ელექტროლიზი

ელექტროლიზი — ელექტროლიტში შემავალ ნივთიერებათა ელექტროდებზე გამოყოფის პროცესი.

ელექტროლიზის აპარატის ილუსტრაცია, რომელსაც სასკოლო ლაბორატორიებში იყენებენ

ელექტროლიზი — ფიზიკო-ქიმიური მოვლენაა, როდესაც ელექტროდებზე ხდება ხსნარების შემადგენელი ნაწილაკების ან ნივთიერებების დალექვა გამოყოფა, რაც არის ელექტროდებზე მეორადი რეაქცია-შედეგი ელექტრო დენის ხსნარში გატარებით. სითხე, ისევე როგორც მყარი სხული შეიძლება იყოს დიელეკტრიკი, გამტარი და ნახევარგამტარი. მჟავების, ტუტეებისა და მარილების წყალხსნარებს ელექტროლიტები ეწოდება. განვიხილოთ მოვლენა რომელიც დაკავშირებულია ელექტროლიტებში მუდმივი დენის გავლასთან ( ელექტროლიტებში დენის გადამტანები არიან დისოციაციის შედეგად წარმოქმნილი დადებითი და უარყოფითი იონები. ელექტრული დისოციაცია ეწოდება ელექტროლიტთა გახსნისას წყლის პოლარული მოლეკულების ელექტრული ველის გავლენით ელექტროლიტთა მოლეკულების დაშლას ცალკეულ იონებად).

მოქმედების არსი

ელექტროლიტში ჩავუშვათ ორი გამტარი ფირფიტა და შევაერთოთ ისინი მუდმივი დენის წყაროს ბატარეის პოლუსებთან. მაშინ ელექტროლიტში შეიქმნება ერთგვაროვანი ელექტროსტატიკური ველი, რომელიც გამოიწვევს იონების მოწესრიგებულ მოძრაობას, შესაბამისი ელექტროდებისაკენ. დადებითი იონები მივლენ უარყოფით პოლუსთან შეერთებულ ელექტროდთან (კათოდთან), ხოლო უარყოფითი იონები დადებით პოლუსთან შეერთბულ ელექტროდთან ( ანოდთან). დადებითი იონები კათოდთან შეხებისას შეიძენენ დაკარგულ ელექტრონებს და გადაიქცევიან ნეიტრალურ ატომებად. უარყოფითი იონები ანოდთან შეხებისას ანოდს გადასცემენ ზედმეტ ელექტრონებს და გადაიქცევიან მოლეკულებად ან ნეიტრალურ ატომებად. ანოდზე გადასული ელექტრონები დენის წყაროს მეშვეობით გადაიტანება კათოდზე და უერთდება იქ მისულ დადებით იონებს. ამ პროცესის დროს კათოდზე გამოიყოფა ნივთიერების ნეიტრალური ატომები.

ფარადეის პირველი კანონი

1832 წელს ფარადეიმ შეამჩნია, რომ რაც უფრო დიდხანს გადიოდა ელექტროლიტში მუდმივი დენი, მით მეტი ნივთიერების რაოდენობა გამოიყოფა არჩეულ ერთ-ერთ ელექტროდზე. ე.ი. გამოყოფილი მასა დენის დინების დროის პროპორციული აღმოჩნდა. იმის შესასწავლად თუ როგორ იყო დამოკიდებული ელექტროდზე გამოყოფილი ნივთიერების მასა დენის ძალის სიდიდეზე, ფარადეიმ დენი გაატარა A, a, B და C ჭურჭელში მოთავსებულ სრულიად ერთნაირი კონცენტრაციისა და გვარობის ელექტროლიტებში რადგან B და C ჭურჭელში ჩასხმული ელექტროლიტები წრედში პარალელურად არიან ჩართული და მათ საერთო წინაღობა აქვთ, ამიტომ

I2=I3=I/2 , I1=2I2=2I3 .

