Астана қаласы, Назарбаев Зияткерлік мектебі, химия пәнінің мұғалімі
Уралбаева Қарлығаш Абдулхаировна
Тотығу – тотықсыздану реакциялары. Электрохимия.
Сабақтың мақсаты
Оқушылардың тотығу дәрежесі және тотығу-тотықсыздану реакция жайындағы білімдерін жүйелеу және қорытындылау. Электролиз жайында мағлұмат беру, білімді кеңейту, тереңдету.
Тотығу – тотықсыздану реакциялары
Тотығу - тотықсыздану процесі ең кеңінен тараған және теориямен практикада маңызды роль атқаратын реакция болып табылады. Тірі ағзаларда жүретін зат алмасу, шіру, ашу, фотосинтез процестері тығыз байланысты. Тотығу - тотықсыздану процесі табиғаттағы заттар айналымын жүзеге асырады. Отынның жануы, металдар коррозиясы, металдар құймаларын дайындау және электролиз процестерінде жүзеге асырады.
Олардың көмегімен сілті, қышқыл және бағалы өнімдер алынады. Тотығу - тотықсыздану реакциялары әрекеттесуші химиялық заттарда гальвани және отын элементтерінде пайда болатын электр энергиясын тудырады. Адамзат баласы тотығу – тотықсыздану реакциясының мәнін толық түсіне алмаса да, оны кеңінен пайдаланды.
Тотығу – тотықсыздану реакциялары
20- шы ғасырдың басында ғана тотығу - тотықсыздану процесінің электрондық теориясы ашылды. Енді осы ерітінділерде жүретін теория тұрғысынан химиялық реакциялар теңдеулерін құрып, осы реакциялардың жүру механизмін қарастырамыз.
Тотығу - тотықсыздану реакциялары (ТТР)-
– Химиялық реакцияларда әрекеттесуші заттардың құрамына кіретін атомдардың тотығу дәрежесінің өзгеруі.
Тотығу дәрежесі
Жай заттардың құрамына кіретін элемент атомының тотығу дәрежесі нөльге тең.
Сутектің тотығу дәрежесі гидридтерден басқа қосылыстарды +1 тең.
Оттектің тотығу дәрежесі пероксидтер мен фтор қосылыстарынан басқа қосылыстарында -2 тең.
Қосылыстың құрамындағы барлық атомдардың тотығу дәрежесінің қосындысының жиынтығы нөльге тең.
Иондағы атомдардың тотығу дәрежесінің жиынтық қосындысы ион зарядына тең болады.
Mgº, Cl2º, O2º
+1 +1 -1
HCl, H2O, NaH
-2 -1 +2
H2O, Н2О2, OF2
+1 +6 -2
H2SO4
2(+1)+6+4(-2)=0
+6 -2
SO4
6+4(-2)=-2
Тотығу – тотықсыздану реакциясын танып білу
Реакция теңдеуіндегі барлық элементтердің тотығу дәрежесінің мәнін жазу
Элемент атомының тотығу дәрежесі өзгеріске ұшырауын анықтаймыз.
+2 -2 +1 -1 +2 -1 +1 -2
PbO + 2HCl → PbCl2 + H2O
Тотығу дәрежесі өзгерімесе => реакция тотығу - тотықсыздану реакциясы болмайды
һ4 -2 +1 -1 +2 -1 0 +1 -2
PbO2 + 2HCl → PbCl2 + Cl2 + 2H2O
Тотығу дәрежесі өзгеретін болса > реакция тотығу - тотықсыздану реакциясы болып табылады
Осы реакциялар көмегімен химиялық энергия электр энергиясына айналады. Химиялық процестер кезінде электр тоғы түзілетін болса, ондай процестерді электрохимиялық дейді. Электрохимиялық процестерге гальвани элементтерінде, электролиз, металдар коррозиясы кезінде жүретін тотығу – тотықсыздану реакциялары жатады.
Электрохимия
Егер тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш кеңістіктерін бөліп, электрондарды металл өткізгіш бойымен жүргізетін болсақ, мұнда гальвани элементін аламыз. Яғни, гальвани элементі тотығу - тотықсыздану кезінде түзілетін химиялық энергияны электр тоғы энергиясына айналдырады. Мысалы Даниэль – Якоби элементінің жұмыс істеу принципін қарастырайық. Екі құты алып, оларға мырыш және мыс тұздары ерітіндісін құяды, оларға өздерінің металл пластинкасын батырады.
Электрохимия
Екі құтыны ерітінді толтырылған түтікше арқылы жалғастырады. Мырыш пен мыс пластинкалары металл өткізгішпен қосқан кезде жүйеде электр тоғы пайда болады. Мырыш тұзына батырылған мырыш электроды тотығады, ол еріп ерітіндіге өте бастайды.
