Elektr yurituvchi kuch va uning ahamiyati

1.10-§. Konsentratsion galvanik elementlar

Energiya manbai kimyoviy energiya emas balki ionlar konsentratsiyalarining tenglashish (aktivligi) ishi bo’lgan galvaniq elementlar konsentratsion galvaniq elementlar deyiladi. Bunday elementlar turli konsentratsiyali ionlardan iborat eritmaga tushirilgan ikki bir xil elektroddan tashkil topgan, masalan:

CuCuSO₄CuSO₄Cu yoki AgAgNO₃AgNO₃Ag,

O’ta suyultirilgan eritmadagi elektrod erib, uning ionlari eritmaga o’tadi. Bunda elektrodning o’zi manfiy zaryadlanadi. Yuqori konsentratsiyali eritmaga tushirilgan elektrodga eritmadagi metall ionlari o’tiradi va u musbat zaryadlanadi. Shunday qilib, har ikkala elektrodlarda ham eritmadagi ionlar konsentratsiyalarini baravarlashuviga olib keluvchi jarayonlar sodir bo’ladi. Elektrod potensiallari Nernst tenglamasiga muvofiq quyidagiga teng bo’ladi:
(26)
Ikkinchi tenglamadan birinchisini ayirib, konsentratsion elementning EYUK uchun quyidagi tenglamani olamiz:
(27)
yoki 298K temperatura uchun
(28)
Konsentratsion element eritmadagi ionlarning aktivliklari tenglashguncha ishlaydi; bo’lganda uning EYUKi nolga teng bo’ladi.
1.11-§. Oksidlanish-qaytarilish elektrodlari

Kimyodagi barcha reaksiyalarni ikki turga bo`lish mumkin [24]:

1. Reaksiyaga kirishuvchi elementlarning oksidlanish darajasi o`zgarmay qoladigan reaksiyalar.
2. Oksidlanish darajasi o`zgarishi bilan boradigan reaksiyalar.
Birinchi tur reaksiyalarga almashinish, parchalanish va birikish reaksiyalari misol bo`la oladi. Masalan:
HCl + KOH =KCl + H₂O
CaCO₃ CaO + CO₂
SO₃ + H₂O = H₂SO₄.
Bu misollarda xech qaysi elementning oksidlanish darajasi o`zgarmaydi.
Ikkinchi tur reaksiyalariga siqib chiqarish va boshqa reaksiyalar misol bo`ladi. Bunday reaksiyalar oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari deyiladi. Ularda elektronlar bir atom yoki ionlardan ikkinchi atom yoki ionlarga o`tadi. O`ziga elektron biriktirib olgan atom, ion, molekulalar oksidlovchi deb, elektron yuqotadigan atom, ion, molekulalar qaytaruvchi deb ataladi. Elektron biriktirib olish jarayoni-qaytarilish jarayoni deb, elektron berish jarayoni-oksidlanish jarayoni deyiladi. Demak, oksidlovchi qaytariladi va qaytaruvchi oksidlanadi.
Mg⁰ + CI ₂⁰ = Mg²⁺CI₂^1-
H₂⁰ + Cu²⁺O^2- = H₂¹⁺O^2- +Cu⁰
Element atomi oksidlanganda uning oksidlanish darajasi ortadi, qaytarilganda esa oksidlanish darajasi pasayadi.
Masalan, Sn²⁺-2e = Sn⁴⁺ jarayonida kalayning oksiddanish darajasi +2 dan +4 gacha ortdi, Cr⁶⁺ +3e =Cr³⁺ jarayonida xromning oksidlanish darajasi +6 dan +3 gacha kamayadi.
Element atomi o`zining eng yuqori oksidlanish darajasida (masalan S<sup>6+</sup>, P<sup>5+</sup>, Cu<sup>2+</sup>, Mn<sup>7+</sup> ionlarda) boshqa elektron yo`qota olmaydi va faqat oksidlovchi xossasini nomayon qiladi. Va aksincha, element atomi o`zining eng kichiq oksidlanish darajasida o`ziga elektron qabul qila olmaydi va faqat qaytaruvchi (masalan, S^2-, N^3-, Cl^-, P^3-, J^- ionlari) xossasini namoyon qiladi. Agar element atomi o`zining o`rtacha oksidlanish darajasiga ega bo`lsa, u eritmaning muxitiga qarab yo oksidlovchi yoki qaytaruvchi xossasini namoyon qiladi.
Qaytaruvchidan oksidlovchiga elektronlar o`tganda odatda reaksiyada ishtirok etayotgan elementning valentligi o`zgaradi. Lekin oksiddanish-qaytarilish reaksiyalarida element valentligi o`zgarmay qolishi mumkin. Masalan:
1. H₂⁰ + Cl₂⁰ = 2HCl 2. CH₄ + 2O₂ = CO₂ + H₂O
Birinchi reaksiyada vodorod va xlorning valentligi reaksiyadan oldin xam keyin xam birga teng. Metanning yonish reaksiyasida uglerod, kislorod va vodorodlarning valentliklari o`zgarishsiz qolyapti. Lekin bu reaksiyalarda atomlarning xolatdari o`zgaradi. Demak, molekulada atom xolatini valentlik tushunchasi tupik ifodalay olmaydi. Shuning uchun xam, oksidlanish-qaytarilish reaksiyadarida oksidlanish darajasi tushunchasidan foydalanish maqsadga muvofik bo`ladi. Valentlik kovalent bog``lanishda (musbat yoki manfiy) ishoraga ega emas. U faqat bog``lanish sonini ko`rsatadi. Kimyoviy bog``lanishda esa elektronlar elektrmanfiyroq element atomiga siljigan bo`ladi, natijada atomlar ma'lum zaryadga ega bo`ladi.
Quyidagi misollar valentlik bilan oksidlanish darajasi orasidagi farqni yaqqol ko`rsatadi.
1. Azot molekulasida ikkita azot (N=N) atomi o`zaro uch juft elektron orqali birikkan. Uning oksidlanish darajasi nolga teng. Chunki kimyoviy bog`` xosil qilgan umumiy elektron jufti xar ikki azot atomidan bir xil masofada joylashgan.
2. Gidrazin-N₂H₄ molekulasida, xar bir azot atomining valentligi 3 ga teng, oksidlanish darajasi esa minus 2ga teng, chunki;

