Библиографическое описание:

Тапалова А. С., Назаров Е. А., Акберген А. Тотығу-тотықсыздану жүйелерінің электродтық потенциалдарын салыстыру арқылы реакциялардың жүру бағытын болжау // Молодой ученый. — 2015. — №1.1. — С. 14-16.

Тотығу-тотықсыздану үрдістерін мектепте оқыту барысында  химия пәнінің оқытушылары реакция теңдеулерін теңестіріп, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыштарды анықтаумен ғана шектеледі.Тотығу-тотықсыздану реакцияларының жүру бағытын анықтау, электролиз, коррозия мәселелеріне жеткілікті көңіл бөлмейді.  Осыған байланысты әр түрлі деңгейдегі химиялық олимпиадаларда да оқушылардың осы тақырыптар бойынша білімінің төмендігі байқалады.  Ал бұл тақырыптардың химия өнеркәсібіндегі орны ерекше екені бәрімізге мәлім.

Әрбір тотығу-тотықсыздану реакциясы тотығу және тотықсыздану жартылайреакцияларынан тұрады. Егер реакция гальваникалық элементте немесе электролиз жолымен іске асса, онда әрбір жартылайреакция өзіне сәйкес электродтарда жүреді; сондықтан       жартылайреакцияларды электродтық үрдістер деп те атайды.

Тотығу-тотықсыздану реакциясының екі жартылайреакцияларға бөлінуіне байланысты кернеу  (ЭҚК) әрбір жартылайреакцияға сәйкес кернеу шамаларының айырмасына тең. Бұл шамалар электродтық потенциалдар немесе электродтық кернеулер деп аталады.                                                             

Мыс-мырыш элементіндегі

                                   Zn + Cu2+ =  Zn2+ + Cu 

тотығу-тотықсыздану үрдісінің электрқозғаушы күші жартылайэлементтердің потенциалдарының айырмасына тең:

                                Е = ∆φ1  − ∆φ2

Бұл шаманы өлшеуге болады. Сондықтан жартылайэлементтерді (тотығу-тотықсыздану жұптарын) сипаттау үшін берілген жартылайэлемент пен салыстыру электродының арасындағы ЭҚК шамасын пайдаланады.

Салыстыру электроды есебінде стандартты сутектік электрод қабылданған:

                                   2Н+(ер.)  +  2е- ↔ Н20

Сутектің қысымы 1атм, Н+ белсенділігі 1-ге тең (α ≈ С = 1моль/л) шарты сақталғанда ∆φ0  =  0. 

Стандартты сутектік электрод пен қарастырылып отырған электродтан құрылған тізбектің ЭҚК соңғының электродтық потенциалы деп аталады. Иондардың белсенділігі (концентрациясы) 1-ге тең жағдайда бұл потенциалды стандартты (Е0) деп атайды. Мысалы Cu2+/ Cu тотығу- тотықсыздану жұбы үшін [Cu2+] = 1моль/л болғанда:

                                   Е = ∆φ1  − ∆φ0  = Е0 (Cu2+/Cu)

            Zn + Cu2+ =  Zn2+ + Cu  тотығу-тотықсыздану үрдісі үшін:

                                   Е = Е0 (Cu2+/Cu)  -  Е0 (Zn2+/Zn )

жалпы түрде:

                                   Е = Етот.  -  Етқсз.,

мұндағы Етот. тотықтырғыш есебіндегі жұптың электродтық потенциалы; Етқсз.  тотықсыздандырғыш есебіндегі жұптың электродтық потенциалы.

Гальваникалық элементтің ЭҚК мен берілген үрдістің Гиббс энергиясы арасындағы байланыс мына теңдеу арқылы  өрнектеледі:

                                   ∆G = - nFE    ,          

мұндағы n –үрдіске қатысушы электрондар саны; F- Фарадей саны, 96500Кл.        ∆G0298 < 0,   Е >0 жағдайда тотығу-тотықсыздану үрдісінің жүруі термодинамикалық тұрғыдан мүмкін.

Сонымен, тотығу-тотықсыздану реакциясының жүру мүмкіндігін анықтау үшін стандартты электродтық потенциалды (Е0) білу керек.

Есте сақтаңыз:

            *Е0 шамасы тотықсыздану үрдісіне қатысты (Е0 (Cu2+/Cu)  шамасы

Cu2+ + 2 е  =  Cu0 реакциясына сәйкес). 

0 мәні бір электронға (1е)есептеліп берілген.

*Стандартты сутектік потенциал нөлге тең Е0 (2Н+/ Н20) = 0 В.

*Электродтық потенциалдың шамасы температураға және компоненттердің белсенділігіне тәуелді Е f(Т, ai).

Мысал 1. Аноды өз тұзының (ZnSO4) ерітіндісіне батырылған мырыш болып келетін гальваникалық элементтің стандартты ЭҚК (298К) 0,47 В тең. Екінші электродтың стандартты электродтық потенциалын есептеп табыңыз. Ол қандай электрод? Гальваникалық элементтің жұмысы барысында мырыш пластинкасының массасы қалай өзгереді?

Шығарылуы. Стандартты ЭҚК стандартты редокс – потенциалдардың айырмасына тең:

E = (Ox) – (Red).

Анықтамалық кестеде (Zn2+/Zn) = – 0,76.

Катодтың электродтық потенциалын есептейік:

0,47 =E0(Ox) – (–0,76).

Олай болса, E0(Ox) = – 0,29 B. Стандартты электродтық потенциалдың бұл мәніне Co2+/Co редокс - жұбы сәйкес келеді.

