Атом-молекулалық ілім

Тотығу дегеніміз - тотығу дәрежесінің өсуімен жүретін атомның электрон беруі.

Тотықсыздану – тотығу дәрежесінің төмендеуімен жүретін атомның электронды қосып алуы. электрон қосып алушы элемент тотықтырғыш деп аталады. Электрон беретін элемент тотықсыздандырғыш деп аталады.

     мысалы:

4AI+3O₂=2AI₂O₃

Реакциядағы алюминийдің  тотығудәрежесі0-ден  –3-ке дейін көтеріледі, тотықсыздандырғыш  қызметін атқарады; реакция нәтижесінде  алюминидің тотықсыздандырғыш формасы  тотығады. Бұл реакцияда оттегі дәрежесі 0-ден (-2) ге дейін төмендейді де, тотықтырғыш болып табылады, ол  реакция нәтижесінде тотықсызданады.

Тотықтырғыштар және тотықсыздандырғыштар

Тотығуы ең жоғары дәрежесінде элементтер тек  қана тотықсыздана алады. Себебі, олардың  атомдары электрон қабылдауға ғана жарайды. Мысалы, S⁺⁶, N⁺⁵, Mn⁺⁷,Cr⁺⁶ және т.б.

Тотығудың ең төменгі дәрежесіндегі элементтер тек қана тотыға алады. Себебі, олардың  атомдары электрон беруге ғана ыңғайлы. Мысалы, S^-2, N^-3, I^-1 және т.б.

Тотығудың аралық дәрежесіндегі элементтер 2 жақты: тотыға да, тотықсыздана алады. Мұндай жағдай реакцияға түсетін элементтерге және реакция жүргізу жағдайына байланысты электронды қабылдай да, бере де алады.

Ең маңызды  тотықтырғыштар

1. Элементар  ең маңызды тотықтрғыштар бейметалдар  (F2, CL2, BR2, I2, O2) тотықтырғыш роліндегі  галогендер -1 тотығу, оттегі-2-ге ие  болады.

2. Құрамында  оттегі болатын қышқылдар мен  тұздар арасында біршама маңызды  тотықтырғыштар KМnO₄, K₂CrO₄, K₂Cr₂O₇, концентрацияланған күкірт қышқылы, азот қышқылы және нитраттар, галогендердің оттекті қышқылдары. Mn⁺⁷ тотықтырғыш ретінде ортаның қышқылдығына байланысты алуан түрлі өнімдерге дейін тотықсыздана алады: қышқыл ортада – Mn²⁺ке дейін, бейтарапта  MnO₂ –ге дейін сілтілікте MnO₄^-2 –ке дейін

5K₂SO₃+2KMnO₄+3H₂SO₄=6K₂SO₄+2MnSO₄+3H₂O,

3K₂SO₃+2KMnO₄+H₂O =3K₂SO₄+2MnO₂+2KOH,

K₂SO₃+2KMnO₄+2KOН=К₂SO₄ +2K₂MnO₄+H₂O

Калий хроматы және дихроматы құрамында Cr⁺⁶ ионы болуы арқасында тотықтырғыш ролін атқарады, ол Cr⁺³ ионына дейін қайта тотықсызданады

K₂ Cr₂O₇3H₂S+4H₂SO₄=Cr₂(SO₄)₃+3S+K₂SO₄+7H₂O.

     Концентрленген күкірт қышқылының  H₂S+6O4 дәрежесі арқасында тотықтырғыш қасиет көрсетеді, ол тотықсызданып +4 (SO₂), 0 ( күкірт), немесе –2 (H₂S) дейін тотықсыздана алады (тотықсыздандырғыш күйі күшті болса, күкірттің тотықсыздануы терең жүреді)

Cu+2H₂SO₄=CuSO₄+SO₂+2H₂O,

3Mg+4H₂SO₄=3MgSO₄+S+4H₂O,

4Zn+5H₂SO₄=4ZnSO₄+H₂S+4H₂O

Азот қышқылы НNO₃ құрамындағы азоттың “+5” тотығу дәрежесіне сәйкес тек тотықтырғыш қасиет көрсетеді. Тотықтырғыш қасиет оның концентрациясының өсуімен күшейе түседі

қышқыл концентрациясы

¬

NO_2, NO_, N₂O_, N_2, NH₄⁺

_®

тотықсыздану  қасиеті

Галогендердің оттекті қышқылдары (HOCI, HCIO₃, HBrO₃ және т.б.) және олардың тұздары әдетте галоген қышқылдарының –1 (хлор және бром жағдайында) немесе 0 (йод болса) дәрежесіне дейін тотықсызданады.