Zn0 – 2e = Zn 2+ (тотығу – (анод процесі)
Мырыштан бөлінген электрондар металл өткізгіш бойымен мыс арқылы CuSO4 - ке беріліп, мыс тотықсызданады:
Cu2+ + 2 e = Cu 0 (тотықсыздану процесі – ( катод процесі)
Электрохимия
Гальвани элементі
Zn0 + Cu+2SO4 = Zn+2SO4 + Cu0
Zn0 + Cu+2 = Zn+2 + Cu0
Zn0 – 2е = Zn+2
Cu+2 + 2е = Cu0
Электроны өте көп артық мөлшерде болатын электрод гальвани элементінің теріс полюсі, ал электроны жеткіліксіз мөлшерде болатын электрод оң полюсі деп аталады.
Гальвани элементінің теріс полюсі дегеніміз артық мөлшерде электроны анағұрлым көп, өте белсенді металл болып табылады.
Электрохимия
Гальвани элементіндегі катод теріс зарядталады. Тізбектің сыртқы бөлігіндегі электрондар (металдар бойынша өткізгіштерде) гальвани элементінің теріс полюсінен оң полюсіне (катодтан анодқа) қарай жылжып ауысады.
Электрохимия
ФАРАДЕЙ (Faraday), Майкл
22 қыркүйек 1791 ж –
25 Тамыз 1867 ж
Ағылшын физигі Майкл Фарадей Лондонда металл өңдеушінің жанұясында өмірге келді. Бастауыш мектепті бітірген соң, ол он екі жасынан бастап газет тасушы болып жұмыс істеді. 1804 ж француз эмигранты Рибоның түптеушісі ретінде жұмысқа қабылданды. Ол жастайынан білімге өте құштар болып, өздігінен білім алды. Бір досы Король институтының профессоры Гемфрид Дэвидің лекциясын тыңдауға шақыру билетін алып берді. Бұл лекция білімге құштар жасөспірімнің тағдырына үлкен әсер етті. Дэвидің хаттарына жауап бере отыра, Фарадей Король институтында Дэвидің шәкірті болып қабылданды.
Ғылымға үлесі
1820 ж. – магнетизмді зерттеді. 1821 ж. – электродвигательдің физикалық негізін түсіндірді.
1831 ж. – тәжірибе арқылы электр күштерін, индуктивті электр тоғын зерттеді.
1832 ж. – химиялық және электрохимиялық құбылыстар арасындағы байланысты зерттеді.
Ғылымға үлесі
Фарадей электрохимияның негізін қалаушылардың бірі болып табылады.
«Электролит», «электрод», «анод», «катод» терминдерін ғылымға енгізді.
1837 ж. – индукция құбылысын ашты. 1845 ж. – тоқтың әсерінен электрленген сұйықтыққа полярланған жарықтың әсерін түсіндірді.
1855 ж. –кристалл формаларының және температураның магниттік құбылыстарға тәуелділігін анықтап көрсетті.
Фарадей заңы
I –ампер бойынша ток күші;
t – уақыт процесте секунд бойынша,
F – Фарадей саны = 96500 Кл/моль;
Э - эквиваленттік масса;
m= Э I t / F
Электродты потенциал
Металл мен ерітінді арасында біршама потенциал айырмасы түзіледі. Металл иондарының ерітіндіге бөлінуі қайтымды процесс. Бір кезде динамикалық тепе - теңдік орнайды. Оны былай қысқаша жазуға болады:
Ме Mеn+ + ne
Мұнда, n – металдың заряды.
Тепе – теңдік орнаған кездегі металл мен оны қоршаған ерітінді арасында пайда болған потенциалдар айырмасын электродтық потенциал дейді.
Электродты потенциал
Металдардың стандартты электродтық қатары олардың химиялық қасиетін көрсетеді. Металдың стандартты электродтық потенциалының алгебралық мәні неғұрлым кіші болса, оның соғұрлым тотықсыздандырғыш қасиеті жоғары, тотықтырғыш қасиеті төмен болады. Ең күшті тотықсыздандырғыш литий (Е0 = -3,045) , ал алтын әлсіз (Е0 = + 1,438) Сондықтан алтын ионы Au+3 ең күшті тотықтырғыш, ал литий ионы Li + ең әлсіз.
Электродты потенциал
Салыстырмалы электрод ретінде стандарт сутегі электроды қолданылады. Осы сутегі электродына басқа металл электродтарды жалғау арқылы олардың стандартты электродтық потенциалдарын табады. Мұнда сутегінен активті металдар оған электрон береді де электродтық потенциал мәндері «теріс», ал сутегіне қарағанда активсіз металдар электрон қабылдап, олардың электродтық потенциалдарының мәндері «оң» болады.
– Электролит ерітіндісі немесе балқымасы арқылы электр тогын жібергенде жүретін тотығу - тотықсыздану реакциясы.
Тоқ көзі
Электролизде катод теріс зарядталады, оған қарай катиондар қозғалып, сол жерде олар тотықсызданады. Анод оң зарядталады, оған қарай аниондар қозғалып, сол жерде олар тотығады.