ფარადეიმ გაზომა თითოეულ ჭურჭელში ჩაშვებულ კათოდზე გამოყოფილი ნივთიერებების მასა, დარწმუნდა რომ B და C ჭურჭელში კათოდებზე გამოყოფილი ნივთიერებების მასები ერთნაირი სიდიდის იყო m2= m3 , და ეტოლებოდა A ჭურჭელში კათოდზე გამოყოფილი ნივთიერების მასის ნახევარს m2=1/2m1=m3 . ფარადეიმ დაადგინა რომ ელექტროდებზე გამოყოფილი ნივთიერებების მასა ელექტროლიტში გავლილი დენის ძალის პროპორციულია და ცდების შედეგად დაასკვნა, რომ

$M=k\cdot Q=k\cdot I\cdot t$

ფორმულა გამოსახავს ფარადეის კანონს. ელექტროლიზის დროს თითოეულ ელექტროდზე გამოყოფილი ნივთიერების მასა პირდაპირპროპორციულია ელექტროლიტში გამავალი დენის ძალისა, დენის დინების დროისა.

ფორმულის გამოყვანა

• $m=m_{i}N_{i}\,\!$

• $m_{i}={\frac {\mu }{N_{A}}}$

• $N_{i}={\frac {\Delta q}{q_{i}}}$

• $\Delta q=I\Delta t\,\!$

$q_{i}=ez\,\!$, სადაც z — ნივთიერების ატომის (იონის) ვალენტობა, e — ელექტროდის მუხტი (5)

ჩავსვათ (2)-(5) в (1), მივიღებთ

• $m={\frac {\mu }{zeN_{A}}}I\Delta t$

• $m={\frac {\mu }{zF}}I\Delta t$

სადაც $~F=eN_{A}$ — ფარადეის მუდმივი.

• $k={\frac {\mu }{Fz}}$

• $m=kI\Delta t\,\!$

ფარადეის მეორე კანონი

K - პროპორციულობის კოეფიციენტს ელექტროდზე გამოყოფილი ნივთიერების ელექტროქიმიური ეკვივალენტი ეწოდება და იგი დამოკიდებულია ნივთიერების გვარობაზე.

თუ Δq=1 მაშინ K=m რიცხვობრივად. ე.ი. ელექტროქიმიური ეკვივალენტი რიცხვობრივად ტოლია ელექტროლიტში 1კ მუხტის გავლის დროს ელექტროდზე გამოყოფილი ამ ნივთიერებების მასისა. ფარადეიმ ცდებით დაადგინა რომ ყოველი ნივთიერებების ელექტროქიმიური ეკვივალნეტი პირდაპირპროპორციულია ნივთიერების ატომური მასისა და უკუპროპორციულია ნივთიერების ვალენტობის. თუ ნივთიერების ატომურ მასას A-თი ავღნიშნავთ და ვალენტობას n-ით, მაშინ

$k\ =\ {1 \over F}\cdot {A \over z}$

F - სიდიდეს ფარადეის რიცხვი ეწოდება და იგი ყველა ნივთიერებისათვის ერთნაირია.

$~m={\frac {M{\cdot }I{\cdot }{\Delta }t}{n{\cdot }F}}$

სადაც $~M$ — მოცემული ნივთიერების მოლური მასაა (მაგრამ არა სავალდებულოდ ის მასა რომელიც გამტარებზე წარმოიქმნება, ის შეიძლება წარმოქმნისთანავე რაღაც რეაქციაში შესულიყო) რომელიც წარმოიქმნება ელექტროლიზის დროს, $~I$ — დენის ძალა, რომელიც გატარებული იქნა ნივთიერებებში, ნაერთებში ან ხსნარებში, $~{\Delta }t$ — დრო რომლის დროსაც მიმდინარეობს ელექტროლიზი, $~F$ — ფარადეის მუდმივა (96 485,3383(83) კლ•მოლ.−1), $~n$ — პროცესში მონაწილე ელექტრონების რაოდენობა, რომელიც დენის ძალის საკმაოდ დიდი მნიშვნელობის დროს ტოლია იონის (და მისი საწინააღმდეგო იონის) მუხტის აბსოლუტური მნიშვნელობის, რომლებმაც მიიღეს ელექტროლიზში უშუალო მონაწილეობა (დაჟანგვა ან აღდგენა). მაგრამ ეს ყოველთვის ასე არ არის მაგალითად სპილენძის (II) მარილის ელექტროლიზის დროს, წარმოიქმნება არა მარტო თავისუფალი სპილენძი, ასევე სპილენძის (I) იონები (შედარებით მცირე დენის ძალის დროს).

ფარადეის კანონები ჩამოყალიბებულია შემდეგნაირად: ელექტროლიზის დროს თითოეული ელექტროდზე გამოყოფილი ნივთიერების მასა პირდაპირპროპორციულია ნივთიერების ატომური მასისა და დენის ძალის სიდიდისა, დენის დინების დროისა და უკუპროპორციულია გამოყოფილი ნივთიერების ვალენტობისა. ნივთიერების ატომური მასის შეფარდებისა მის ვალენტობასთან ამ ელემენტის ქიმიური ეკვივალნეტი ეწოდება. მას აღნიშნავენ X-ით, X=A/n, m=1/F, X=It.

გამოყენება

ელექტროლიზის მოვლენა ფართოდ გამოიყენება თანამედროვე მრეწველობაში. საკუთრივ ელექტროლიზი არის ალუმინის, წყალბადის, წყალბადის პეროქსიდის, ქლორის და მისი ორგანული ნაერთების ასევე ნატრიუმის ჰიდროქსიდისა და მანგანუმის დიოქსიდის , მიღების მათავარი მეთოდი. ელექტროლიზის (ელექტროექსტრაქცია, ელექტრორაფინირება) მეშვეობით ხდება ლითონების დიდი რაოდენობის მიიღება მადნებიდან და ხდება მათი გადამუშავება ასევე ელექტროლიზი გამოიყენება გამდინარე (კანალიზაციური) წყლების გაწმენდა გასუფთავებაში (ელექტროკოაგულაციის პროცესი, ელექტროექსტრაქცია, ელექტროფლოტაცია)

ხსნარში ქაოტურად მოძრავი იონები ელექტრული დენის გატარებისას იწყებენ მიმართულ მოძრაობას ანოდისაკენ და კათოდისაკენ. ელექტროდებზე ხდება იონთა განმუხტვა. კათიონები ანოდიდან იძენენ ელექტრონებს და იჟანგებიან, ხოლო ანიონები კათოდს გადასცემენ ელექტრონებს და აღდგებიან. ე.ი. ელექტროდებზე წარიმართება ჟანგვა-აღდგენითი პროცესი. ანოდზე ჟანგვა, ანუ ელექტრონების გაცემა კათოდზე აღდგენა. ამ პროცესს ელექტროლიზი ეწოდება. ხელსაწყოს ელექტროლიზერი ან საელექტროლიზო აბაზანა. ელექტროლიზის უმარტივესი ფორმაა ნალღობის ელექტროლიზი:

NaCl -> Na⁺ + Cl^-

K^-  : Na + e -> Na⁰

A⁺  : 2Cl - 2e -> Cl⁰₂

სრული რეაქცია 2NaCl -> 2Na + Cl₂

რადგან ელექტროლიზი ჟანგვა-აღდგენითი პროვესია, ამიტომ გაცემული და მიერთებული ელექტრონების რიცხვი ტოლი უნდა იყოს. ტუტის ელექტროლიზი:

KOH = K⁺ + OH^-

K^- K⁺ + e -> K⁰

A⁺ 4OH - ee -> 2H₂O + O₂

(OH იონების განმუხტვისას წარმოიქმნება წყალი და ჟანგბადი) ელექტროლიტების წყალხსნარების ელექტროლიზის დროს შედარებით რთული პროცესები მიმდინარეობს, რადგამ ამ შემთხვევაში ჟანგვა-აღდგენაში ერთვება წყლის მოლეკულებიც, რომლებიც პროცესის მიმართულებას ცვლიან.