xar bir azot-vodorod bog``da umumiy electron jufti azot atom tomonga siljigan.

3. Oksidlanish darajasi musbat, manfiy, nol va kasrli bo`lishi mumkin.
Umumiy elektron juftini o`ziga tortgan elektr manfiyrok element manfiy (-) va ikkinchi element musbat (+) oksidlanish darajasiga ega. Kimyoviy birikmada yoki eritmada haqiqiy bo`lgan ionlarni ko`rsatish uchun musbat va manfiy ishorasi raqamdan keyin yoziladi.
Masalan: Fe³⁺, Mn²⁺, SO₄^2-, MnO^-₄ ,Cl^- , Na⁺ va boshqalar.
Kimyoviy birikmalarda atomning oksidlanish darajasini aniqlashda quyidagi qonundan foydalaniladi.
1. Oddiy moddalarda atomning oksidlanish darajasi nolga teng (H₂, O₂,Fe, S).
2. Metallar hamma vaqt musbat oksidlanish darajasiga ega.
3. Vodorod, gidridlardan tashqari hamma birikmalarda +1, gidridlarda esa -1 oksidlanish daraja namoyon etadi.
4. Kislorod birikmalarda (OF₂ dan tashqari) -2 oksidlanish daraja namoyon etadi. Peroksid (-O-O-gruppali) larda esa kislorodning oksidlanish darajasi -1 ga teng.
5. Metallamaslarni oksiddanish darajasi ham musbat, ham manfiy bo`lishi mumkin.
Bu ma'lumotlarga asoslanib murakkab birikmalardagi atomlarning oksidlanish darajasini hisoblab topish mumkin, bunda molekuladagi atomlar oksidlanish darajalarining algebraik yig`indisi doimo nolga, murakkab ionda esa ionning zaryadiga teng bo`lishini e'tiborga olish kerak. Misol, H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> dagi oltingugurtning oksidlanish darajasini hisoblab topamiz.
H<sup>+1</sup><sub>2</sub> O<sup>2-</sup><sub>4</sub>
(+1)*2 + x + (-2)*4 = 0 x=+6
Demak, oltingugurtning oksidlanish darajasi +6 ga teng.
O`ziga elektron qabul qilib, davriy sistema qatoridagi inert gazning elektron strukturasiga ega bo`lgan yoki manfiy zaryadlangan ionlar xosil qiluvchi neytron atomdar oksidlovi bo`ladi. Masalan, gologenlarning neytrol atomlari F₂, Cl₂, Br₂, J₂ oksidlovchi funksiyasini bajarib, manfiy zaryadlangan F₂, Cl₂, Br₂, J₂ ionlarga aylanadi.
Galogenlardan ftor va xlor kuchli oksidlovchi xisoblanadi.
Asosiy oksidlovchilarga yana kislorod, oltingugurt va boshqalar misol bo`la oladi. Ba'zi metall ionlari o`zlarining eng yuqori valentliklarida (masalan. Nr⁴⁺, Cr⁶⁺, Pb⁴⁺) oksidlovchi bo`lishi mumkin.
Erkin xolda barcha metallar, asosan ishkoriy (Li, Na, K, Rb, Cs) va ishkoriy-yer (Ca, Sr, Ba) metallari, kislorodsiz kislota qoldiqlarining ionlari (J<sup>-</sup>,Br<sup>-</sup>,S<sub>2</sub>) xamda gidridlar (KH, NaH, CaH<sub>2</sub> ) qaytaruvchi bo`ladi. Shuni nazarda to`tish kerakki, oksidlovchi bilan qaytaruvchi urtasida keskin chegara yuk, bitta modda bir sharoitda oksidlovchi, ikkinchi sharoitda esa qaytaruvchi bo`lishi mumkin. Masalan, temir sulfid xosil bo`lish reaksiyasida S + Fe = FeS oltingugurt -S elektron qabul qilib oksilovchi, lekin S + 2HNO₃ = H₂SO₄ +2NO reaksiyada esa elektron berib qaytaruvchi xossasini namoyon qiladi.