Гальваникалық элементте мына реакция жүретіндіктен,

Мырыш пластинкасының массасы кемиді.

Мысал 2. Стандарты жағдайда берілген тотығу- тотықсыздану реакциясы қай бағытта өздігінен жүретіндігін анықтаңыз:

                             Н24 + НCl = Cl2 + Н232 О

Шығарылуы:

1.Стандартты потенциалдар кестесінен әрбір жұптың  потенциалдар шамасын табамыз:

Е0(Cl2 / 2 Cl- ) =1,36 В               Е0(SО42- / SО32- ) = 0,22В

2.  Потенциалдар шамасын салыстыра отырып Cl2 / 2Cl - ,  жұбының тотыққан түрінің потенциалының оң мәні жоғары болғандықтан, оның тотықтырғыш болатындығын, ал екінші жұптың (SО42- / SО32- ) тотықсызданған түрі потенциал мәні кіші болғандықтан тотықсыздандырғыш болатынын анықтаймыз.  Олай болса, стандартты жағдайларда реакция өздігінен төмендегі теңдеу бойынша жүреді:

                        Cl2 + Н232 О = Н24 + 2НCl

Мысал 3.  Калий иодиді мен калий бромидінің қоспасына хлормен әсер еткенде алдымен қай реакция жүреді, егер стандартты электродтық тотығу-тотықсыздану потенциалдарының мәндері:

 Е0(Cl2 /2Cl -) =1,36 В,       Е0(Br 2 \ 2Br - ) = 1,08 В,    Е0( І2/ 2І- ) = 0,54 В тең болса?

 Шығарылуы:

1. Реакция теңдеулерін жазамыз.      

      2KBr + Cl2 = Br2 + 2 KCl

        2KI + Cl2 = I2 + 2KCl

2. Әрбір реакция үшін  потенциалдар айырымын (ЭҚК) анықтаймыз .

Е1 = Е0(Cl2 / 2 Cl- ) - Е0(Br 2 / 2Br - )    Е1 = 1,36 В – 1,08 В = 0,28 В

Е2 = Е0(Cl2 / 2 Cl- ) - Е0 ( І2/ 2І- )           Е2 = 1,36 В – 0,54 В = 0,82 В

3.  Е1 және Е2 мәндерін салыстыра отырып, ЭҚК шамасы жоғары  реакция жылдамырақ жүретінін білеміз. Олай болса Е2 > Е1 болғандықтан, алдымен (2) реакция жүреді.

Мысал 4. Сулы ерітіндідегі сынап (ІІ) және темір (ІІІ) иондарының концентрациялары 0,01моль/л, ал темір (ІІ) иондарының концентрациялары 0,001моль/л тең. Концентрациялары көрсетілген иондардан және артық мөлшерде алынған металдық сынаптан тұратын жүйеде тотығу-тотықсыздану үрдісі қай бағытта жүре алады?

Шығарылуы.  Бағытын анықтағымыз келіп отырған реакциялардың иондық теңдеулерін жазамыз:

 

Hg + 2Fe3+ = Hg2+ + 2Fe2+ – сынаптың тотығу реакциясы

Red1  Ox2      Ox1      Red2

немесе

Hg2+ + 2Fe2+ = Hg + 2Fe3+ – темір (ІІ) иондарының тотығу реакциясы

Ox1    Red2     Red1     Ox2

 

Hg2+/Hg редокс- жүйесі үшін n = 2 ; Fe3+/Fe2+ жүйесі үшінn = 1 .

Екінші редокс - жүйесі үшін тотықсызданған түрдің (сынаптың) концентрациясын (белсенділігін) бірге тең деп аламыз.

Анықтамалықтан қарап редокс - жұптардың стандартты электродтық потенциалдарының мәндерін жазамыз:

 

            Е0(Fe3+/ Fe2+) =  0,77 B;   Е0(Hg2+/ Hg) =  0,85 B.

            Нернст теңдеуіне

                            E = E0 +lg  белгілі стандартты электродтық потенциалдардың және концентрациялардың  мәндерін қойып, берілген жүйелердің редокс - потенциалдарын табамыз:

            E(Fe3+/ Fe2+) = 0,771 + 0,059 lg = 0,830 B;

            E((Hg2+/Hg) = 0,850 + lg 0,01 = 0,791B.

            Стандартты ЭҚК стандартты редокс – потенциалдардың айырмасына тең болғандықтан: 

             E = E0(Fe3+/ Fe2+) – E0(Hg2+/Hg ) = 0,830 – 0,791 =  0,0390 > 0;

             E = E0(Hg2+/Hg ) – E0(Fe3+/ Fe2+) = 0,791 – 0,830 = - 0,039 < 0.

            Демек, Fe3+/Fe2+ жүйесі тотықтырғыш ретінде сынапты тотықтырады:

                        2Fe3+ + Hg → 2Fe2+ + Hg2+

 

Әдебиет:

 

1.    Бірімжанов Б.А. Жалпы химия. – Алматы, 2001.

2.    Глинка Н.Л. Общая химия. - М.: Интеграл-Пресс, 2006.

3.    Тамм М.Е., Третяков Ю.Д. Неорганическая химия. - Т. 1: Физико-химические основы неорганической химии. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

4.    Тапалова А.С.  Бейорганикалық химия. Есептер мен жаттығулар. - Астана: ИД «Сарыарка», 2008. – 174 б.

5.    Воробьев А.Ф. Общая и неорганическая химия. - Том 1. Теоретические основы химии. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle