इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम
सामान्य विशेषताएँ
इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री - रसायन विज्ञान की एक शाखा जो संभावित अंतर की घटना और रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा (गैल्वेनिक कोशिकाओं) में बदलने की प्रक्रियाओं का अध्ययन करती है, साथ ही विद्युत ऊर्जा (इलेक्ट्रोलिसिस) के व्यय के कारण रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कार्यान्वयन का भी अध्ययन करती है। ये दोनों प्रक्रियाएँ, जिनकी प्रकृति समान है, आधुनिक प्रौद्योगिकी में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं।
गैल्वेनिक कोशिकाओं का उपयोग मशीनों, रेडियो उपकरणों और नियंत्रण उपकरणों के लिए स्वायत्त और छोटे आकार के ऊर्जा स्रोतों के रूप में किया जाता है। इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके, विभिन्न पदार्थ प्राप्त किए जाते हैं, सतहों का उपचार किया जाता है, और वांछित आकार के उत्पाद बनाए जाते हैं।
इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाएं हमेशा मनुष्यों को लाभ नहीं पहुंचाती हैं, और कभी-कभी बहुत नुकसान पहुंचाती हैं, जिससे धातु संरचनाओं का क्षरण और विनाश बढ़ जाता है। विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं का कुशलतापूर्वक उपयोग करने और अवांछनीय घटनाओं से निपटने के लिए, उनका अध्ययन किया जाना चाहिए और उन्हें विनियमित करने में सक्षम होना चाहिए।
इलेक्ट्रोकेमिकल घटना के घटित होने का कारण इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण या इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं में भाग लेने वाले पदार्थों के परमाणुओं की ऑक्सीकरण अवस्था में बदलाव है, यानी विषम प्रणालियों में होने वाली रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में, इलेक्ट्रॉनों को सीधे कम करने वाले एजेंट से ऑक्सीकरण एजेंट में स्थानांतरित किया जाता है। यदि ऑक्सीकरण और कमी की प्रक्रियाओं को स्थानिक रूप से अलग किया जाता है, और इलेक्ट्रॉनों को धातु कंडक्टर के साथ निर्देशित किया जाता है, तो ऐसी प्रणाली एक गैल्वेनिक सेल का प्रतिनिधित्व करेगी। गैल्वेनिक सेल में विद्युत धारा की घटना एवं प्रवाह का कारण विभवान्तर है।
इलेक्ट्रोड क्षमता. इलेक्ट्रोड क्षमता को मापना
यदि आप किसी धातु की प्लेट लेते हैं और उसे पानी में डालते हैं, तो ध्रुवीय पानी के अणुओं के प्रभाव में सतह परत के आयन निकल जाते हैं और तरल में हाइड्रेट हो जाते हैं। इस संक्रमण के परिणामस्वरूप, तरल सकारात्मक रूप से चार्ज होता है और धातु नकारात्मक रूप से, क्योंकि उस पर इलेक्ट्रॉनों की अधिकता दिखाई देती है। तरल में धातु आयनों का संचय धातु के विघटन को रोकना शुरू कर देता है। एक गतिशील संतुलन स्थापित हो जाता है
मी 0 + एमएच 2 ओ = मी एन + × एम एच 2 ओ + ने -
संतुलन की स्थिति धातु की गतिविधि और घोल में उसके आयनों की सांद्रता दोनों पर निर्भर करती है। हाइड्रोजन तक वोल्टेज श्रृंखला में सक्रिय धातुओं के मामले में, ध्रुवीय पानी के अणुओं के साथ बातचीत सतह से सकारात्मक धातु आयनों के अलग होने और हाइड्रेटेड आयनों के समाधान में संक्रमण के साथ समाप्त होती है (छवि बी)। धातु ऋणावेशित हो जाती है। प्रक्रिया ऑक्सीकरण है. जैसे-जैसे सतह के पास आयनों की सांद्रता बढ़ती है, विपरीत प्रक्रिया संभव हो जाती है - आयनों की कमी। समाधान में धनायनों और सतह पर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण एक विद्युत दोहरी परत बनाता है। इससे धातु और तरल के बीच इंटरफेस पर एक निश्चित संभावित अंतर या संभावित उछाल दिखाई देता है। किसी धातु और उसके आसपास के जलीय वातावरण के बीच उत्पन्न होने वाले संभावित अंतर को कहा जाता है इलेक्ट्रोड क्षमता. जब किसी धातु को उस धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो संतुलन बदल जाता है। विलयन में किसी धातु के आयनों की सांद्रता बढ़ाने से विलयन से धातु में आयनों के संक्रमण की प्रक्रिया आसान हो जाती है। वे धातुएँ जिनके आयनों में घोल में जाने की महत्वपूर्ण क्षमता होती है, ऐसे घोल में सकारात्मक रूप से चार्ज होंगे, लेकिन शुद्ध पानी की तुलना में कुछ हद तक।