Электролиз процесі – эндотермиялық процесс, себебі ол электр энергиясы арқылы жүзеге асады.
1,5 В кернеуі бар фонариктерде, радиоқабылдағыштарда, балалар ойыншығында, будильникте т.б. кәдімгі батарейка қолданылады. Бұл құрғақ элемент деп аталады. Яғни кәдімгі түсінік бойынша ерітіндісі болмағандықтан құрғақ деп аталады. Анод ретінде батарейканың мырышты қабығы роль атқарады, ол MnO2, NH4Cl және көмірден тұратын ылғал пастамен байланысып тұрады. Пастаға инертті катод – графитті стержень батырылған. Бұл батарейкаларды қайта зарядтауға болмайды.
1,5 В кернеуі бар фонариктерде, радиоқабылдағыштарда, балалар ойыншығында, будильникте т.б. кәдімгі батарейка қолданылады. Бұл құрғақ элемент деп аталады. Яғни кәдімгі түсінік бойынша ерітіндісі болмағандықтан құрғақ деп аталады. Анод ретінде батарейканың мырышты қабығы роль атқарады, ол MnO2, NH4Cl және көмірден тұратын ылғал пастамен байланысып тұрады. Пастаға инертті катод – графитті стержень батырылған. Бұл батарейкаларды қайта зарядтауға болмайды.
Месопотамия аймағында қазба жұмысын жүргізген кезде жасы 2200 жыл болатын «батарея» табылған. Бұл гальвани элементі темір стержень және мыстан жасалған қабықтан тұрады. Осы екі электродтың жүзім шырынын құятын ыдысқа салынғаны анықталған болатын.
Электрохимия терминдері
Гальвани элементі –тотығу тотықсыздану реакцияларында химиялық энергияны электр энергиясына айналдыратын қондырғы.
Электрод – бұл тотығу н/е тотықсыздану жүретін металдан немесе графиттен жасалған (көбінесе стержень н/е пластиналар ).
Катод – тотықсыздану жүретін электрод.
Анод – тотығу процесі жүретін электрод.
Жаттығу
Сулы ерітінділер электролизында инертті электродтарды қолданған кезде анодта бөлінетін өнім мен электролизге ұшырайтын заттың арасындағы сәйкестікті көрсетіңіз:
Сулы ерітінділер электролизында инертті электродтарды қолданған кезде анодта бөлінетін өнім мен электролизге ұшырайтын заттың арасындағы сәйкестікті көрсетіңіз:
Заттың формуласы Анодтағы өнімдер
А) NaCl 1) Cl2
B) NaClO4 2) Cl2 , O2
C) NaOH 3) O2
D) NaBr 4) H2 , Br2
5) O2, Br2
6) Br2
Жаттығу :
Сулы ерітінділер электролизында инертті электродтарды қолданған кезде анодта бөлінетін өнім мен электролизге ұшырайтын заттың арасындағы сәйкестікті көрсетіңіз:
Заттың формуласы Анодтағы өнімдер
А) HgSO4 1) F2
B) KF 2) O2
C) HgCl2 3) Hg
D) RbOH 4) H2
5) Cl2
6) H2, O2
Жаттығу :
Сулы ерітінділер электролизында инертті электродтарды қолданған кезде анодта бөлінетін өнім мен электролизге ұшырайтын заттың арасындағы сәйкестікті көрсетіңіз:
Заттың формуласы Анодтағы өнімдер
А) HgSO4 1) F2
B) KF 2) O2
C) HgCl2 3) Hg
D) RbOH 4) H2
5) Cl2
6) H2, O2
Есеп
Электролит ерітіндісі арқылы 30 минут уақыт бойы
2,5 A тоқ күшін жұмсаған кезде ерітіндіден 2, 77 г металл бөлініп шықты. Осы металдың эквиваленттік массасын табыңыз.
Шешуі:
m=2,77 г, I = 2,5 A, t= 30 мин = 1800 сек
Э = m F / (It) = 2,77 * 96500 / (2,5 * 1800) = 59,4 г / моль
Үй тапсырмасы
1. Кальций хлориді балқымасының электролизі теңдеуін жазып, катод пен анодта бөлінетін өнімдерді көрсетіңіз.
2. Темірдің (ІІ) хлориді ерітіндісінің электролизі теңдеуін жазып, катод пен анодта бөлінетін өнімдерді көрсетіңіз.
3. Электронды баланс әдісін қолданып реакция теңдеуін аяқтаңыз.
Есеп
Күміс нитратының электролит ерітіндісі арқылы 30 минут уақыт бойы 6 A тоқ күшін жұмсаған кезде ерітіндіден бөлініп шыққан металл күмістің массасын анықтаңыз.
Пайдаланған әдебиеттер мен ақпарат көздері
1. Габриелян О.С. Химия: пособие для школьников старших классов и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2006
2. Слета Л.А. Химия: Справочник. – Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство АСТ», 2000