KCIO₃+6FeSO₄+3H₂SO₄=KCI+3Fe₂(SO₄)₃+3H₂O,

HIO₃+5HI=I₂+3H₂O,

KBrO+MnCI₂+2KOH=KBr+MnO₂+2KCI+H₂O

3. Сутегі +1 тотығу дәрежесінде тотықтырғыш көбінесе қышқылдар қосылыстарында (ережеге сай кернеу қатарында сутекке дейін тұрған металдармен қарым қатынасына)

Mg+H₂SO_{4(сұйытылған)}=MgSO₄+H₂⁰↑

4. Тотығудың жоғары дәрежесіндегі металдар иондары (Fe³⁺, Cu²⁺ және т.б.) біршама төмен дәрежесінде ионға айналады.

2FeCI₃+H₂S=2FeCI₂+S+2HCI.

Ең маңызды тотықсыздандырғыштар

1. Элементтер заттар арасында тотықсыздарғыштарға (активті) металдар (сілтілік, жер сілтілік, цинк, алюминий, темір және т.б.), сондай-ақ, кейбір бейметалдар (сутегі, көміртегі, фосфор, кремний) жатады. Мұнымен қатар металдар қышқылдық   ортада оң мәнді зарядталған иондарға дейін, сілтілік ортада гидроксидтерге дейін тотығады. Көміртегі CO және CO₂ –ге дейін тотығады.

2. Оттексіз қышқылдарда (HCI, HBr, HI, H₂S) және олардың тұздарында болып әдетті элементар заттарға дейін тотықсызданатын қасиеттері CI-дан F-қа дейін күшейеді.

3. Тотығудың ең төменгі дәрежесіндегі металдар (Sn²⁺ Fe²⁺ Cu⁺² иондары және т.б.) тотыға отырып, өздерінің дәрежесін көтереді. 

SnCI₂+CI₂=SnCI₄

5FeCI₂+KМnO₄+8HCI=5FeCI₃+MnCI₂+KCI+4H₂O.

Тотығу-тотықсыздану реакцияларына теңдеулер құру

Тотығу-тотықсыздану реакцияларында электрондық баланс әдісімен теңдеу құру келесі тәртіппен орындалады.

1. Реакцияның әрекеттесу теңдігінің сызба нұсқасын құрастырып (егер ол жоқ болса) мысалы,

CuCI₂+Br₂+KOH®K₂CrO₄+KCI+H₂O+КВr   .

2. Тотығу дәрежесі өзгеретін элементтердің атомын анықтайды ((Cr³⁺®Cr⁶⁺) және (Br₂⁰®2Br^-1)) тотықтырғыш тотықсыздандырғышты анықтайды.

3. Тотығу-тотықсыздану  реакцияларын жазып алады. Теңдеудің  екі жағында тұрған элементтердің бөлшектерінің (атомдарының) саны тең болуы керек.

  Cr³⁺®Cr⁶⁺ ,       тотықсыздандырғыш, тотығу

  Br₂⁰®2Br¹        тотықтырғыштармен берген тотықсыздану.

4. Тотықтырғыш қосып алған және тотықсыздандырғыш берген электрондардың санын анықтап, электрондық баланстың теңдеуін жазамыз.

  2½ Cr³⁺-3е®Cr⁶⁺

  3½Br₂⁰+2е®2Br¹

 реакцияларды анықтайды. Сонымен қатар тотықтырғыш өзіне қосып алған электрондар саны тотықсыздандырғыш берген электрондарының санына тең болады.