निष्क्रिय धातुओं के लिए, घोल में धातु आयनों की संतुलन सांद्रता बहुत कम होती है। यदि ऐसी धातु को इस धातु के नमक के घोल में डुबोया जाता है, तो धनावेशित आयन धातु पर छोड़े जाते हैं उच्च गतिआयन धातु से विलयन में कैसे जाते हैं। धातु की सतह को धनात्मक आवेश प्राप्त होगा, और नमक आयनों की अधिकता के कारण घोल को ऋणात्मक आवेश प्राप्त होगा। और इस मामले में, धातु-समाधान इंटरफ़ेस पर एक इलेक्ट्रिक डबल परत दिखाई देती है, इसलिए एक निश्चित संभावित अंतर (छवि सी)। विचाराधीन मामले में, इलेक्ट्रोड क्षमता सकारात्मक है।
चावल। धातु से विलयन में आयन के संक्रमण की प्रक्रिया:
ए - संतुलन; बी - विघटन; सी – निक्षेपण
प्रत्येक इलेक्ट्रोड की क्षमता धातु की प्रकृति, घोल में उसके आयनों की सांद्रता और तापमान पर निर्भर करती है। यदि किसी धातु को उसके नमक के घोल में डुबाया जाता है जिसमें प्रति 1 डीएम 3 (जिसकी गतिविधि 1 है) में एक मोल धातु आयन होता है, तो इलेक्ट्रोड क्षमता 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान और 1 के दबाव पर एक स्थिर मूल्य होगी। ए.टी.एम. इस क्षमता को कहा जाता है मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (ई ओ).
धनात्मक आवेश वाले धातु आयन, विलयन में प्रवेश करते हैं और धातु-समाधान इंटरफ़ेस के संभावित क्षेत्र में चलते हैं, ऊर्जा खर्च करते हैं। इस ऊर्जा की भरपाई सतह पर आयनों की उच्च सांद्रता से घोल में कम सांद्रता तक इज़ोटेर्मल विस्तार के कार्य द्वारा की जाती है। सकारात्मक आयन सतह परत में सांद्रण तक जमा हो जाते हैं साथ हे, और फिर समाधान में जाएं, जहां मुक्त आयनों की सांद्रता साथ. विद्युत क्षेत्र EnF का कार्य विस्तार RTln(с o /с) के इज़ोटेर्मल कार्य के बराबर है। कार्य की दोनों अभिव्यक्तियों को समान करके, हम क्षमता का परिमाण प्राप्त कर सकते हैं
एन एफ = आरटीएलएन(एस ओ /एस), -ई = आरटीएलएन(एस/एस ओ)/एनएफ,
जहां ई धातु क्षमता है, वी; आर - सार्वभौमिक गैस स्थिरांक, जे/मोल के; टी - तापमान, के; एन - आयन चार्ज; एफ - फैराडे संख्या; सी - मुक्त आयनों की सांद्रता;
सी ओ - सतह परत में आयनों की सांद्रता।
संभावित मूल्य को सीधे मापना संभव नहीं है, क्योंकि प्रयोगात्मक रूप से क्षमता का मूल्य निर्धारित करना असंभव है। मान अनुभवजन्य रूप से निर्धारित होते हैं इलेक्ट्रोड क्षमताअन्य इलेक्ट्रोड के मूल्य के सापेक्ष, जिसकी क्षमता पारंपरिक रूप से शून्य मानी जाती है। ऐसा एक मानक या संदर्भ इलेक्ट्रोड है सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (एन.वी.ई.) . हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड की संरचना चित्र में दिखाई गई है। इसमें इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से जमा प्लैटिनम से लेपित एक प्लैटिनम प्लेट होती है। इलेक्ट्रोड को सल्फ्यूरिक एसिड के 1M घोल में डुबोया जाता है (हाइड्रोजन आयनों की गतिविधि 1 mol/dm3 है) और 101 kPa और T = 298 K के दबाव में हाइड्रोजन गैस की धारा से धोया जाता है। जब प्लैटिनम हाइड्रोजन से संतृप्त होता है , धातु की सतह पर संतुलन स्थापित होता है, समग्र प्रक्रिया समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है
2Н + +2е ↔ Н 2 .