უჟანგბადო მჟავათა წყალხსნარის ელექტროლიზის დროს კათოდზე ხდება წყალბად-იონების აღდგენა:

2H⁺Cl^- -> H₂⁰ + Cl₂⁰

მარილთა წყალხსნარების ელექტროლიზის დროს კათოდზე მიმდინარე პროცესი დამოკიდებულია მარილის შემადგენლობაში შემავალი მეტალის აქტიურობაზე, ანუ მის მდებარეობაზე მეტალთა აქტივობის მწკირვში. მეტალთა აქტივობა მარცხნიდან მარჯვნივ მცირდება:

Li⁺,K⁺,Ca²⁺,Na⁺, Mg²⁺,Al³⁺

აქტიური მეტალების შემთხვევაში კათოდზე აღდგება წყლის მოლეკულა:

2H₂O + 2e -> H₂⁰ + 2OH^-

თავისუფალი წყალბადის გამოყოფის შემდეგ ხსნარში რჩება ჰიდროქსილ-იონები.

NaCl-ის წყალხსნარის ელექტროლიზის პროცესი ინერტულ(უხსნად) ანოდზე (გრაფიტი, Pt, Au, და ა.შ.) წარიმართება შემდეგნაირად:

NaCl -> Na⁺ + Cl^-

K^- 2H₂O + 2e -> H⁰₂ + 2OH^-

A⁺ 2Cl - 2e -> Cl⁰₂

2H₂ + 2Cl^- -> H₂ + 2OH^- + Cl₂

Mn²⁺,Zn²⁺,Cr³⁺,Fe²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Ag⁺,Pt, Au იონების შემთხვევაში კათოდზე აღდგება მეტალები წყლის მოლეკულებთან ერთად.

CuSO₄ -> Cu²⁺ + SO₄^2-

K^- Cu²⁺ + 2e -> Cu⁰

A⁺ 2H₂O - 4e -> O₂⁰ + 4H⁺

2CuSO₄ + 2H₂O -> Cu⁰ + 2H₂SO₄ + O₂

მეორე მაგალითი

2AgNO₃ + H₂O -> 2Ag + 2HNO₃ + O₂

ანოდზე მიმდინარე პროცესები დამოკიდებულია რისგანაა გაკეთებული ანოდი. განასხვავებენ ხსნად და უხსნად ანოდებს:

Cu, Zn, Ag, Ni - ხსნადი ანოდები. ელექტრნიზის დროს ხსნადი ანოდი იჟანგება და იონების სახით გადადის ხსნარში, ანუ იხსნება.

გრაფიტი, Pt, Au, PbO - უხსნადი ანოდებია. ინერტული ელექტროდების დასამზადებლად გამოიყენება.

ე.ი. A⁺-ზე მიმდინარე ნახევრადრეაქციაა

2H₂I - 4e -> O₂(აირ) + 4H⁺ (რეაქცია მიმდინარეობს მხოლოდ ხსნარში)

ანოდზე ადვილად იჟანგება უჟანგბადო მჟავის ანიონი. ჟანგბადიანი მჟავის ანიონი კი არასოდეს იჟანგება. ის უბრალოდ ხსნარში რჩება.

ამრიგად, თუ ელექტროლიტის შემადგენლობაში შედის უჟანგბადო მჟავის ანიონი, ანოდზე ეს იონი დაიჟანგება:

KI -> K⁺ + I^-

K^- 2H₂O + 2e -> H⁰₂ + 2OH

A⁺ 2I - 2e -> I₂⁰

ანუ

KI + H₂O -> H₂ + KOH + I₂

ხსნადი ანოდის შემთხვევაში:

მაგ: CuSO₄-ის წყალხსნარის ელექტროლიზი სპილენძისაგან დამზადებული ხსნადი ანოდის გამოყენებისას:

A⁺ - იჟანგება ანოდი, Cu²⁺ იონები გადადის ხსნარში

Cu⁰ - 2e -> Cu²⁺

K^--ზე მიმდინარეობს ხსნარში გადასული სპილენძის იონების აღდგენა:

Cu²⁺ + 2e -> Cu⁰

რა რაოდენობის სპილენძიც გადავიდა ანოდიდან ხსნარში, იმდენივე გამოიყოფა კათოდზე. ხსნარში მარილის რაოდენობა უცვლელი რჩება. აღნიშნული მეთოდი გამოიყენება ელექტროლიზის საშუალებით ზესუფთა მეტალების მისაღებად.