Электролиз деб, электролитнинг суюқланмаси ёки эритмасидан электр токи ўтганда борадиган оксидланиш-қайтарилиш реакцияларига айтилади. Маълумки, электролитлар эритма ёки суюқланма ҳолатида ток ўтказадилар. Шу сабабли электролиз суюқланмада ва эритмада бориши мумкин.
Суюқланмада борадиган электролиз натижасида анодда шу модда таркибига кирган анион оксидланади, катодда эса шу модда таркибидаги катион қайтарилади. Масалан, NaCl тузи суюқланмаси:
NaCl ⇆ Na+ + Cl—
электролизида Na+ иони катодда қайтарилади:
Na+ + ē → Naº; Cl— аниони анодда оксидланади:
2Cl— — ē → Cl₂º. Умумий ҳолда: 2NaCl → 2Na+Cl₂↑ реакция боради.
Эритманинг электролизи
Эритма электролизи оксидланиш — қайтарилиш жараёнларида электролит молекулалари билан биргаликда сув (эритувчи) молекулалари иштирок этгани учун анча мураккабдир. Эритмада борадиган электролиз схемасини тузаётганда қуйидаги қоидаларни билиш зарур:
Катод жараёнлари учун:
- Агар эритмада оксидланиш потенциали водороднинг оксидланиш потенциалидан кичик бўлган катионлар (активлик қаторида Ли+ дан Ал+3 гача) боʻлса, катодда аввал, улар ўрнига сув молекулалари қайтарилиб: 2H₂O + ē → 2H2↑ + 2OH— металл ионлари эритмада оʻзгармасдан қолади.
- Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан кичик, лекин Ал никидан катта бўлган катионлар (Al+3 дан Pb+2 гача) боʻлса, у ҳолда катодда бир вақтнинг ўзида ҳам водород ионлари, ҳам металл катионлари қайтарилади.
- Агар эритмада стандарт оксидланиш потенциали водородникидан юқори бўлган катион боʻлса, катодда аввал шу катион қайтарилади (активлик қаторида бу катионлар H+ дан кейин туради).
Анод жараёнлари учун:
- Агар эритмада кислородсиз кислоталарнинг анионлари; Cl—, Br—, J—, F— лар билан бирга H₂O — молекулалари мавжуд бўлса, анодда аввал кислородсиз кислота анионлари оксидланади.
- Агар эритмада кислородли кислота анионлари: SО2-2, CO2-2, PO4-3, NO3— боʻлса, бу анионларнинг оксидланиш потенциаллари сув молекуласининг оксидланиш потенциалидан катта боʻлгани учун анодда аввал (дастлаб) H₂O молекулалари оксидланади:
2H₂O — 4ē → O2↑ + 4H+
Энди юқоридаги қоидаларга амал қилган ҳолда баъзи бир электролиз жараёнларини кўриб чиқайлик.
Масала. Ош тузининг сувли эритмасининг электролиз схемасини тузинг.
Анод ва катодда борадиган оксидланиш-қайтарилиш реакциялари тенгламасини тузинг.
Ечиш. Масаланинг шартидан кўриниб турибдики, электролиз эритмада боряпти. Ош тузи (NaCl) молекулалари эритмада диссотсиланган ҳолда бўлади: NaCl ⇆ Na+ + Cl—. Бу ионлардан Na+ манфий
зарядли электрод-катодга тортилади, Cl эса мусбат зарядли электрод-анодга тортилади. Булардан ташқари, эритмада сув молекулалари ҳам боʻлгани учун улар ҳам электролиз жараёнида қатнашадилар, аниқроғи, сувнинг диссотсиланиши натижасида ҳосил боʻладиган H+ ва OH ионлари мос равишда катод ва анодга тортилади. Буни қуйидаги схемада кўриш мумкин:
(-) Катод Na+ ← NaCl → Cl— Анод (-)
H+ ← H2O → OH—
Схемадан кўринаяптики, катод Na+ ва H+ ионлари қайтарилишини кутиш мумкин.