यदि इस धातु के नमक के 1M घोल में डुबोई गई धातु की एक प्लेट एक बाहरी कंडक्टर द्वारा एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से जुड़ी होती है, और समाधान एक इलेक्ट्रोलाइटिक कुंजी से जुड़े होते हैं, तो हमें एक गैल्वेनिक सेल (चित्र 32) प्राप्त होता है। इस गैल्वेनिक सेल की इलेक्ट्रोमोटिव बल की मात्रा होगी किसी दिए गए धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (ई हे ).
मानक इलेक्ट्रोड क्षमता मापने की योजना
हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष
जिंक सल्फेट के 1 एम घोल में जिंक को इलेक्ट्रोड के रूप में लेते हुए और इसे हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से जोड़ने पर, हमें एक गैल्वेनिक सेल प्राप्त होता है, जिसका सर्किट इस प्रकार लिखा जा सकता है:
(-) Zn/Zn 2+ // 2H + /H 2, Pt (+)।
आरेख में, एक रेखा इलेक्ट्रोड और समाधान के बीच इंटरफ़ेस को इंगित करती है, दो रेखाएं समाधान के बीच इंटरफ़ेस को इंगित करती हैं। एनोड बाईं ओर लिखा है, कैथोड दाईं ओर। ऐसे तत्व में, प्रतिक्रिया Zn o + 2H + = Zn 2+ + H 2 होती है, और इलेक्ट्रॉन जस्ता से हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड तक बाहरी सर्किट से गुजरते हैं। जिंक इलेक्ट्रोड के लिए मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (-0.76 V)।
एक तांबे की प्लेट को इलेक्ट्रोड के रूप में लेते हुए, निर्दिष्ट शर्तों के तहत एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के साथ संयोजन में, हम एक गैल्वेनिक सेल प्राप्त करते हैं
(-) पीटी, एच 2 /2एच + //सीयू 2+ /सीयू (+)।
इस स्थिति में, प्रतिक्रिया होती है: Cu 2+ + H 2 = Cu o + 2H +। इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से कॉपर इलेक्ट्रोड तक चलते हैं। कॉपर इलेक्ट्रोड की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (+0.34 V)।
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं (वोल्टेज)। नर्नस्ट समीकरण
धातुओं को उनकी मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करने से, निकोलाई निकोलाइविच बेकेटोव (1827-1911) के वोल्टेज की एक श्रृंखला, या मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की एक श्रृंखला प्राप्त होती है। कई तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण धातुओं के लिए मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के संख्यात्मक मान तालिका में दिए गए हैं।
धातु तनाव रेंज
कई तनाव धातुओं के कुछ गुणों की विशेषता बताते हैं:
1. किसी धातु की इलेक्ट्रोड क्षमता जितनी कम होती है, वह रासायनिक रूप से उतना ही अधिक सक्रिय होता है, उसका ऑक्सीकरण करना उतना ही आसान होता है और उसके आयनों से पुनर्प्राप्त करना उतना ही कठिन होता है। प्रकृति में सक्रिय धातुएँ केवल यौगिकों Na, K, ... के रूप में मौजूद होती हैं, प्रकृति में यौगिकों के रूप में और Cu, Ag, Hg की मुक्त अवस्था में पाई जाती हैं; औ, पं - केवल मुक्त अवस्था में;
2. जिन धातुओं में मैग्नीशियम की तुलना में अधिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है, वे पानी से हाइड्रोजन को विस्थापित करते हैं;
3. हाइड्रोजन तक वोल्टेज श्रृंखला में धातुएँ तनु अम्लों के विलयनों से हाइड्रोजन को विस्थापित करती हैं (जिनके आयन प्रदर्शित नहीं होते हैं) ऑक्सीडेटिव गुण);
4. श्रृंखला की प्रत्येक धातु जो पानी में विघटित नहीं होती है, उन धातुओं को विस्थापित करती है जिनके इलेक्ट्रोड विभव के सकारात्मक मान उनके लवणों के विलयन से अधिक होते हैं;
5. इलेक्ट्रोड विभव के मान में जितनी अधिक धातुएँ भिन्न होती हैं, उतनी ही अधिक होती हैं उच्च मूल्यई.एम.एफ. उनसे एक गैल्वेनिक सेल का निर्माण किया जाएगा।
धातु की प्रकृति, विलयन और तापमान में उसके आयनों की गतिविधि पर इलेक्ट्रोड क्षमता (ई) की निर्भरता नर्नस्ट समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है
ई मी = ई ओ मी + आरटीएलएन(ए मी एन +)/एनएफ,
जहां E o Me धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, और Men + घोल में धातु आयनों की गतिविधि है। 25 डिग्री सेल्सियस के मानक तापमान पर, तनु समाधानों के लिए, गतिविधि (ए) को एकाग्रता (सी) के साथ प्रतिस्थापित करें, प्राकृतिकदशमलव और R, T और F के मानों को प्रतिस्थापित करने पर, हमें प्राप्त होता है
ई मी = ई ओ मी + (0.059/एन)लॉगс।
उदाहरण के लिए, इसके नमक के घोल में रखे गए जिंक इलेक्ट्रोड के लिए, हाइड्रेटेड आयनों Zn 2+ × mH 2 O की सांद्रता आइए, इसे संक्षेप में Zn 2+ कहें
ई Zn = E o Zn + (0.059/n) लॉग[ Zn 2+ ]।
यदि = 1 mol/dm 3, तो E Zn = E o Zn.