Oksidlanish qaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda elektron-balans va ion-elektron (yarim reksiyalar) metodlaridan foydalaniladi.
1. Elektron-balans metodi yordamida oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda oksidlovchi va qaytaruvchilarni qabul qilgan va yo`qotgan elektronlar sonini aniqlash kerak. Qaytaruvchining yo`qotgan va oksidlovchining qabul qilgan elektronlar soni reaksiyadan oldin va keyin atom, ionlarning oksidlanish darajasi uzgarish bilan aniqlanadi. Qaytaruvchining umumiy yo`qotgan elektronlar soni, oksidlovchining umumiy qabul qilgan elektronlar soniga teng bo`lishi kerak.
AI + O₂- AI₂O₃
A1 - 3e = A1³⁺ 3 4 - qaytaruvchi
O₂ + 4e = 2O ^2- 4 3 - oksidlovchi.
4AI + 3O₂ = 2AI₂O₃
P + HNO₃ = H₃PO₄ + NO
P⁰ - 5e = P⁵⁺ 5 3 -qaytaruvchi
N⁵⁺ + 3e = N²⁺ 3 5-oksidlovchi.
3P + 5HNO₃ = 3H₃PO₄ + 5NO
Reaksiyaning o`ng va chap tomonidagi atomlar sonini hisoblash tenglamaning chap tomonidan vodorod va kislorod atomlari o`zaro teng emasligini ko`rsatadi. Bu xolda tenglamaning chap tomoniga suv molekulalari yoziladi va reaksiyaning tenglamasi quyidagi ko`rinishga ega bo`ladi.
3P+5HNO3+2N2 O=3N3PO4 +5NO
Ba'zi bir xollarda metall oksidlanganda tuz hosil bo`ladi, bunday xolda reaksiyaga kislota molekulasidan ortiqcha miqdorda olinadi. Masalan;
Cu + HNO₃ =Cu (NO₃)₂ + NO + H₂O
Cu⁰-2e = Cu²⁺ 2 3-qaytaruvchi
N⁵⁺-3e = N²⁺ 3 2-oksidlovchi.
3Cu + HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO + H₂O
Tenglamaning o`ng qismida 8 ta, chap qismida 2 ta, ya'ni uch molekula tuz xosil bo`lishida ishtirok etayogan 6 ta azot atomi yetishmaydi, bundan yana nechta suv molekulasi yozish kerakligi aniqlanadi va reaksiya tenglamasi quyidagi ko`rinishga ega bo`ladi;
3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
Eritmada boradigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining tulik molekulyar tenglamalarini tuzishda elektron-balans metodidan foydalanib oksidlanish darajasi tushunchasini ishlatish o`zining fizik ma'nosini yo`qotadi. Chunki elektron balans metodida ishlatiladigan Cr^6+, Mn⁷⁺, N⁵⁺ va boshqa kationlar eritmada umuman bo`lmaydi. Ular suvli eritmada suvning kislorodi bilan birikib, CrO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, MnO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, NO<sub>3</sub><sup>-</sup> ionlari xolida mavjud bo`ladi.
Bundan tashkari, elektron-balans metodi oksidlanish-qaytarilish jarayonida gidrosid va vodorod ionlari xolida suv molekulalarining rolini ko`rsatmaydi. Shuning uchun xam suvli eritmalarda boradigan oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining tenglamalarini tuzishda ion-elektron metodidan foydalanish maksadga muvofikdir. Bu metodda koeffisiyentlar ion-elektron tenglama yordamida topiladi. Ion-elektron tenlamaning elektron-balans tenglamadan farqi shuki, unda elektrolitik dissosilanish nazariyasiga binoan suvli eritmada haqiqatan mavjud bo`lgan ionlar yoziladi.