5. Теңдеудегі басқа молекулалардың алдындағы коэффициенттерді қарапайым түрмен анықтайды:бірінші металдарды теңестіреді, одан кейін қышқылдық қалдықтарды, одан сутегінің атомдарының саны мен оттегі атомдарының санын теңестіреді. Егер теңдеу дұрыс құрылса, онда оттегінің атомдар саны теңдеудің оң жағы мен сол жағында тең болады.

Мысалы, тотығу-тотықсыздану реакциялары теңдеуін анықтау керек:

Na⁰+H¹⁺CI³⁺O^2-₂®Na¹⁺CI³⁺O^2-₂+CI₂⁰+H¹⁺₂O^2-

Шешуі.

1. Элементтердің тотығу дәрежесін анықтаймыз. Ол натрий және хлор,

2. Тотығу-тотықсыздану  процессін жазамыз.

     2CI³⁺+2e=CI₂⁰        тотықтырғыш тотықсызданады, қалпына келеді.

     Na⁰-1e=Na⁺                   тотықсыздандырғыш тотығады.

3. Электрондық балланыстың төңдеуін жазамыз.

       2½2CI³⁺+6e= 2CI₂⁰

       3½Na⁰-1e=Na⁺    

4. Тотығу-тотықсыздану теңдеуін құрамыз

2Na+4HCIO₂®2NaCIO₂+CI₂+2H₂O.

 

 

 

Дәріс 12. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

 

Дәріс жоспары:

1. Стандартты электродтық потенциал.

2. Электрохимиялық процесстердің анықтамасы, классификациясы.

3. Электродтық потенциалдар. Гальваникалық элементтер. Электр қозғаушы күш, оны есептеу. Нернст теңдіктері.

3. Электролиз. Электродтық процесстер , Фарадей заңдары.

 

Гальваникалық элемент.

Әртүрлі металл электродтардағы электродтық  потенциалдардың ай ырмашылығы гальваникалық  элементті (ГЭ) –құрастыруға мүмкіндік  береді, мұндағы яғни жүйедегі химиялық реакцияның энергиясы электрондық  энергиясына айналады.

Электролиттік кілтпен жалғанған және өздеріне сәйкес тұздардың ерітіндісіне батырылған екі металл-гальваникалық элемент  құрайды. Электродтарда жүретін  таңдалған металдардың электродтық  потенциалдарының айырымы (әртүрлілігі) мен сонда жүретін химиялық өзгерістер жүріп жатады.

Мыс-мырыш  гальваникалық элементін қарастырайық ZnSO₄-ерітіндісіне батырылған цинк электродында атомның иондарға тотығуы басталады (цинктың еруі)

                                         Zn-2e=Zn²⁺                                                                    

Электрондар сыртқы ортада болады. Цинк – электрондар  көзі. CuSO₄ ерітіндісіне батырылған мыстан жасалған электродта иондардың тотықсыздануы жүреді (электродтың бетінде қалады)

                                           Cu²⁺+2e=Cu                                                          

Сонымен қатар SO₄^2- иондарының бір бөлігі Zn SO₄ ерітіндісі бар ыдысқа тесік қалқан арқылы ауысады. Үрдіс теңдеуін және теңдеулерін қосу арқылы табамыз

Zn-2e=Zn²⁺ (анодты үрдіс)

Cu²⁺+2e=Cu (катодты үрдіс) 

немесе молекулалық  түрде

Zn+Cu SO₄= ZnSO₄+ Cu

Бұл қарапайым тотығу-тотықсыздану реакиясы. Мұндай гальваникалық элементтің электродтық энергиясы химиялық реацияның арқасында пайда болады. Цинк электродтары сыртқы ортадан түсетін электрондар көзі-теріс болып, ал мыс элетродтары оң зарядты деп есептеледі. Электродтың атауы – онымен жүзеге асатын реакцияның түрімен аталады: тотығу үрдісі өтетін электрод –анод деп, ал тотықсыздану үрдісі өтетін электрод катод деп аталады.

Қарастырайық  деп отырған элементте цинк – анод (А), мыс – катод (К) гальваникалық элементті қысқаша электрохимиялық схема түрінде жазуға болады:

A(-)×ZnêZn²⁺êêCu²⁺ê Cu(+)×K.