गैल्वेनिक सेल, उनका इलेक्ट्रोमोटिव बल
दो धातुएँ अपने लवणों के विलयन में डूबी हुई, एक चालक से जुड़कर, एक गैल्वेनिक सेल बनाती हैं। पहली गैल्वेनिक सेल का आविष्कार अलेक्जेंडर वोल्ट ने 1800 में किया था। सेल में सल्फ्यूरिक एसिड के घोल में भिगोए कपड़े से अलग की गई तांबे और जस्ता की प्लेटें शामिल थीं। जब बड़ी संख्या में प्लेटें श्रृंखला में जुड़ी होती हैं, तो वोल्टा तत्व में एक महत्वपूर्ण इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) होता है।
गैल्वेनिक सेल में विद्युत धारा की घटना ली गई धातुओं की इलेक्ट्रोड क्षमता में अंतर के कारण होती है और इलेक्ट्रोड में होने वाले रासायनिक परिवर्तनों के साथ होती है। आइए कॉपर-जिंक सेल (जे. डैनियल - बी.एस. जैकोबी) के उदाहरण का उपयोग करके गैल्वेनिक सेल के संचालन पर विचार करें।
कॉपर-जिंक डैनियल-जैकोबी गैल्वेनिक सेल का आरेख
जिंक सल्फेट (c = 1 mol/dm 3) के घोल में डुबोए गए जिंक इलेक्ट्रोड पर, जिंक ऑक्सीकरण (जिंक विघटन) Zn o - 2e = Zn 2+ होता है। इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथ में प्रवेश करते हैं। Zn इलेक्ट्रॉनों का एक स्रोत है। इलेक्ट्रॉनों का स्रोत नकारात्मक इलेक्ट्रोड - एनोड माना जाता है। कॉपर सल्फेट घोल (c = 1 mol/dm 3) में डुबोए गए कॉपर इलेक्ट्रोड पर, धातु आयन कम हो जाते हैं। तांबे के परमाणु इलेक्ट्रोड Cu 2+ + 2e = Cu o पर जमा होते हैं। कॉपर इलेक्ट्रोड सकारात्मक है. यह कैथोड है. उसी समय, कुछ SO 4 2- आयन नमक पुल से होकर ZnSO 4 घोल वाले बर्तन में चले जाते हैं . एनोड और कैथोड पर होने वाली प्रक्रियाओं के समीकरणों को जोड़ने पर, हमें कुल समीकरण प्राप्त होता है
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बोरिस सेमेनोविच जैकोबी (मोरित्ज़ हरमन) (1801-1874) |
या आणविक रूप में
यह धातु-समाधान इंटरफ़ेस पर होने वाली एक सामान्य रेडॉक्स प्रतिक्रिया है। गैल्वेनिक सेल की विद्युत ऊर्जा किसके कारण प्राप्त होती है? रासायनिक प्रतिक्रिया. विचारित गैल्वेनिक सेल को एक संक्षिप्त विद्युत रासायनिक सर्किट के रूप में लिखा जा सकता है
(-) Zn/Zn 2+ //Cu 2+ /Cu (+).