Ion-elektron metodi yordamida eritmalarda boradigan oksidlanish -qaytarilish reaksiyalarining to`liq tenglamalarini tuzish uchun quyidagi tartibga rioya qilish kerak:
1. Reaksiya uchun olingan va reaksiya natijasida xosil bo`ladigan maxsulotlarning tarkibini bilish, ya'ni reaksiyaning molekulyar tenglamasini yozish zarur.
2. Elektrolitik dissosialanish nazariyasiga binoan reaksiyaning ion sxemasini yozish kerak.
3. Ayrim xolda oksidlanish-qaytarilish jarayonslarini ion-elektron tenglamasini yozishda quyidagilarga asoslaniladi:
a) Ayni element atomlarining soni tenglamaning o`ng va chap tomonida teng bo`lishi kerak
b) Reaksiya uchun olingan modda tarkibida kislorod kam bo`lsa, kislotali muxitda (vodorod ioni bilan birikib) suv xosil qiladi. Neytral yoki ishkoriy muxitda esa ajralib chiqkan kislorod suv bilan birikib, gidroksid gruppani xosil qiladi
v) Reaksiya uchun olingan modda tarkibida kislorod ko`p bo`lsa kislotali va neytral muxitda suv, ishkoriy muxitda gidroksid ioni xosil bo`ladi
g) Oksidlanish va qaytarilish jarayonslarining umumiy zaryadi tenglamaning chap va o`ng tomonlarida bir-biriga teng bo`lishi kerak
4. Oksidlanish va qaytarilish jarayonslarini ion-elektron tenglamalari birgalikda yozilib, oksidlovchi va qaytaruvchi oldiga yoziladigan koeffisiyentlar topiladi. Uni aniqlashda qaytaruvchi yo`qotgan elektronlar soni oksidlovchi qabul qilgan edektronlar soniga teng bo`lishi nazarda tutiladi.
5. Jarayonslarning o`ng va chap tomonlarini aniqlangan koeffisiyentlarga ko`paytirib, ularni birgalikda yoziladi. Natijada qisqa ion tenglama xosil bo`ladi.
6. Reaksiyaning to`lik ion va molekulyar tenglamalari yoziladi.
7. Molekulyar tenglama tugri yozilganligini har qaysi element atomlari soni orqali tekshiriladi. Ko`pincha kislorod atomlari sonini xisoblash bilan chegaralanadi.
Kimyoviy va konsentratsion galvaniq elementlarda oksidlanish-qaytarilish jarayonlari sodir bo’ladi. Oksidlanish-qaytarilish elektrodlari (yoki redoks-elektrodlar, reduction-qaytarilish va oxidation-oksidlanish) metall elektrod oksidlanish jarayonida ishtirok etmagan, element ishlash jarayonida o’zgarmaydigan faqat elektron tashuvchilar vazifasini bajaradigan hollardagina qo’llaniladi.
Misol: FeCI₃ va FeCI₂ eritmalar aralashmasiga, ya’ni bir metallning har valentli tuzlari eritmasi aralashmasiga, umuman oksidlovchi-qaytaruvchi moddalarning eritmalari aralashmasiga tushirilgan platina (betaraf metall) odatda elektrodlar quyidagicha yoziladi:

Bu elektrod boshqa elektrod bilan tutashtirilsa, yo oksidlanish Fe²⁺, (agar ikkinchi elektrod oksidlanish - qaytarilishga nisbatan musbat bo’lganda), yoki qaytarilish Fe³⁺, (agar ikkinchi elektrod manfiy bo’lsa) jarayonlari sodir bo’ladi. Elektrod jarayon quyidagi ko’rinishda ifodalanishi mumkin:
Fe²⁺ Fe³⁺ + e^-
Agar platina (yoki boshqa biror inert metall) SnCI₂ va SnCI₄ aralashmalarining suvli eritmasiga tushirilsa, u holda quyidagi elektrod jarayoni amalga oshishi mumkin:
Sn²⁺=Sn⁴⁺ + 2e^-
Umumiy holda elektrod jarayonini quyidagicha yozish mumkin:
RedOx + ne^-, (29)
Bunda Red- moddaning (Fe²⁺ yoki Sn²⁺) qaytarilgan shakli; O_x moddaning (Fe³⁺ yoki Sn⁴⁺) oksidlangan shakli; n-oksidlanish-qaytarilish reaksiyaisida ishtirok etgan elektronlar soni.
Oksidlanish-qaytarilish potensialining qiymati, ya’ni elektrodning musbat yoki manfiy zaryadlanishi elektroddan olingan yoki berilgan elektronlar soniga bog`’liq. Bu esa o’z navbatida, oksidlovchi va qaytaruvchi modda aktivligining (konsentratsiyasining) nisbatiga proporsionaldir.
EE⁰  (30)
Bunda E⁰- oksidlovchi va qaytaruvchi moddalarning eritmadagi aktivligi birga teng bo’lganda vujudga kelgan potensial; -oksidlovchi va -qaytaruvchi moddalarning aktivligi.
E⁰-normal (standart) oksidlanish-qaytarilish potensiali deyiladi va uning qiymati standart vodorod elektrodga nisbatan aniqlanadi. E⁰-ning qiymati qanchalik katta bo’lsa, bu sistemadagi oksidlovchining aktivligi yuqori bo’ladi va uning oksidlash xususiyati shunchalik darajada namoyon bo’ladi. Masalan, quyidagi sistema uchun
MnO^-  8H^5e^- Mn^2  4H₂O E⁰1,51,
Fe^3  e^- Fe^2 E⁰=0,77B
Shuningdek, birinchi sistemada ikkinchisiga nisbatan oksidlash xususiyati kuchli va kaliy permonganat kislotali muhitda ikki valentli temirni oksidlaydi. O’z navbatida uch valentli temir ikki valentli temirni oksidlash qobiliyatiga ega, shuningdek quyidagi sistema uchun
Sn^4  2e^-  Sn^2 E⁰0,15B.
Shunday qilib, sistema uchun E-ning qiymatini bilgan holda oksidlanish-qaytarilish reaksiyasining yo’nalishini oldindan bilish mumkin.
MnO₄^-, CrO₄^2-, Cr₂O₇^2- kabi ionlardan tashkil topgan sistemaning oksidlanish-qaytarilish potensialiga oksidlovchi va qaytaruvchi moddalardan tashqari vodorod ionlarining aktivligi ham ta’sir qiladi. Vodorod ionlarining aktivligi qanchalik yuqori bo’lsa, oksidlanish-qaytarilish potensiali ham shunchalik katta bo’ladi.