A. Булардан Na+ ионининг оксидланиш потенциали (E° = 2,71 в) водород ионининг шартли оксидланиш потенциали (Eº = 0 v) дан кичик:
EºNa+/Na < EºH+/H2º
Шунинг учун катодда водород ионлари қайтарилади, эритмада Na+ ионлари қолади: 2H+ +2e →H₂(тўғрироғи: 2H2O + 2e → H₂ + 2OH— сув молекулалари қайтарилади). Чунки H+ ионларининг эритмадаги мувозанат концентрацияси жуда кичкина 10-7 мол/л. Ток кучи этарли бўлса H+ лар этмай қолади ва уларнинг ўрнига H₂O молекулалари қайтарилади.
B. Анодда хлор аниони ва H₂O молекулалари оксидланиши мумкин. Лекин хлор ионлари кислородсиз кислота қолдиғи боʻлганлиги учун анодда Cl ионларининг оксидланиши рўй беради:
2Cl— — 2ē → Cl2°
Демак, NaCl тузининг эритмаси электролиз қилинганда катодда H₂O молекулалари қайтарилади, анодда хлор ионлари оксидланади. Электролиз маҳсулоти сифатида водород ва хлор газлари ҳосил бўлади. Эритмада эса Na+ ва OH— ионлари қолади, эритма кучли ишқорий муҳитга эга бўлади:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + Cl2↑+ 2Na+ + 2OH—
Маълумки, электролиз пайтида электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдорини ҳисоблаш мумкин. Электролиз пайтида ажралиб чиқадиган моддалар миқдори Фарадей қонунлари асосида келтириб чиқарилган формулалар ёрдамида ҳисобланади.
1-қонун. Электролиз натижасида электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдори эритмадан ўтган электр миқдори (I•ɿ) га тўғри пропорсионалдир.
2-қонун. Электродларда ажралиб чиқадиган моддалар миқдори шу модда (ион) ларнинг кимёвий эквивалентига тўғри пропорсионалдир. Модда миқдорига тегишли бўлгани учун иккала қонунни умумлаштириб электродларда ажралиб чиқадиган модда миқдорини ҳисоблаш мумкин:
m = I•ɿ•E/F. Бу эрда: m — ажралиб чиқаётган модда массаси, g; kg; I ток кучи, A; ɿ вақт, секунд; F Фарадей сони 96500 Kl; E — кимёвий эквивалент. Шу формулани газсимон моддалар учун ҳам ёзиш мумкин;
V = I•ɿ•Ve/F
Бу ерда: V ажралиб чиққан газнинг ҳажми, ml; l, sm³. Ve ажралиб чиқаётган газнинг эквивалент ҳажми.
Формулаларда келтирилган I•ɿ кўпайтма эритмадан ўтаётган электр миқдорини ифодалайди ва Q ҳарфи билан белгиланади. Агар 1 KI электр миқдори электролизердан ўтса электродларда E = E/F миқдор модда ажралиб чиқади. Бунда E модданинг «электрокимёвий эквиваленти» дейилади. Унинг маъноси, эритмадан 1 Кл электр миқдори ўтганда ажралиб чиқадиган моддалар массасидир.
Электролизнинг аҳамияти
Электролиз жараёнлари катта амалий аҳамиятга эга.
- Электролиздан фойдаланиб, кўпчилик металлар (Na, K, Ca, Al, Ag, Cu, Au, Ni) олинади. Бошқа усуллар билан олинган металлар юқори тозаликда (99,99%) олиш учун электролиз усули билан электрорафинация қилинади. Бу асосан, «эрувчан анод» усули билан амалга оширилади.
- Чўян, поʻлат ва бошқа қотишма ҳамда металларнинг сирти коррозияга чидамли металлар билан қопланади. Масалан: никель, кумуш ва олтин билан қопланади. Бу жараёнлар гальваностегия ва гальванопластика деб аталади.
- Турли қийин ясаладиган деталлар, силуэтлар, нишонларнинг қолиплари ганч, пластмасса, графитлардан ясалиб, уларга манфий зарядли ток бериб (катод) электролит суюқланмаси эритмасига тушириб қўйилади. Маълум вақтдан сўнг қолип сиртига металл ажралиб чиқиши туфайли айни шаклдаги деталь олинади.
- Электролиз усули билан Cl2, F2, O2, H₂ каби металлмаслар ҳам олинади, кимё саноатининг бу моддаларга бўлган эҳтиёжининг маълум қисми шу усул билан таъминланади.