गैल्वेनिक सेल के संचालन के लिए एक आवश्यक शर्त संभावित अंतर है, इसे कहा जाता है गैल्वेनिक सेल का इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) . ई.एम.एफ. किसी भी कार्यशील गैल्वेनिक तत्व का सकारात्मक मान होता है। ईएमएफ की गणना करने के लिए. गैल्वेनिक सेल, कम सकारात्मक क्षमता के मूल्य को अधिक सकारात्मक क्षमता के मूल्य से घटाना आवश्यक है। तो ई.एम.एफ. मानक परिस्थितियों में कॉपर-जिंक गैल्वेनिक सेल (t = 25 o C, c = 1 mol/dm 3, P = 1 atm) कॉपर (कैथोड) और जिंक (एनोड) की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के बीच अंतर के बराबर है, कि है
ई.एम.एफ. = ई ओ सी यू 2+ / सीयू - ई ओ जेएन 2+ / जेएन = +0.34 वी – (-0.76 वी) = +1.10 वी.
जब जिंक के साथ जोड़ा जाता है, तो Cu 2+ आयन कम हो जाता है।
ऑपरेशन के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोड क्षमता में अंतर विभिन्न सांद्रता के समान समाधान और समान इलेक्ट्रोड का उपयोग करके बनाया जा सकता है। ऐसे गैल्वेनिक सेल को कहा जाता है एकाग्रता , और यह समाधान की सांद्रता को बराबर करके काम करता है। एक उदाहरण दो हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड से बना एक सेल होगा
पीटी, एच 2 / एच 2 एसओ 4 (एस`) // एच 2 एसओ 4 (एस``) / एच 2, पीटी,
जहाँ c` = `; सी`` = ``।
यदि p = 101 kPa, s`< с``, то его э.д.с. при 25 о С определяется уравнением
ई = 0.059एलजी(एस``/एस`)।
с` = 1 mol-ion/dm 3 ईएमएफ पर। तत्व का निर्धारण दूसरे घोल में हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता से होता है, अर्थात E = 0.059lgс`` = -0.059 pH।
हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता का निर्धारण और, परिणामस्वरूप, ईएमएफ को मापकर माध्यम का पीएच। संबंधित गैल्वेनिक तत्व को पोटेंशियोमेट्री कहा जाता है।
बैटरियों
बैटरियों पुन: प्रयोज्य और प्रतिवर्ती क्रिया की गैल्वेनिक कोशिकाएँ कहलाती हैं। वे डिस्चार्ज के दौरान संचित रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में और विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने में सक्षम हैं, जिससे चार्जिंग के दौरान एक रिजर्व बनता है। चूंकि ई.एम.एफ. बैटरियां छोटी होती हैं; ऑपरेशन के दौरान वे आमतौर पर बैटरियों से जुड़ी होती हैं।
लेड एसिड बैटरी . लेड-एसिड बैटरी में दो छिद्रित लेड प्लेट होते हैं, जिनमें से एक (नकारात्मक) में चार्ज करने के बाद एक भराव होता है - स्पंजी सक्रिय लेड, और दूसरे (पॉजिटिव) में - लेड डाइऑक्साइड। दोनों प्लेटों को 25-30% सल्फ्यूरिक एसिड घोल में डुबोया जाता है (चित्र 35)। बैटरी सर्किट
(-) पीबी/ पी-पी एच 2 एसओ 4 / पीबीओ 2 / पीबी(+) .
चार्ज करने से पहले, कार्बनिक बाइंडर के अलावा, लेड ऑक्साइड पीबीओ युक्त एक पेस्ट को लेड इलेक्ट्रोड के छिद्रों में डाला जाता है। सल्फ्यूरिक एसिड के साथ लेड ऑक्साइड की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रोड प्लेटों के छिद्रों में लेड सल्फेट बनता है
पीबीओ + एच 2 एसओ 4 = पीबीएसओ 4 + एच 2 ओ .
बैटरियों को विद्युत धारा प्रवाहित करके चार्ज किया जाता है
निर्वहन प्रक्रिया
कुल मिलाकर, बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज करते समय होने वाली प्रक्रियाओं को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:
बैटरी चार्ज करते समय इलेक्ट्रोलाइट (सल्फ्यूरिक एसिड) का घनत्व बढ़ जाता है और डिस्चार्ज करते समय कम हो जाता है। इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व बैटरी के डिस्चार्ज की डिग्री निर्धारित करता है। ई.एम.एफ. लीड बैटरी 2.1 V.
