Kimyo · Oksidlanish-qaytarilish va elektrokimyo · 9-sinf

Elektroliz va korroziya

Tok osh tuzidan xlor va ishqor oladi — temir quvur esa nega zanglaydi?

Vaziyat

Navoiyazotning xlor-ishqor sexida osh tuzi eritmasidan elektr toki yordamida xlor, vodorod va o‘yuvchi natriy olinadi. Xuddi shu elektronlar oqimi uydagi suv quvurida ham ishlaydi — faqat foydali emas: temir asta-sekin zangga aylanadi. Maktab laboratoriyasida mis xlorid eritmasidan tok o‘tkazilsa, bir elektrod qizarib, ikkinchisidan o‘tkir hidli gaz chiqadi. Elektrodlarda nima bo‘ladi, kimyoviy reaksiya qanday qilib tok beradi va temirni zangdan qanday himoya qilish mumkin?

Mavzu

Elektroliz va korroziya. Navoiyazot xlor-ishqor sexi va zanglagan suv quvuri: elektronlar oqimi tuz eritmasidan xlor, vodorod va o‘yuvchi natriy oladi, temirni esa yemiradi

Asosiy tushunchalar

Eritma va suyuqlanma elektrolizi
Galvanik element
Korroziyadan himoya

Formulalar

CuCl_{2} \overset{}{\to} Cu + Cl_{2} ↑

Mis(II) xlorid eritmasi elektrolizi: katodda mis, anodda xlor (7-laboratoriya ishi).

2 NaCl + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} ↑ + Cl_{2} ↑

Osh tuzi eritmasi: katodda vodorod va o‘yuvchi natriy, anodda xlor (xlor-ishqor ishlab chiqarish).

m = \frac{M I t}{z F}, F = 96 485 C/mol

Faradey qonunlari: ajralgan modda massasi zaryadga ( $q = I t$ ) va $M / z$ ga proporsional.

ℰ = E_{katod}^{\circ} - E_{anod}^{\circ}

Galvanik element EYuK i: Zn–Cu (Daniel elementi) uchun $0,34 - (- 0,76) = 1,10$ V.

4 Fe + 3 O_{2} + 6 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Fe (OH)_{3}

Temirning zanglashi: suv va kislorod birga bo‘lganda; zang — gidratlangan temir(III) oksid.

Nazariya

Elektroliz: katod va anoddagi jarayonlar

Elektroliz — elektrolit eritmasi yoki suyuqlanmasidan o‘zgarmas tok o‘tganda elektrodlarda boradigan oksidlanish-qaytarilish. Manbaning manfiy qutbiga ulangan katodda kationlar (yoki suv) elektron olib qaytariladi, musbat anodda anionlar (yoki suv) elektron berib oksidlanadi. Katod qoidasi (eritmada): faollik qatorida alyuminiygacha bo‘lgan metallar (Li … Al) ajralmaydi — suv qaytariladi: $2 H_{2} O + 2 e^{-} \overset{}{\to} H_{2} ↑ + 2 OH^{-}$ ; vodoroddan keyingilari (Cu, Ag, Au) — metall ajraladi: $Cu^{2 +} + 2 e^{-} \overset{}{\to} Cu$ ; o‘rtadagilari (Zn … Pb) — metall va ko‘pincha ozroq vodorod. Anod qoidasi (inert grafit anod): kislorodsiz qoldiqlar (Cl⁻, Br⁻, I⁻, S²⁻) oksidlanadi: $2 Cl^{-} - 2 e^{-} \overset{}{\to} Cl_{2} ↑$ ; kislorodli qoldiqlar (SO₄²⁻, NO₃⁻) va F⁻ oksidlanmaydi — suv oksidlanib kislorod ajraladi: $2 H_{2} O - 4 e^{-} \overset{}{\to} O_{2} ↑ + 4 H^{+}$ .

7-laboratoriya ishi: CuCl₂ va KI eritmalari

U-simon nayga eritma quyiladi, ikki grafit elektrod tushiriladi va o‘zgarmas tok ulanadi. CuCl₂: katod qizg‘ish mis bilan qoplanadi, anodda xlor ajraladi — nam yod-kraxmal qog‘oz ko‘karadi: $CuCl_{2} \overset{}{\to} Cu + Cl_{2} ↑$ . KI (fenolftalein va kraxmal qo‘shilgan): katod atrofi pushti — suv qaytarilib OH⁻ hosil bo‘ldi, anod atrofi to‘q ko‘k — yod ajraldi va kraxmal bilan birikdi: $2 KI + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 KOH + H_{2} ↑ + I_{2}$ . Na₂SO₄ eritmasida faqat suv parchalanadi: vodorod va kislorod hajmlari 2 : 1, universal indikator katodda binafsha, anodda qizil. Mis kuporosi eritmasida esa katodda mis, anodda kislorod, eritmada sulfat kislota to‘planadi.

Faradey qonunlari va masalalar

Elektrodda ajralgan modda miqdori o‘tgan zaryadga proporsional: $n = q / (z F)$ , $q = I t$ , $m = n M = M I t / (z F)$ (z — bir formula birligiga kerak bo‘lgan elektronlar soni). Misol: 0,80 A tok CuCl₂ eritmasidan 20 minut (1200 s) o‘tsa: $q$ = 960 C, $n (e^{-})$ = 960/96 485 = 9,95 mmol, $n (Cu)$ = 4,97 mmol → 0,316 g mis; anodda shuncha mol Cl₂ — 111 ml (n.sh.). Bir xil zaryad turli moddalardan $M / z$ ga proporsional massalar ajratadi. Batafsil o‘lchash va elektron zaryadini topish — «Elektroliz, Faradey qonunlari» tajribasida.

