Электролиз ба жишээнүүдийг ойлгох нь
Электролизийг ойлгох нь
Электролиз гэдэг нь өөрөө аяндаа явагдахгүй химийн урвалыг өдөөхийн тулд шууд гүйдэл (DC) ашигладаг химийн процесс юм. "Электролиз" гэсэн нэр томъёо нь Грек хэлний "electro" буюу цахилгаан, "lysis" буюу салгах гэсэн үгнээс гаралтай. Өөрөөр хэлбэл, электролиз гэдэг нь химийн нэгдлийг цахилгаан ашиглан элементүүдэд нь хуваах үйл явц юм.
Электролизийн үед явагддаг химийн урвалууд нь байгалийн жамаар явагддаггүй бөгөөд цахилгаан эрчим хүч шаарддаг. Электролизийг металлурги, химийн үйлдвэрлэл, металл цэвэршүүлэх зэрэг янз бүрийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг.
Электролизийн ажиллах зарчим
Электролиз нь электролит, катод, анод гэсэн гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгийг шаарддаг.
1. Электролит гэдэг нь чөлөөт ион агуулсан бөгөөд цахилгаан гүйдэл дамжуулж чаддаг бодис юм. Электролитууд нь эдгээр ионуудыг агуулсан шингэн эсвэл уусмал байж болно.
2. Катод нь электрод (цахилгаан дамжуулагч) бөгөөд энд бууралт явагддаг, тухайлбал ион эсвэл молекулууд электроныг хүлээн авдаг.
3. Анод нь исэлдэлт явагддаг электрод бөгөөд ион эсвэл молекулууд электроныг ялгаруулдаг.
Цахилгаан гүйдэл электролитоор дамжин өнгөрөхөд электролит дахь ионууд эсрэг цэнэгтэй электрод руу шилждэг. Эерэг ионууд (катионууд) катод руу, сөрөг ионууд (анионууд) анод руу шилждэг. Энэ нь хоёр электрод дээр химийн урвал явагдахад хүргэдэг.
Электролиз дэх исэлдэн ангижрах урвалууд
Электролизийн процесс нь исэлдэн ангижрах (буурах-исэлдүүлэх) урвалыг хамардаг. Катод дээр ионууд электроныг шингээж шинэ бодис үүсгэдэг буурах урвал явагддаг. Анод дээр исэлдэлтийн урвал явагддаг бөгөөд ионууд электроныг ялгаруулж шинэ бодис үүсгэдэг.
Электролизийн урвалын тэгшитгэлийн жишээ
Энгийн жишээ бол усны (H₂O) электролиз юм. Энд явагдах урвалын үе шатууд байна:
1. Усны ионжуулалт:
\[2H₂O(l) \баруун сум 2H⁺(ус) + 2OH⁻(усан)\]
2. Катодын урвал:
\[2H⁺(ус) + 2e⁻ \баруун сум H₂(g)\]
3. Анод дахь урвал:
\[4OH⁻(усан) \баруун сум O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻\]
Ерөнхийдөө энэхүү усны электролизийн урвал нь катод дээр устөрөгчийн хий (H₂), анод дээр хүчилтөрөгчийн хий (O₂) үүсгэдэг.
Электролизийн хэрэглээний жишээнүүд
1. Металл цэвэршүүлэх
Электролизийг зэс гэх мэт металлыг цэвэршүүлэхэд ашигладаг. Энэ процесст цэвэр бус зэсийн хэсэг нь анод, цэвэр зэсийн хэсэг нь катодын үүрэг гүйцэтгэдэг. Ашигласан электролит нь зэсийн сульфатын (CuSO₄) уусмал юм.
Энэ үйл явц дараах байдалтай байна:
– Анод дээр цэвэр бус зэс нь электролитэд уусдаг зэс (II) ионууд болж исэлддэг:
\[Cu(s) \rightarrow Cu²⁺(aq) + 2e⁻\]
– Эдгээр зэсийн ионууд дараа нь катод руу шилжиж, тэндээ ангижирч, катодтой холбогддог:
\[Cu²⁺(aq) + 2e⁻ \баруун сум Cu(s)\]
Эцсийн үр дүн нь катод дээр цэвэр зэс хуримтлагдаж, анод дээр цэвэр бус зэс аажмаар багасдаг.
