Электролизді түсіну және мысалдар
Электролизді түсіну
Электролиз - бұл өздігінен жүрмейтін химиялық реакцияны жүргізу үшін тұрақты токты (ТТ) пайдаланатын химиялық процесс. «Электролиз» термині гректің «электр» және «лизис» деген сөздерінен шыққан, яғни электр тогын пайдаланып химиялық қосылысты элементтерге бөлу процесі.
Электролизде жүретін химиялық реакциялар табиғи түрде жүрмейді және олардың жүруі үшін электр энергиясы қажет. Электролиз металлургия, химия өндірісі және металл өңдеу сияқты әртүрлі салаларда жиі қолданылады.
Электролиздің жұмыс принципі
Электролиз үш негізгі компонентті қажет етеді: электролит, катод және анод.
1. Электролиттер – құрамында бос иондар бар және электр тогын өткізе алатын заттар. Электролиттер осы иондарды қамтитын сұйықтықтар немесе ерітінділер болуы мүмкін.
2. Катод – тотықсыздану, атап айтқанда иондар немесе молекулалар арқылы электрондарды қабылдау жүретін электрод (электр өткізгіш).
3. Анод - тотығу, атап айтқанда иондар немесе молекулалар арқылы электрондардың бөлінуі жүретін электрод.
Электролит арқылы электр тогы өткенде, электролиттегі иондар қарама-қарсы зарядты электродқа қарай жылжиды. Оң иондар (катиондар) катодқа қарай, ал теріс иондар (аниондар) анодқа қарай жылжиды. Бұл екі электродта да химиялық реакцияның жүруіне әкеледі.
Электролиздегі тотығу-тотықсыздану реакциялары
Электролиз процесі тотығу-тотықсыздану (тотықсыздану-тотықсыздану) реакциясын қамтиды. Катодта тотықсыздану реакциясы жүреді, мұнда иондар электрондарды жұтып, жаңа зат түзеді. Анодта тотығу реакциясы жүреді, мұнда иондар электрондарды бөліп, жаңа зат түзеді.
Электролиз реакциясының теңдеуінің мысалы
Қарапайым мысал ретінде судың (H₂O) электролизін алуға болады. Міне, жүретін реакцияның кезеңдері:
1. Суды иондау:
\[2H₂O(l) \оң жақ көрсеткі 2H⁺(ақ) + 2OH⁻(ақ)\]
2. Катодтағы реакция:
\[2H⁺(ақ) + 2e⁻ \оң жақ көрсеткі H₂(g)\]
3. Анодтағы реакция:
\[4OH⁻(ақ) \оң жақ көрсеткі O₂(г) + 2H₂O(l) + 4e⁻\]
Жалпы алғанда, бұл су электролизі реакциясы катодта сутегі газын (H₂), ал анодта оттегі газын (O₂) түзеді.
Электролизді қолдану мысалдары
1. Металл өңдеу
Электролиз мыс сияқты металдарды тазарту үшін қолданылады. Бұл процесте таза мыстың бір бөлігі анод, ал таза мыстың бір бөлігі катод қызметін атқарады. Қолданылатын электролит - мыс сульфатының (CuSO₄) ерітіндісі.
Процесс келесідей:
– Анодта таза мыс электролитте еритін мыс (II) иондарына дейін тотығады:
\[Cu(лар) \оң жақ көрсеткі Cu²⁺(ақ) + 2e⁻\]
– Содан кейін бұл мыс иондары катодқа қарай жылжиды, онда олар тотықсызданып, катодқа қосылады:
\[Cu²⁺(ақ) + 2e⁻ \оң жақ көрсеткі Cu(лар)\]
Нәтижесінде катодта таза мыс тұндырылады, ал анодта біртіндеп тотықсыздандырылған таза мыс пайда болады.
2. Хлор газы мен натрий гидроксидін өндіру
Хлор-сілтілік процесс - натрий хлориді (NaCl) ерітіндісінің электролизі арқылы хлор газын (Cl₂) және натрий гидроксидін (NaOH) алу үшін қолданылатын әдіс.
Процесс келесі реакцияларды қамтиды:
– Катодта натрий иондары (Na⁺) және су сутегі газын (H₂) және гидроксид иондарын (OH⁻) алу үшін тотықсыздануға ұшырайды:
\[2H₂O(l) + 2e⁻ \оң жақ көрсеткі H₂(g) + 2OH⁻(ақ)\]
– Анодта хлорид иондары (Cl⁻) хлор газын (Cl₂) алу үшін тотығуға ұшырайды:
\[2Cl⁻(ақ) \оң жақ көрсеткі Cl₂(g) + 2e⁻\]
Нәтижесінде катодта сутегі газы және анодта хлор газы, сондай-ақ электролитте түзілген натрий гидроксиді ерітіндісі пайда болады.
3. Гальваникалық қаптау
Гальваникалық қаптау – электролизді қолдану арқылы бір металды екінші металдың үстіне қаптау процесі. Жалпы мысалдарға зергерлік бұйымдарды немесе тұрмыстық заттарды күміс немесе алтынмен қаптау жатады.
Гальваникалық өңдеу процесі келесідей жүзеге асырылады:
– Қапталатын зат (мысалы, сақина) катод ретінде пайдаланылады.
– Анод ретінде қапталған металл (мысалы, күміс немесе алтын) қолданылады.
– Электролит – құрамында жабынды металл ионы бар ерітінді (мысалы, AgNO₃ күміс нитратының ерітіндісі).
Электролиз кезінде анодтан шыққан металл иондары электролитте еріп, содан кейін катодқа қарай жылжиды, онда олар тотықсызданып, қапталатын затқа бекітіледі.
4. Алюминий өндірісі
Электролиз сонымен қатар боксит кенінен алюминий өндіруде Холл-Эру процесі деп аталатын процесте қолданылады.
– Алюминий оксидіне (Al₂O₃) бай боксит алдымен таза алюминий оксидіне (Al₂O₃) айналады.
– Содан кейін алюминий оксиді балқытылған криолитте (Na₃AlF₆) ерітіліп, арнайы ұяшықта электролизденеді.
– Катодта алюминий иондары тотықсызданады:
\[Al³⁺ + 3e⁻ \rightarrow Al\]
– Анодта алюминий оксидінен оттегі тотығады және оттегі газын түзеді:
\[2O²⁻ \rightarrow O₂ + 4e⁻\]
Қорытынды
Электролиз - өнеркәсіпте және күнделікті өмірде маңызды қолданылуы бар технология. Металлды тазартудан және хлор мен натрий гидроксиді сияқты маңызды химиялық заттарды өндіруден бастап, металл заттарды әшекейлеу және қорғау үшін электродпен қаптау әдістеріне дейін электролиздің артықшылықтары өте кең және алуан түрлі.
Электролиздің негізгі принциптерін түсіну әртүрлі технологиялық және өнеркәсіптік салаларда қолдануға болатын әртүрлі әдістер мен қолданбаларды зерттеудегі маңызды қадам болып табылады. Технологияның үздіксіз дамуымен электролиз процесі дамып, адамзатқа одан да көп пайда әкеледі деп күтілуде.
