Fizika · Elektr va magnetizm · 8-sinf

Elektroliz, Faradey qonunlari

Qoshiqni qanday qilib misga qoplash mumkin va bunga qancha tok kerak?

Vaziyat

Ustaxonada eski po‘lat qoshiqni chiroyli mis qatlam bilan qoplashmoqchi. Qoshiq mis kuporosi (CuSO₄) eritmasiga botiriladi va manbaning «−» qutbiga, mis plastina esa «+» qutbiga ulanadi. Bir necha daqiqadan so‘ng qoshiq qizg‘ish tusga kiradi. Eritmada nima harakatlanadi, qancha mis o‘tirishi nimaga bog‘liq va shu tajribadan elektronning zaryadini qanday topish mumkin?

Mavzu

Suyuqliklarda elektr toki, elektroliz. Qoshiqni misga qoplash va Faradey qonunlari

Asosiy tushunchalar

Elektrolitik dissotsiatsiya
Faradey qonunlari
Galvanostegiya

Formulalar

{CuSO}_{4} \to {Cu}^{2 +} + {SO}_{4}^{2 -}

Elektrolitik dissotsiatsiya: tuz suvda tok bo‘lmasa ham ionlarga ajraladi.

m = k I t = k q

Faradeyning 1-qonuni: ajralgan modda massasi o‘tgan zaryadga proporsional; $k$ — elektrokimyoviy ekvivalent.

k = \frac{1}{F} \cdot \frac{M}{n}

Faradeyning 2-qonuni: $M$ — molyar massa, $n$ — ion valentligi. Mis uchun $k \approx 0,329$ mg/C.

F = e N_{A} \approx 96 485 C/mol, e = \frac{F}{N_{A}}

Faradey soni — bir mol elektronning zaryadi; undan elektron zaryadi topiladi.

v = u E

Ionning dreyf tezligi: $u$ — harakatchanlik (Cu²⁺ uchun ≈ $5,6 \cdot 10^{- 8}$ m²/(V·s)).

Nazariya

Elektrolitlar va dissotsiatsiya

Tuzlar, kislotalar va ishqorlarning suvdagi eritmalari — elektrolitlar. Suv molekulalari qutbli: ular ionlarni o‘rab olib, ular orasidagi tortishishni taxminan 80 marta susaytiradi va kristall ionlarga ajraladi (dissotsiatsiya). Ionlar tok yo‘q paytda ham bor — ular faqat tartibsiz harakat qiladi. Eritmaning ko‘k rangini suv molekulalari bilan o‘ralgan Cu²⁺ ionlari beradi. «Kristall tashlash» tugmasi kristall erib, ion juftlariga ajralishini ko‘rsatadi.

Suyuqlikda tok: ionlar harakatchanligi

Elektrodlar orasida maydon $E$ hosil bo‘ladi va ionlar tartibli siljiy boshlaydi: musbat ionlar (kationlar) katodga, manfiy ionlar (anionlar) anodga. Tezlik $v = u E$ ; harakatchanlik $u$ juda kichik, shuning uchun ionlar soniyasiga bir necha mikrometr siljiydi (HUD dagi qiymat). Tokni ikkala ishorali ionlar birga tashiydi. Metallardan farqli, elektrolit qizdirilsa qarshiligi kamayadi: qovushqoqlik kamayadi, ionlar tezlashadi. Sahnada ionlar harakati taxminan 4000 marta tezlashtirilgan.

Elektroliz: elektrodlarda nima bo‘ladi?

Katodda (qoshiqda) mis ionlari ikki elektron olib, metallga aylanadi: ${Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ . Mis anoddan esa xuddi shuncha ion eritmaga o‘tadi: $Cu - 2 e^{-} \to {Cu}^{2 +}$ — eritmaning rangi deyarli o‘zgarmaydi, anod esa yupqalashadi. Tashqi simlarda elektronlar anoddan manba orqali katodga boradi. Elektrodlarda modda ajralishi bilan boradigan bu jarayon — elektroliz.

Faradey qonunlari

1-qonun: ajralgan modda massasi zaryadga proporsional, $m = k I t$ — grafikda $m (t)$ to‘g‘ri chiziq. 2-qonun: $k = M / (n F)$ . Bitta ion $n e$ zaryad olib keladi, bir mol ion uchun esa $n F$ zaryad kerak. Shuning uchun bir xil zaryad turli vannalarda $M / n$ ga proporsional massalar ajratadi — «Ikki vanna» rejimida mis va kumushni solishtiring: $m_{A g} / m_{C u} = 107,9 / (63,5 / 2) \approx 3,4$ . $F = e N_{A}$ — elektroliz zaryadning diskret (elektron zaryadiga karrali) ekanini ko‘rsatgan dastlabki dalillardan biri.

Laboratoriya: misning elektrokimyoviy ekvivalenti

Tok yo‘qligida quruq qoshiqni torting ( $m_{1}$ ). Zanjirni ulang, tokni o‘zgarmas ushlab turing ( $I$ ), vaqtni yozing ( $t$ ). Tokni uzib, qoshiqni yana torting ( $m_{2}$ ). Unda $k = (m_{2} - m_{1}) / (I t)$ , $F = M / (n k)$ va $e = F / N_{A}$ . Xatolik manbalari: tokning tebranishi, qoshiqni yuvish va quritish, tarozi aniqligi (bu yerda 1 mg). Qoplama tekis bo‘lishi uchun tok zichligi taxminan 1–3 A/dm² bo‘lishi kerak; juda katta tokda qatlam g‘ovak va qoramtir bo‘ladi.

Turmushda va texnikada

Galvanostegiya — buyumlarni nikel, xrom, kumush, oltin bilan qoplash (zangdan himoya va bezak). Galvanoplastika — buyumning aniq metall nusxasini olish (B. Yakobi, 1838). Misni tozalash: xom mis anod eriydi, katodda 99,99 % toza mis o‘tiradi, nodir metallar anod shlamida qoladi. Alyuminiy kriolit eritmasidagi glinozemdan ≈ 950 °C da elektroliz bilan olinadi — 1 kg ga ≈ 13–14 kVt·soat energiya. Akkumulyatorni zaryadlash ham elektroliz. Model: tok foydali ish koeffitsienti 100 %, vanna qarshiligi taxminiy ( $κ \approx 3$ S/m), eritma bir jinsli saqlanadi. Kimyoviy tok manbalari haqida batafsil — tok manbalari tajribasida.

Bilasizmi?

Elektroliz qonunlarini Maykl Faradey 1833–1834-yillarda e’lon qilgan; «elektrod», «anod», «katod» va «ion» atamalarini ham u Uilyam Uevell bilan maslahatlashib fanga kiritgan.
Alyuminiyni kriolit eritmasidagi glinozemdan elektroliz qilib olish usulini 1886-yilda bir-biridan mustaqil ravishda amerikalik Charlz Xoll va fransuz Pol Eru kashf etgan.

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.