2. Хлорын хий болон натрийн гидроксидын үйлдвэрлэл
Хлор-шүлтийн процесс нь натрийн хлоридын (NaCl) уусмалын электролизээр хлорын хий (Cl₂) болон натрийн гидроксид (NaOH) үйлдвэрлэхэд ашигладаг арга юм.
Энэ үйл явц нь дараах хариу урвалуудыг агуулна.
– Катод дээр натрийн ионууд (Na⁺) болон ус нь устөрөгчийн хий (H₂) болон гидроксидын ионуудыг (OH⁻) үүсгэхийн тулд бууралтад ордог:
\[2H₂O(l) + 2e⁻ \баруун сум H₂(g) + 2OH⁻(усан)\]
– Анод дээр хлоридын ионууд (Cl⁻) нь исэлдэлтэд орж хлорын хий (Cl₂) үүсгэдэг:
\[2Cl⁻(ус) \баруун сум Cl₂(g) + 2e⁻\]
Эцсийн үр дүн нь катод дээр устөрөгчийн хий, анод дээр хлорын хий, мөн электролитэд үүссэн натрийн гидроксидын уусмал юм.
3. Цахилгаан бүрэх
Электролиз ашиглан нэг металлыг нөгөө металл дээр бүрэх үйл явц нь электролиз юм. Нийтлэг жишээнд үнэт эдлэл эсвэл гэр ахуйн эд зүйлсийг мөнгө эсвэл алтаар бүрэх орно.
Электролизийн процесс дараах байдлаар явагдана.
– Бүрхэх объектыг (жишээлбэл, цагираг) катод болгон ашигладаг.
– Анод болгон бүрсэн металл (жишээ нь, мөнгө эсвэл алт) ашигладаг.
– Электролит гэдэг нь бүрэх металлын ион (жишээлбэл, мөнгөний нитратын AgNO₃ уусмал) агуулсан уусмал юм.
Электролизийн үед анодоос гарсан металлын ионууд электролитэд уусч, дараа нь катод руу шилжиж, тэнд нь ангижирч, бүрэх объекттой холбогддог.
4. Хөнгөн цагаан үйлдвэрлэл
Электролизийг бокситын хүдрээс хөнгөн цагаан үйлдвэрлэхэд Холл-Эрутын процесс гэгддэг процесст ашигладаг.
– Хөнгөн цагааны исэл (Al₂O₃)-аар баялаг бокситыг эхлээд цэвэр хөнгөнцагааны исэл (Al₂O₃) болгон хувиргадаг.
– Дараа нь хөнгөнцагаан ислийг хайлсан криолит (Na₃AlF₆)-д уусгаж, тусгай эсэд электролизжүүлнэ.
– Катод дээр хөнгөн цагааны ионууд буурдаг:
\[Al³⁺ + 3e⁻ \rightarrow Al\]
– Анод дээр хөнгөн цагааны исэлээс үүссэн хүчилтөрөгч исэлдэж, хүчилтөрөгчийн хий үүсгэдэг:
\[2O²⁻ \rightarrow O₂ + 4e⁻\]
Дүгнэлт
Электролиз нь үйлдвэрлэл болон өдөр тутмын амьдралд чухал ач холбогдолтой технологи юм. Металл цэвэршүүлэх, хлор, натрийн гидроксид зэрэг чухал химийн бодис үйлдвэрлэхээс эхлээд металл эд зүйлсийг чимэглэх, хамгаалах электролизийн техник хүртэл электролизийн ашиг тус нь асар их бөгөөд олон янз байдаг.
Электролизийн үндсэн зарчмуудыг ойлгох нь янз бүрийн технологи, үйлдвэрлэлийн салбарт хэрэгжүүлж болох янз бүрийн техник, хэрэглээг судлах чухал алхам юм. Технологийн тасралтгүй хөгжлийг дагаад электролизийн үйл явц цаашид хөгжиж, хүн төрөлхтөнд улам их ашиг тусаа өгөх төлөвтэй байна.
