ლინკები, ლინკები, ლინკები?
ინფორმაციის
შეხვედრები ელექტროქიმიასთან ნაწილი 5
წინა შეხვედრების დროს ჩვენ ვნახეთ გალვანური უჯრედების მრავალი მაგალითი - მხოლოდ ისტორიული მნიშვნელობის და დღეს გამოყენებული სხვა. უჯრედების სამყარო ძალიან მდიდარია, ამიტომ დროა შემოვიტანოთ აქამდე ნაჩვენები სისტემებისგან განსხვავებული სისტემები.
არამეტალები ასევე შეიძლება იყოს ნახევრად უჯრედები
პირველი, ექსპერიმენტი, რომელიც მოითხოვს ორ გრაფიტის ელექტროდს დახარჯული ლეკლანშეტის ელემენტებიდან, თუთიის ბრომიდი ZnBr.2, კვების წყარო (როგორიცაა 4,5 ვ ბატარეა) და შეუცვლელი ძაბვის მრიცხველი. სახლის ლაბორატორიაში, რა თქმა უნდა, ვერ ვიპოვით რეკომენდებული თუთიის მარილს, მაგრამ ჩვენს შემთხვევაში მას წარმატებით ჩაანაცვლებს კალიუმის ბრომიდის KBr და თუთიის სულფატის (VI) ZnSO ნარევი.4. ვაწყობთ კომპლექტს, რომელიც შედგება ორი გრაფიტის ჯოხისგან, ვამაგრებთ დაფაზე ისე, რომ ელექტროდები ნაწილობრივ ჩაიძიროს მინაში.
ელექტროდებს ვამაგრებთ მავთულის ნაჭრებს, სასურველია შედუღების რკინით (ამიტომ, ძველი ბატარეიდან მათი ამოღებისას, გრაფიტის ღეროებზე სპილენძის „ქუდები“ დატოვეთ). მუყაოს ნაჭრისგან ასევე გავაკეთებთ დიაფრაგმას 50-100 სმ ტევადობის ჭიქაზე მორგებული ზომებით.3 (მუყაო შეიძლება დამატებით გაიჭრას ქინძისთავით).
ახლა აღნიშნულ მარილების ნაწილს ვხსნით წყალში, შემდეგ კი ჭიქას ვავსებთ მომზადებული ხსნარით (კონცენტრაცია 5-10%). მოათავსეთ თარო ელექტროდებით ჭურჭლის კიდეზე და მავთულის ბოლოები მიამაგრეთ ბრტყელი აკუმულატორის სპილენძის ფირფიტებზე (ამჟამად პოლარობას მნიშვნელობა არ აქვს) და დააკვირდით აშენებულ სისტემას.
თითქმის მაშინვე, ვერცხლისფერი ნაცრისფერი მბზინავი ფენა დეპონირდება ელექტროდზე, რომელიც დაკავშირებულია ბატარეის უარყოფით ტერმინალთან. დამზადებულია მეტალის თუთიისგან. ხსნარის მოყვითალო-ყავისფერი ფერი ჩანს ბატარეის დადებით პოლუსთან დაკავშირებული მეორე ელექტროდის მახლობლად. თავისუფალი ბრომი შეღებილია გრაფიტის ღეროსთან ახლოს. დაახლოებით 5 წუთის შემდეგ გათიშეთ სადენები ბატარეის ტერმინალებიდან. ვოლტმეტრით გაზომეთ ძაბვა (მრიცხველის „მინუსი“ დაკავშირებულია ლითონის ფენით დაფარულ ელექტროდთან).
ელექტროლიზის დროს მიმდინარე პროცესებში ჩასვლის გარეშე (მათ განვიხილავთ ერთ-ერთ შემდეგ შეხვედრაზე), შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ შექმნილი უჯრედი შედგება ორი ელექტროდისგან: თუთია (ლითონის თუთია დეპონირებული გრაფიტზე Zn-ის ხსნარში.2+) და ბრომი (ბრომისა და ბრომიდის თავისუფალი იონების ხსნარი Br?). ნახშირბადი მხოლოდ ელექტროენერგიის გამტარია (პრაქტიკაში, არარეაქტიული ნივთიერებები გარკვეულ პირობებში, როგორიცაა გრაფიტი, პლატინი, ხშირად გამოიყენება ელექტროდულ მასალად).
დენის მიმღები დავუკავშიროთ ელექტროდებს? ნათურა სამუშაო ძაბვით 1,5 ვ (ამ შემთხვევაში, კავშირების პოლარობას ასევე არ აქვს მნიშვნელობა). როდესაც ენერგია გამოიყოფა სისტემიდან, ჩვენ ვაკვირდებით ერთ ელექტროდზე ლითონის ნალექის თანდათანობით გაქრობას, მეორეზე კი მოყვითალო ფერის. ადრე გამოთავისუფლებული ნივთიერებები რეაგირებენ და აღადგენენ პირვანდელ მდგომარეობას. რეაქცია არაპირდაპირია ელექტრონების გადაცემით დამაკავშირებელი მავთულის მეშვეობით. ეს არის გალვანური უჯრედების არსი.
რა რეაქციები მოხდა ჩვენს სისტემაში? თუთიის ელექტროდისთვის, ჩვენ ნამდვილად შეგვიძლია მივცეთ პროცესის განტოლება:
(-) Zn0 ? თუთია2+ + 2-
მეორე ელექტროდზე თავისუფალი ბრომი მცირდება ბრომის ანიონებად:
(+) არა.2 + 2- , 2ბრ-
ამრიგად, უჯრედის სქემა ასეთია (ჩვენ გამოვტოვებთ კალიუმის და სულფატის (VI) იონებს, რომლებიც არ მონაწილეობენ რეაქციებში):
(-) С, Zn | ZnBr2aq? ZnBr2aq | С (+)
ჩვენ არ გვჭირდება დიაფრაგმის გამოყენება უჯრედში. თუმცა, მისი გამოყენება ხელს შეუშლის ბრომის მიგრაციას თუთიით დაფარული ელექტროდის მახლობლად და უშუალოდ რეაგირებს უჯრედებს შორის.
არალითონები ქმნიან ნახევრად უჯრედებს, როგორც მეტალის ელემენტები. საჭიროა მხოლოდ შესაბამის ხსნარში ჩაძირული გამტარის გამოყენება, რომელიც მონაწილეობას მიიღებს ელექტრონების გადაცემაში. ჰალოგენებისთვის სტანდარტული პოტენციალი შემდეგია (ელექტროდის რეაქცია ბრომისთვის მოცემულის მსგავსია):
| ნახევარი უჯრედი | F2/F? | Cl2/ კლ? | Br2/ ძმ? | I2/I? |
| E0 [V] | 2,87 + | 1,36 + | 1,07 + | 0,54 + |
ფტორის შემთხვევაში, პოტენციური მნიშვნელობა (ყველა ნახევრადუჯრედიდან ყველაზე მაღალი) გამოთვლილი იყო და არა გაზომილი. მიზეზი, ისევე როგორც ტუტე და მიწის ტუტე ლითონების შემთხვევაში, არის აქტიური ელემენტის რეაქცია წყალთან.
რედოქსის უჯრედი
შემდეგი ექსპერიმენტისთვის მოვამზადებთ შემდეგ ხსნარებს: რკინის (III) ქლორიდი, FeCl3 კონცენტრაციით 5%, კალიუმის იოდიდის KI 10% კონცენტრაციით და წყალ-სახამებლის სუსპენზიით. შეურიეთ რამდენიმე სმ სინჯარაში3 მარილის ხსნარები და ცოტა ხნის შემდეგ დაამატეთ სახამებლის სუსპენზიის რამდენიმე წვეთი. შიგთავსის მუქი ლურჯი ფერი მიუთითებს თავისუფალი იოდის არსებობაზე. რეაქცია იწერება განტოლებით:
2 თებერვალი3+ + 2 მე- ? 2 Fe2+ + მე2
რკინის (III) კათიონები ჟანგავს იოდიდის ანიონებს თავისუფალ ელემენტად, მცირდება რკინის (II) იონებამდე.
სახამებლის ინდიკატორის ფერის ცვლილებამ დაადასტურა იოდის ნაწილაკების არსებობა, მაგრამ მართლა წარმოიქმნება თუ არა Fe კათიონები?2+? მოდით შევამოწმოთ ეს ჰიპოთეზა. რკინის(II) კათიონების გამოვლენის დამახასიათებელი ტესტია რეაქცია კალიუმის ჰექსაციანოფერატთან(III) K.3[Fe(CN)6], საყოველთაოდ ცნობილი როგორც კალიუმის ფერიციანიდი. ნაერთი აყალიბებს წითელ კრისტალებს, განსხვავებით ამავე სახელწოდების კალიუმის ფეროციანიდისგან (კალიუმის (II) ჰექსაციანოფერატი K4[Fe(CN)6]) ყვითელი კრისტალებით ? არ ავურიოთ ეს ორი ურთიერთობა. ჩვენ ვიმეორებთ წინა ექსპერიმენტს, მაგრამ სახამებლის სუსპენზიის ნაცვლად ვამატებთ რამდენიმე წვეთს კალიუმის ფეროციანიდის 1%-იან ხსნარს. კვლავ, რეაქციის ჭურჭლის შიგთავსი მუქი ლურჯი ხდება რთული კომბინაციის გამო, რომელსაც ეწოდება ტურნბულის ლურჯი:
3 თებერვალი2+ + 2 [Fe(CN)6]3- ? ფე3[Fe(CN)6]2
მე ვურჩევ, რომ ურწმუნოებს ჩაატარონ ტესტი შავი და რკინის მარილებით. ლურჯ ელფერს ვიღებთ მხოლოდ პირველის შემთხვევაში.
ახლა 50-100 მლ ტევადობის ორ პატარა ჭიქაში ჩაასხით რკინის (III) ქლორიდის და კალიუმის იოდიდის რამდენიმე ხსნარი.3. თითოეულ ჭურჭელში ჩაყარეთ გრაფიტის ელექტროდი მიმაგრებული მავთულით (დააყენეთ შესაფერის სადგამზე, რათა არ ჩავარდეს მინაში). ასევე, კალიუმის იოდიდის ხსნარით ჭურჭელში დაამატეთ ცოტა სახამებლის სუსპენზია. უჯრედის შესაქმნელად დაგჭირდებათ ასევე ელექტროლიტური გასაღები (დამზადებული ერთ-ერთი წინა შეხვედრის დროს? საკმარისია ბლოტის ქაღალდის ზოლი, რომელიც დასველებულია KNO-ს კონცენტრირებულ ხსნარში).3). ელექტროდებიდან მილების ბოლოები დაკავშირებულია უნივერსალური მრიცხველის ტერმინალებთან, რომლებიც დამონტაჟებულია ძაბვის გასაზომად.
ვოლტმეტრის შეერთებების პოლარობას თავად ვადგენთ რკინის (III) კათიონების იოდის ანიონებთან რეაქციის განტოლების ანალიზის საფუძველზე, აღვნიშნავთ რომელ იონს აძლევენ და რომელი იღებენ ელექტრონებს. მრიცხველის ჩვენებები ადასტურებს გალვანური უჯრედის მუშაობას. შემდეგ გადავიყვანთ მოწყობილობას მიმდინარე გაზომვაზე. ის მცირეა (რამდენიმე ათეული mA რიგის), ამიტომ არ გვჭირდება რაიმე დამატებითი მიმღების (მაგალითად, ნათურის) გამოყენება მოწყობილობის დაზიანებისგან დასაცავად. კალიუმის იოდიდის ხსნარით ქვაბში ჩაძირული ელექტროდის ირგვლივ მუქი ლურჯი ფერის წარმოქმნა მოწმობს სისტემაში რეაქციის მიმდინარეობას. როდის დავამატებთ ცოტაოდენი კალიუმის ფერიციანიდის ხსნარს რკინის(III) მარილის შემრევს? ასევე მასში. მოდით დავწეროთ სათვალეებში მიმდინარე პროცესების განტოლებები:
(-)2I- ? 2 + 2-
(+) 2 Fe3+ + 2- ? 2 Fe2+
და უჯრედის დიაგრამა:
(-) С | KIaq || FeCl3aq | C (+)
უჯრედში ხდება იგივე რეაქციები, რაც სუბსტრატების საცდელ მილში შერევის შემდეგ (საკმარისია ანოდური და კათოდური პროცესების გვერდით დამატება), გარდაქმნების სივრცითი გამოყოფა შესაძლებელს ხდის გადაცემული ელექტრონების ენერგიის გამოყენებას. უჯრედის ნახევრებს შორის.
უჯრედს, რომელსაც ჩვენ ვაშენებთ, რედოქს უჯრედი ეწოდება. სახელი საერთოა, მაგრამ შეცდომაში შემყვანი. ყოველივე ამის შემდეგ, ჩვენ ვიცით, რომ ჟანგვის და შემცირების პროცესები ხდება თითოეულ ბმულზე. როგორ განვსაზღვროთ რედოქსის რეაქციის მიმართულება (ტარდება როგორც უჯრედში, ასევე სინჯარაში)? მეთოდი მარტივია:
1. ფიზიკურ და ქიმიურ ცხრილებში ვპოულობთ თუ არა შესაბამისი ნახევარუჯრედების სტანდარტულ პოტენციალებს? Fe სისტემისთვის3+/ ფე2+ ეს არის +0,77 ვ; ჩემთვის2/I?: +0,54 ვ.
2. უფრო მაღალი პოტენციალის მქონე სისტემა რეაქციაში ჟანგვის აგენტია (უჯრედ-კათოდი), ხოლო ქვედა პოტენციალის მქონე ნახევარუჯრედი? უჯრედის ანოდი, ანუ შემცირების აგენტი.
3. ამასთან, უნდა გვახსოვდეს, რომ სტანდარტული პოტენციალების მნიშვნელობებში მცირე განსხვავების მქონე სისტემებისთვის, ზოგიერთ შემთხვევაში, როლები შეიძლება შეიცვალოს (ფაქტობრივი პოტენციალი დამოკიდებულია, სხვა საკითხებთან ერთად, რეაგენტების კონცენტრაციაზე).
საწვავის უჯრედი
ჩვენ ავაწყობთ სისტემას პირველი ექსპერიმენტიდან, ჩავანაცვლებთ მხოლოდ კალიუმის ბრომიდის და თუთიის სულფატის (VI) ხსნარს გოგირდმჟავას (VI) H 10%-იანი ხსნარით.2SO4. ელექტროლიზის 1-2 წუთის შემდეგ (ელექტროდებზე გაზის გამოშვებისას) გამორთეთ კვების წყარო და ფრთხილად, რათა არ მოიცილოთ გაზის ბუშტები გრაფიტის ზედაპირიდან, გაზომეთ ძაბვა ვოლტმეტრით. ლინკი შეიქმნა! მოწყობილობის მიმდინარე გაზომვის რეჟიმზე გადართვის შემდეგ, შეიძლება დააკვირდეთ რეაქციის დროს გრაფიტის ელექტროდების ზედაპირზე გაზის ბუშტების გაქრობას. პროცესის დეტალების გარეშე, რამაც გამოიწვია ელექტროდებზე თავისუფალი ჟანგბადის და წყალბადის დეპონირება, უჯრედში რეაქციები შემდეგია:
(-) 2H2? 4 საათი+ + 4-
(+)2 + 4H+ + 4- ? 2სთ2O
საერთო ჯამში, ხდება ელემენტებიდან წყლის სინთეზის რეაქცია.
აშენებული სისტემა არის საწვავის უჯრედის მოდელი. საწვავსა და ოქსიდიზატორს შორის რეაქციის ენერგიის პირდაპირი გადაქცევა ელექტროენერგიად არის უკიდურესად მომგებიანი პროცესის ეკონომიური თვალსაზრისით? არ არის საჭირო წვის სითბოს ორთქლის ენერგიად გადაქცევა, რომელიც მხოლოდ ტურბინებს ამოძრავებს. გასაკვირი არ არის, რომ ასეთი სისტემები შექმნილია ენერგეტიკული პრობლემების გადასაჭრელად (და ნარჩენები არის სუფთა წყალი). თუმცა, სამშენებლო მასალების ფასი და წყალბადის წარმოების საჭიროება მთავარი დაბრკოლებაა.
მიუხედავად იმისა, რომ საწვავის უჯრედები გამოიყენებოდა ელექტროენერგიის წარმოებისთვის ყველაზე ტექნოლოგიურად განვითარებულ სფეროებში, როგორიცაა კოსმოსური ფრენა (ზოგიერთ ინდუსტრიაში ხარჯები მეორეხარისხოვან როლს თამაშობს), მათი ისტორია ძალიან გრძელია. წყალბად-ჟანგბადის უჯრედის პირველი სამუშაო პროტოტიპი აშენდა ბრიტანელმა გამომგონებელმა უილიამ რობერტ გროვმა 1839 წელს.
სტატიაში წარმოდგენილია რამდენიმე ტიპის ბმული, რომელიც განსხვავდება წინა შეხვედრებზე განხილული ბმულებისგან. მოგწონთ დანარჩენი ეპიზოდები? გამოკვეთილია მხოლოდ ამ სისტემების პრობლემები, რომლებიც მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ როგორც ენერგიის წყარო. თუმცა, ტექსტის გონივრული ზომის შენარჩუნების აუცილებლობა შეუძლებელს ხდის ბმულებთან დაკავშირებული ბევრი საინტერესო თემის განხილვას (ინტერესებულ მკითხველებს მოვუწოდებ, დამოუკიდებლად მოიძიონ ინფორმაცია). ციკლის მომდევნო ეპიზოდში გავაანალიზებთ ნახევარუჯრედიანი პოტენციალების ცხრილს. ასევე იქნება საინტერესო გამოცდილების შეთავაზებები.
ელექტრონული განაცხადი
რედოქსის უჯრედი
თითოეული ელექტროქიმიური უჯრედი განიცდის დაჟანგვას (ანოდზე) და რედუქციას (კათოდზე). თუმცა, ქიმიურ ჟარგონში, რედოქს უჯრედებს მოიხსენიებენ, როგორც გარკვეული ტიპის სისტემას.
ექსპერიმენტისთვის საჭიროა კალიუმის იოდიდის KI და რკინის (III) ქლორიდის FeCl ხსნარები.3 და სახამებლის წყლიანი სუსპენზია (კარტოფილის ფქვილი). ასევე დაგჭირდებათ ელექტროლიტური გასაღები, რომელიც სავსეა კალიუმის ნიტრატის კონცენტრირებული ხსნარით (V) KNO3. თუ გასაღები არ გვაქვს, საკმარისია რამდენჯერმე დავკეცოთ ქაღალდის ზოლები ან კალიუმის ნიტრატის ხსნარში დასველებული ბამბის ძაფი.
ელექტროდებად გამოვიყენებთ გრაფიტის წნელებს გამოყენებული Leclanche უჯრედებიდან (ფოტო 1). მოკლედ შეაერთეთ ელექტროდების ბოლოები მავთულით და ჩაყარეთ ჭიქაში KI ხსნარებით (სახამებლის ხსნარის დამატებით) და FeCl.3. გარდა ამისა, ჩვენ ვაერთებთ ხსნარებს სათვალეებში ელექტროლიტური გასაღებით ან მისი ერთ-ერთი შემცვლელით (ფოტო 2). გარკვეული პერიოდის შემდეგ, კალიუმის იოდიდის ხსნარით ჭიქაში იასამნისფერი ზოლები იწყება (ფოტო 3), თანდათანობით ღებავს ჭურჭელს მუქ ფერში (ფოტო 4 და 5). ის თავისუფალი იოდის მოლეკულების სახამებლის მოლეკულებთან შერწყმის დამახასიათებელი პროდუქტია. იოდი წარმოიქმნება უჯრედის ანოდში იოდიდის ანიონების დაჟანგვის შედეგად:
(-) ანოდი: 2I- ? 2 + 2-
მეორე ელექტროდზე (კათოდზე) რკინის (III) იონები შემცირდა:
(+) კატოდა: 2Fe3+ + 2- ? 2 Fe2+
ექსპერიმენტში შექმნილ რედოქს უჯრედს აქვს შემდეგი სქემა:
(-) C | CIaq || FeCl3aq | C (+)
სადაც ნახშირბადის სიმბოლო C აღნიშნავს გრაფიტის ელექტროდს და || ? ელექტროლიტური გასაღები. სისტემაში საერთო რეაქცია არის I ანიონების დაჟანგვა- Fe კათიონებით3+:
2 თებერვალი3+ + 2 მე- ? 2 Fe2+ + მე2
რედოქსის უჯრედი
კონცენტრაციის უჯრედი
მეორე ექსპერიმენტისთვის დაგჭირდებათ: სპილენძის სულფატის (II) CuSO ხსნარი4სპილენძის ელექტროდები, ელექტროლიტური გასაღები სავსე კალიუმის ნიტრატის კონცენტრირებული ხსნარით (V) KNO3 და უნივერსალური მრიცხველი. შეავსეთ ერთ-ერთი ჭიქა CuSO ხსნარით.4და მეორე იგივე განზავებით 1:100 (მაგალითად, 0,5 სმ3 პირველი ჭიქიდან აღებულ ხსნარს დაუმატეთ წყალი 50 სმ მოცულობით3) (ფოტო 6). სპილენძის მავთულის ჭიქებში ჩაძირვისა და ელექტროლიტური გასაღებით წრედის დახურვის შემდეგ, გაზომეთ ძაბვა უჯრედის ელექტროდებს შორის. Ის პატარაა? დაახლოებით ათეული ან რამდენიმე ათეული მილივოლტი (ფოტო 7).
ელექტროდებზე ხდება სპილენძის დაშლისა და ნალექების რეაქციები:
(-) ანოდი: Cu0 ? თან2+ + 2- (ნაკლებად კონცენტრირებული ხსნარი)
(+) კათოდი: Cu2+ + 2- ? თან0 (უფრო კონცენტრირებული ხსნარი)
ორივე ელექტროდის პროცესის განტოლებების დამატების შემდეგ გამოდის, რომ მთლიანობაში ქიმიური რეაქცია არ ხდება! უჯრედის მამოძრავებელი ძალა მხოლოდ სისტემის სურვილია გაათანაბროს კონცენტრაციები ორივე ჭიქაში.