Мұндағы бір сызық электрод пен электролит арасындағы шекараны көрсетеді, екі сызық электролиттер арасындағы шекараны, ішіндегі иондар таңбасы жоғарылады. Мұндағы бір ескере кететін жағдай – анод сол жақтан, ал катод оң жақтан жазылады.

Гальваникалық элементтің жұмыс істеуіне қажетті шарт-эл ектродтардағы потенциалдар айырымы, ол гальваникалық элементтің электр қозғаушы күші (ЭҚК) деп аталады.

Әрбір жұмыс істейтін электр қозғалту күші – оң таңбалы болады. кез-келген бейметалдық элементтің электр қозғалту күші электродтың потенциалдардың Айырымынан есептеп алуға болады. ол үшін үлкен оң мәннен кішісін алып тастау керек. мысты-цинк элементтің электр қозғалту күші мыс потенциалы мен цинк потенциалының айырымына тең, яғни

E =Е⁰C_U²⁺_êCu⁰ +Е⁰  Zn⁺² êZn⁰=+0,34B-(-0,76B)=1,1B

Мысалы: темір-мысты гальваникалық элементтің жұмысын анықтау керек. E⁰_Fe =-0,44В және E⁰_Cu=0,337В екені белгілі.

Шешуі: темір иондары ерітіндіде Fe²⁺ зарядын, ал мыс иондары Cu²⁺ -қа тең. Сондықтан темір-мыс электроды

Fe⁰êFe²⁺êêСu²⁺êСu⁰

схемасымен жазылады. мұндағы темір-анод, ал мыс-катод. сонда

ЭҚК=E⁰Cu-E⁰Fe=+0,337B-(0,44B)=0,777B

Fe⁰-2e=Fe²⁺-анодты процесс,

Сu²⁺+2e=Сu⁰ –катодты процесс.

Берілген гальваникалық  элемент жұмысында анодтық бұзылуы, яғни темір электродының ыдырауы болады.                           

Электролиз  деп – ерітінді немесе электролиттің  балқымасы арқылы электр тоғы өткен  кездегі тотығу – тотықсыздану реакциясын айтады.

Электродтағы химиялық реакциялар электр энергиясы арқылы өтеді. Электролиз кезінде катод  – тотықсыздандырғыш, ол катиондарға  электрондар береді. Ал анод – тотықтырғыш, өйткені ол атомдардан электрондарды  алады. Электрлік тотығының тотығу – тотықсыздану реакциясы, химиядағы  тотығу – тотықсыздану реакциясынан әлдеқайда күшті. Электролиз кезіндегі  электродтық үрдістерге және оның жүруіне  электролизденетін заттың құрамы, еріткіш, электрод материалы және электролиз жағдайы әсер етеді.

Ең бірінші балқымалар жағдайы мен ерітіндідегі электролизді айыра білу керек. Соңғысында су молекулалары қатысады.

Электролиттердің балқымаларының электролизі. қарапайым болып келеді, өйткені бұл жүйе тек электролит молекуласынан тұратын иондардан құралған.

Мысалы, CuCI₂  балқымасының электролизін қарастырайық. CuCI₂  – балқыған кезде молекулалар иондарға ыдырайды және олар сәйкес электродтарға қозғалады: анод және катодқа .

             CuCI₂  → CuCI²⁺ +2CI^- .

Катодта таза мыс бөлінеді

              Cu²⁺ +2e → Cu⁰.

Анодта газ тәрізді  таза хлор бөлінеді.

               2CI^- – 2e → CI⁰₂ .

Электролиттер ерітіндісіндегі электролиз – күрделі процесс, өйткені электролиттерден басқа мұнда су молекулалары бар. Электролиз үрдісінде қатыспайтын, инерттік электродтардың бетін қарастырайық (графит, көмір, платина).

Катодта келесі рекциялардың жүруі  мүмкін:

1. Электродтық потенциал  аз мөлшерлі металдар катионы  (Li⁺ –ден AI³⁺ қоса алғанда) катодта қалпына келмейді, олардың орнына судың молекулалары қалпына келеді және катодта газ тәрізді сутек пайда болады