लाभलेड-एसिड बैटरी - उच्च विद्युत क्षमता, स्थिर संचालन, बड़ी संख्याचक्र (डिस्चार्ज-चार्ज)। कमियां - बड़ा द्रव्यमानऔर, परिणामस्वरूप, कम विशिष्ट क्षमता, चार्जिंग के दौरान हाइड्रोजन का विकास, और एक केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड समाधान की उपस्थिति में गैर-जकड़न। इस संबंध में क्षारीय बैटरियां बेहतर हैं।
क्षारीय बैटरियां. इनमें टी. एडिसन कैडमियम-निकल और आयरन-निकल बैटरी शामिल हैं।
एडिसन बैटरी और लीड बैटरी सर्किट
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थॉमस एडिसन(1847-1931) |
वे एक-दूसरे के समान हैं। अंतर नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्लेटों की सामग्री में निहित है। पहले मामले में वे कैडमियम हैं, दूसरे में वे लोहा हैं। इलेक्ट्रोलाइट एक KOH समाधान है ω = 20% . महानतम व्यवहारिक महत्वनिकल-कैडमियम बैटरी हैं। कैडमियम-निकल बैटरी आरेख
(-) सीडी/केओएच/नी 2 ओ 3/नी समाधान (+)।
कैडमियम-निकल बैटरी का संचालन Ni 3+ से जुड़ी रेडॉक्स प्रतिक्रिया पर आधारित है
ई.एम.एफ. एक चार्ज निकेल-कैडमियम बैटरी का 1.4 V है।
तालिका एडिसन बैटरी और लीड बैटरी की विशेषताओं को दर्शाती है।
धातु का विद्युत रासायनिक संक्षारण। कैथोडिक सुरक्षा. एनोडिक सुरक्षा. निष्क्रिय सुरक्षा. इलेक्ट्रोड क्षमता - तालिका।
अधिकांश मामलों में, धातु संक्षारण किसी सामग्री के ऑक्सीकरण को संदर्भित करता है। व्यवहार में, सबसे बड़ा नुकसान तथाकथित से होता है। पदार्थ के सक्रिय स्थानांतरण के साथ विद्युत रासायनिक संक्षारण। इलेक्ट्रोलाइट्स (संक्षारण एजेंटों) के संपर्क में आने पर धातु की सतहें इलेक्ट्रोकेमिकल विनाश (जंग) के प्रति संवेदनशील होती हैं। ऐसे एजेंट वायुमंडलीय गैसें हो सकते हैं, जैसे समुद्र, शहर या औद्योगिक हवा (यानी सल्फर डाइऑक्साइड, हाइड्रोजन क्लोराइड और सल्फाइट, आदि) या सक्रिय तरल पदार्थ - नमकीन पानी, क्षार, समुद्र का पानीवगैरह। (उदाहरण के लिए, पसीने से तर हाथ के निशान)।
यदि धातु की सतहों पर संक्षारण एजेंट के संपर्क के परिणामस्वरूप गैल्वेनिक युगल बनता है, तो जोड़े के एक इलेक्ट्रोड से दूसरे इलेक्ट्रोड में पदार्थ का स्थानांतरण कई गुना तेज हो जाता है। संक्षारण दर जोड़ी की इलेक्ट्रोड क्षमता में अंतर से निर्धारित होती है। इस प्रक्रिया का मतलब आमतौर पर बात करते समय होता है विद्युत रासायनिक संक्षारण.
इलेक्ट्रॉन छोड़ने की प्रवृत्ति होने के कारण, नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता के कारण, अधिकांश धातुएँ संक्षारण प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीकरण करती हैं। यदि संरक्षित वस्तु पर एक निश्चित अतिरिक्त सकारात्मक क्षमता लागू की जाती है = वोल्ट के दसवें हिस्से के क्रम की एक निश्चित नकारात्मक क्षमता उस पर बनाए रखी जाती है, तो ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया की संभावना लगभग शून्य हो जाती है। यह विधिजब बात की जाती है तो आमतौर पर सुरक्षा का मतलब होता है कैथोडिक संरक्षण.
