratib chikaradigan modda mikdorini:
b) Ajralib chiqqan modda mikdoriga va tokni elektrolizdan utish vaqtiga qarab tok kuchini.