Ерітінділердің электрохимиялық қасиеттері

Ал, зарядталған бөлшектерді қозғалысқа итермелейтін күш электр тогының электр қозғаушы күші болатындығын еске алыңыз.

Электр энергиясын өндіретін станцияларда сыртқы энергия көзін пайдалана отырып, арнаулы қондырғылардың бір ұшында – теріс, ал екінші үшында – оң заряд жинақталатындай етіп кернеу туындатады. Оң және теріс зарядтар жинақталған жерді ток көзінің қайнары – полюстер деп атайды. Осы полюстерді өзара өткізгіштер арқылы тізбек құрып, бір-біріне жалғасақ, зарядталған бөлшектер бағытталған қозғалысқа ие болып, заряд айырмашылығын теңелдіруге ұмтылады.

Зарядтар теңелмеуі үшін ылғи да сыртқы энергия көзінен күш жүмсалып, кернеу тудыратындай жұмыс атқарылып отырылуы тиіс. Қарастырылып отырған тізбек бойын бірлік заряд мөлшері айналып өтуге өажетті сыртқы энергия көзінен атқарылатын жұмыс шамасы – ток көзінің электр қозғаушы күші (ЭКҚ) деп аталады, яғни:

W

E = ------

W – сыртқы энергия көзінің атқаратын жұмысы;

q - тізбек бойымен қозғалатын заряд шамасы.

Ендеше, осындай электр энергиясын алу барысында ерітінділер бойында жүретін құбылыстарды және электр энергиясы әсерінен ерітінділерде орын алатын өзгерістерді қарастыратын ілім саласы “Электрохимиямен” танысалық.

Осы орайда “электрохимия” сөзінің өзін “электр химиясы” деп баламалы түрде аударсақ та, немесе оны өз атауында қолдана берсек те ұтылмаймыз деген ойдамын. Мысалы, “термодинамика” сөзін “термиялық динамика” дегеннен гөрі “термодинамика” сөзұстанысы осы саладығ үғым түсініктерді шатастырмауға жол ашады.

Басты нәрсе, сол сөз немесе оның баламасын білдіретін ұғым, құбылыс, өзгеріс, оқырманға өз мән-мағынасында жетіп, нақты түсінік қалыптастырса болғаны емес пе?!

Сонымен, электрохимия немесе электр химиясы–қарастырылып отырған жүйе бойында электр энергиясының әсерінен орын алатын химиялық өзгерістер нәтижесінде пайда болатын электр энергиясын зерттейді.

Демек, бұл сала–заттарға тән химиялық және электр энергияларының түрленуімен айналысады.

Электр тогын өз бойынан өткізу қабілетіне қарай өткізгіштерді негізінен төрт түрге топтауға болады:

1. 
   І – текті өткізгіштер – металдар;
   
2. 
   ІІ – текті өткізгіштер – сұық электролиттер, балқымалар;
   
3. 
   Жартылай өткізгіштер (полупроводники);
   
4. 
   Газдардың электр өткізгіштігі – газдар, плазмалар.
   

Бұл бөлімде біздер негізінен ІІ–текті өткігіштерді қарастырамыз, яғни электролит ерітінділерін электр тогы өткендегі құбылыстармен танысамыз.

Электр тогының электролит арқылы өтуін арнаулы ыдыс–электролиттік ұяшықта жүргізеді.

Ерітіндіде еріген затиондарға ыдырап, электр өрісі жоқ кезде бағдарсыз қозғалыста, болатыны аян. Ал, осы ерітіндіге электр өрісін тудырсақ, онда катион, анион қозғалыстары бағытталған тәртіп алады. Қозғалыстың–жылдамдық шамасымен өлшенетіні белгілі.

Иондардың электр өрісінде, уақыт бірлігінде, жылжыған ара қашықтығы-ион қозғалысының жылдамдығын білдіреді де төмендегі теңдікпен өрнектеледі:

е – элементар электр заряды;

Zi – ион заяды;

∆U – электродтар арасында5ы потенциал айырымы:

ℓ - электродтар ара қашықтығы;

R – ортаның кедергісі;

Vi – ион қозғалысының жылдамдығы.



Ионның абсолютті қозғалыс жылдамдығы дегеніміз сол ион қозғалыс жылдамдығының кернеулікке қатынасымен өлшенетін шама, яғни 1 с ішінде кернеу өзгерісі 1 В/м болғанда жүргізілетін қашықтық. Демек, оның өлшем бірлігін төмендегіше анықтауға болады:
Электролит ерітінділерде электр тасымалдаушы иондардың қозғалу жылдамдықтары әртүрлі болып келгендіктен, электр зарядын тасымалдауда катион, аниондардың улесін анықтау үшін ион тасымалдау саны (число переноса) деген ұғымды пайдаланады.

Ион тасымалдау саны t_i – деп, нақты ион түрлері тасымалдаған электр заряды мөлшерінің үлесі қабылданады,

яғни:

q_i - сол і иондары тасымалдаған электр зарядының мөлшері;

q – жалпы электр зарядының мөлшері.
3.3 өрнегінне ион тасымалдау санының қосындысы бірге теңелетңндңгң шығады. Нақты ион түрлері тасымалдаған электр тогының мөлшері ион зарядына, концентрациясына және электр өрісіндегі ион жылдамдығына тәуелді.

U₊. U_- - иондардың абсолютті қозғалыс жылдамдығы;

Z₊. Z_- - ион зарядтары.




3.3 қатынасына сәйкес, катион тасымалдау санын 3.4 теңдеуін ескере отырып былай жазамыз:
Электролит ерітіндісінің электр бейтараптығынан, яғни Z₊. С₊ = Z_-. С_- екендігінен катион тасымалдау саны төмендегі өрнекке өтеді:

Дәл осындай, анион тасымалдау саны үшін де осыған ұқсас теңдеу аламыз, яғни:

Ерітіндіде бірнеше түрлі иондар болған жағдайда ионның і-түрі үшін тасымалдау саны, сол ионның абсолютті қозғалыс жылдамдығын (Uі) барлық иондар түрінің абсолютті қозғалыс жылдамдықтарынын қосындысына бөлгенге тең, яғни:

Демек, әрбіп электрод маңында, электр тогын өткізу нәтижесінде бастапқы КА-электролит мөлшері өзгерген ерітінді бөлігі ұшырасады.

Катод маңында электролит мөлшерінің өзгерісін қарастыралық.

а) К^Z+ - катион мөлшері, моль

Электрод бетінде бейтараптанғаны .......................................q_F

б) А^Z- - анион мөлшері, моль

анодқа кеткені .................................................................. t q_F

Қарастырылып отырған жағдайда, 1 моль ионға 1 Фарадей (F) заряд мөлшері сәйкес келетіндіктен, ион мөлшерін Фарадей арқылы өрнектеп отырғанымыз естен шықпауы тиіс.

Дә осылай, анод бөлігі үшін де электролит мөлшерінің өзгерісі:∆_А=t +q_F екендігіне көз жеткіземіз. Олай болса, алынған мәліметтерден иондардың тасымалдау санын оп-оңай анықтауға болады:



Мұндағы :∆_А, ∆_К –анод және катод маңындағы электролит мөлшерінің өзгерісі.

Ионның тасымалдау санын тәжірибе жүзінде Гитторф және ерітінді орналасу бөлігі шегінің өзгерісі тәсілдерін пайдаланып анықтайды.