Suyuqlanma elektrolizi va sanoat

Suyuqlanmada suv yo‘q — eng faol metallar ham ajraladi. Natriy: NaCl va CaCl₂ suyuqlanmasi (≈ 600 °C; toza NaCl 801 °C da eriydi), grafit anod, po‘lat katod, ular orasida temir to‘r — $2 NaCl \overset{}{\to} 2 Na + Cl_{2} ↑$ . Alyuminiy (Xoll–Eru usuli, 1886): Al₂O₃ eritilgan kriolitda (≈ 950–970 °C) elektroliz qilinadi, uglerod anodlar yonib CO₂ ga aylanadi: $2 Al_{2} O_{3} + 3 C \overset{}{\to} 4 Al + 3 CO_{2} ↑$ ; 1 kg Al ga ≈ 13–14 kVt·soat. Xlor-ishqor: to‘yingan namakob membranali (avval diafragmali va simob katodli) elektrolizyorlarda: anodda xlor, katodda vodorod va NaOH; membrana faqat Na⁺ ni o‘tkazadi. Navoiyazotda 2019-yil dekabrda ishga tushgan majmua yiliga ≈ 75 ming t kaustik soda va ≈ 100 ming t PVX ishlab chiqarishga mo‘ljallangan. Elektroliz bilan yana misni tozalash, rux olish, buyumlarni qoplash (galvanotexnika) bajariladi.

Galvanik element va korroziya

Faolroq metall kamroq faol metall tuziga elektron beradi; agar ularni alohida idishlarga solib, sim va tuz ko‘prigi bilan ulasak, elektronlar sim orqali o‘tadi — bu galvanik element. Faol metall — anod (oksidlanadi, «−»), kamroq faoli — katod («+»). EYuK: $ℰ = E °_{k} - E °_{a}$ ; Daniel elementi Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu — 1,10 V. Konsentratsiya o‘zgarsa, potensial Nernst tenglamasi bo‘yicha siljiydi: $E = E ° + \frac{0,059}{z} \lg c$ . Akkumulyatorlar ham galvanik element, lekin zaryadlab bo‘ladi: $Pb + PbO_{2} + 2 H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} 2 PbSO_{4} + 2 H_{2} O$ (≈ 2 V). Korroziya — metallarning muhit ta’sirida yemirilishi: kimyoviy (quruq gazlar, yuqori harorat) va elektrokimyoviy (elektrolit eritmasida — mikrogalvanik juftlar). Temir suv va kislorod birga bo‘lganda zanglaydi: anodda $Fe - 2 e^{-} \overset{}{\to} Fe^{2 +}$ , katodda $O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} \overset{}{\to} 4 OH^{-}$ ; tuz zanglashni tezlashtiradi, kamroq faol metall bilan tutashuv (Cu) — ham.

Himoya, laboratoriya usullari, xavfsizlik va model

Himoya: bo‘yoq, emal, moy; metall qoplama — rux (ruxlangan temir chizilsa ham himoyalanadi: rux faolroq) va qalay (oqlangan tunuka chizilsa, temir tezroq zanglaydi); xrom, nikel; zanglamas qotishmalar; protektor (Mg, Zn bloklar quvur va kema korpusiga ulanadi — ular o‘zi yemiriladi); tashqi manbadan katodli himoya; ingibitorlar. Ferroksil indikatori (K₃[Fe(CN)₆] + fenolftalein, agarda): Fe²⁺ chiqqan anod joylari ko‘karadi, OH⁻ hosil bo‘lgan katod joylari pushti. Korroziya tezligi: gravimetrik — $v = Δ m / (S t)$ , g/(m²·sutka); elektrokimyoviy — korroziya toki: temir uchun 1 mkA/sm² ≈ 0,25 g/(m²·sutka) ≈ 0,012 mm/yil. Xavfsizlik: xlor zaharli — elektroliz tortish shkafida, oz tok bilan; KI, CuCl₂, CuSO₄ eritmalarini tatib ko‘rmang, terini yuving; suyuqlanmalar va sanoat elektrolizi faqat zavodda. Model: eritmalar ideal, gazlar to‘liq ajraladi (Cl₂ ning suvda erishi hisobga olinmagan), elektrodlar atrofidagi rangli zonalar bir o‘lchamli diffuziya bilan chizilgan; sanoat yacheykalarida tok unumi va kuchlanish tipik qiymatlar; zanglash tezliklari namunaviy; vaqt tezlashtirilgan (rejimga qarab 60–21 600 marta).

Bilasizmi?

Navoiyazotdagi polivinilxlorid va kaustik soda majmuasi 2019-yil dekabrida ishga tushgan: u yiliga taxminan 75 ming t o‘yuvchi natriy va 100 ming t PVX ishlab chiqarishga mo‘ljallangan — xlor va ishqor osh tuzi eritmasini elektroliz qilib olinadi.
NACE International 2016-yilda e’lon qilgan IMPACT tadqiqotiga ko‘ra, korroziya dunyo bo‘yicha yiliga taxminan 2,5 trillion AQSh dollari zarar keltiradi — bu jahon YaIMining ≈ 3,4 % i (2013-yil ma’lumotlari).

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Oksidlanish-qaytarilish — 8-sinf
Galvanik elementlar va korroziya — 1-kurs