यदि कम इलेक्ट्रोड क्षमता वाले पदार्थ की एक निश्चित मात्रा (उदाहरण के लिए, लोहे की रक्षा के लिए जस्ता या मैग्नीशियम) को संभावित संक्षारण के बिंदु पर रखा जाता है, तो उस पर ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया होगी। इस अतिरिक्त के बीच अच्छा विद्युत संपर्क सुनिश्चित किया जाना चाहिए सुरक्षात्मक एनोड(बलि एनोड) और संरक्षित धातु। क्या आपने अनुमान लगाया है कि पाइप गैल्वेनाइज्ड क्यों होते हैं? छत के लिए लोहे की चादरों के बारे में क्या? स्वाभाविक रूप से, जब सुरक्षात्मक एनोड पूरी तरह से घुल जाता है, तो सब कुछ सामान्य हो जाएगा।
अंतर्गत निष्क्रिय सुरक्षागैल्वेनिक सर्किट की घटना को रोकने के लिए ढांकता हुआ के साथ संरक्षित नमूने की कोटिंग को समझें। उदाहरण के लिए, आप किसी धातु संरचना को पेंट कर सकते हैं ऑइल पेन्टवगैरह।
मेज़। कुछ पदार्थों की मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएँ:
| सामग्री | वी में क्षमता | धातु (एम) धातु नहीं (एनएम) |
| लिथियम (Li) | -3.04 | एम |
| पोटेशियम (के) | -2.92 | एम |
| बेरियम (बीए) | -2.90 | एम |
| कैल्शियम (Ca) | -2.87 | एम |
| सोडियम (ना) | -2.71 | एम |
| मैग्नीशियम (एमजी) | -2.36 - -2.37 | एम |
| एल्यूमिनियम (अल) | -1.68 | एम |
| मैंगनीज (एमएन) | -1.18 - -1.19 | एम |
| जिंक (Zn) | -0.76 | एम |
| क्रोमियम(Cr) | -0.74 | एम |
| सल्फर (एस), ठोस | -0.48 - -0.51 | समुद्री मील दूर |
| आयरन (Fe) | -0.41 - -0.44 | एम |
| कैडमियम (सीडी) | -0.40 | एम |
| थैलियम (टीएल) | -0.34 | एम |
| कोबाल्ट (सीओ) | -0.28 | एम |
| निकेल (नी) | -0.23 | एम |
| टिन (एसएन) | -0.14 | एम |
| लीड (पीबी) | -0.13 | एम |
| हाइड्रोजन (2H) | 0.00 | |
| तांबा (घन) | +0.15 | एम |
| आयोडीन (I), ठोस | +0.54 | समुद्री मील दूर |
| चांदी (एजी) | +0.80 | एम |
| पारा (एचजी) | +0.85 | एम |
| ब्रोमीन (Br), तरल | +1.07 | समुद्री मील दूर |
| प्लैटिनम (पीटी) | +1.20 | एम |
| क्लोरीन (Cl), गैस | +1.36 | समुद्री मील दूर |
| सोना (एयू) | +1.50 | एम |
| फ्लोरीन (एफ), गैस | +2.87 | समुद्री मील दूर |
1. किसी धातु की इलेक्ट्रोड क्षमता जितनी कम होती है, वह रासायनिक रूप से उतना ही अधिक सक्रिय होता है, उसका ऑक्सीकरण करना उतना ही आसान होता है और उसके आयनों से पुनर्प्राप्त करना उतना ही कठिन होता है। प्रकृति में सक्रिय धातुएँ केवल यौगिकों Na, K, ... के रूप में मौजूद होती हैं, प्रकृति में यौगिकों के रूप में और Cu, Ag, Hg की मुक्त अवस्था में पाई जाती हैं; औ, पं - केवल मुक्त अवस्था में;
2. जिन धातुओं में मैग्नीशियम की तुलना में अधिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है, वे पानी से हाइड्रोजन को विस्थापित करते हैं;
3. धातुएँ जो हाइड्रोजन से पहले वोल्टेज श्रृंखला में हैं, तनु एसिड के समाधान से हाइड्रोजन को विस्थापित करती हैं (जिनके आयन ऑक्सीकरण गुण प्रदर्शित नहीं करते हैं);
4. श्रृंखला की प्रत्येक धातु जो पानी में विघटित नहीं होती है, उन धातुओं को विस्थापित करती है जिनके इलेक्ट्रोड विभव के सकारात्मक मान उनके लवणों के विलयन से अधिक होते हैं;
5. इलेक्ट्रोड विभव के मान में धातुएँ जितनी अधिक भिन्न होंगी, ईएमएफ मान उतना ही अधिक होगा। उनसे एक गैल्वेनिक सेल का निर्माण किया जाएगा।
धातु की प्रकृति, विलयन और तापमान में उसके आयनों की गतिविधि पर इलेक्ट्रोड क्षमता (ई) की निर्भरता नर्नस्ट समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है
ई मी = ई ओ मी + आरटीएलएन(ए मी एन +)/एनएफ,
जहां E o Me धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, और Men + घोल में धातु आयनों की गतिविधि है। 25 डिग्री सेल्सियस के मानक तापमान पर, पतला समाधान के लिए, गतिविधि (ए) को एकाग्रता (सी) के साथ प्रतिस्थापित करना, दशमलव के साथ प्राकृतिक लघुगणक और आर, टी और एफ के मूल्यों को प्रतिस्थापित करना, हम प्राप्त करते हैं
ई मी = ई ओ मी + (0.059/एन)लॉगс।
उदाहरण के लिए, इसके नमक के घोल में रखे गए जिंक इलेक्ट्रोड के लिए, हाइड्रेटेड आयनों Zn 2+ × mH 2 O की सांद्रता आइए, इसे संक्षेप में Zn 2+ कहें
ई Zn = E o Zn + (0.059/n) लॉग[ Zn 2+ ]।
यदि = 1 mol/dm 3, तो E Zn = E o Zn.
मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के मूल्य के अनुसार, धातुओं को आमतौर पर धातु वोल्टेज की एक श्रृंखला में रखा जाता है: Li+/Li, Rb+/Rb, K+/K, Cs+/Cs, Ba2+/Ba, Sr2+/Sr, Ca2+/Ca, Na+ /Na, Mg2+/Mg, Al3+ /Al, Mn2+/Mn, Zn2+/Zn, Cr3+/Cr, Fe2+/Fe, Cd2+/Cd, Co2+/Co, Ni2+/Ni, Sn2+/Sn, Pb2+/Pb, Fe3+/Fe , 2H+/H2, Sb3+/Sb , Bi3+/Bi, Cu2+/Cu, Hg2+/Hg, Ag+/Ag, Pt2+/Pt, Au+/Au 1. कई वोल्टेज विशेषताएँ... [और पढ़ें]
नर्नस्ट समीकरण मानक इलेक्ट्रोड क्षमता (वोल्टेज) की एक श्रृंखला।
धातुओं को उनकी मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करने से, निकोलाई निकोलाइविच बेकेटोव (1827-1911) के वोल्टेज की एक श्रृंखला, या मानक इलेक्ट्रोड क्षमता की एक श्रृंखला प्राप्त होती है...
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं धातु परमाणुओं की कम करने की क्षमता और उनके आयनों की ऑक्सीकरण क्षमता को मात्रात्मक रूप से दर्शाती हैं। संभव दिशानिस्संदेह, प्रतिक्रिया वही होगी जो गैल्वेनिक सेल में की जाती है।
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की सहज घटना की दिशा के मुद्दे को हल करना संभव बनाती हैं। किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया के सामान्य मामले की तरह, यहां निर्धारण कारक प्रतिक्रिया की गिब्स ऊर्जा में परिवर्तन का संकेत है। लेकिन इसका मतलब यह है कि इनमें से पहला सिस्टम कम करने वाले एजेंट के रूप में कार्य करेगा, और दूसरा ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में कार्य करेगा। पदार्थों की सीधी अंतःक्रिया के साथ, प्रतिक्रिया की संभावित दिशा, निश्चित रूप से वही होगी जो गैल्वेनिक सेल में की जाती है।
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं धातुओं के रासायनिक गुणों की विशेषता बताती हैं।
| मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड.| किसी धातु की मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को मापने के लिए गैल्वेनिक सर्किट। |
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएँ विशेषताएँ हैं रासायनिक गुणधातुओं इसका उपयोग इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान आयन डिस्चार्ज के अनुक्रम पर विचार करते समय, साथ ही धातुओं के सामान्य गुणों का वर्णन करते समय किया जाता है।
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं ऑक्सीकरण और गैर-घटाने वाली प्रतिक्रियाओं की सहज घटना की दिशा के मुद्दे को हल करना संभव बनाती हैं। किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया के सामान्य मामले की तरह, यहां निर्धारण कारक प्रतिक्रिया की आइसोबैरिक क्षमता में परिवर्तन है। लेकिन इसका मतलब यह है कि इनमें से पहला सिस्टम कम करने वाले एजेंट के रूप में कार्य करेगा, और दूसरा - ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में। पदार्थों की सीधी अंतःक्रिया के साथ, प्रतिक्रिया की संभावित दिशा, निश्चित रूप से वही होगी जो गैल्वेनिक सेल में की जाती है।
कई मानक इलेक्ट्रोड क्षमताएं धातुओं के रासायनिक गुणों की विशेषता बताती हैं। इसका उपयोग इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान आयनों के निर्वहन अनुक्रम को निर्धारित करने के साथ-साथ धातुओं के सामान्य गुणों का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इस मामले में, मानक इलेक्ट्रोड क्षमता के मान मात्रात्मक रूप से धातुओं की कम करने की क्षमता और उनके आयनों की ऑक्सीकरण क्षमता को दर्शाते हैं।
ली, के, सीए, ना, एमजी, अल, जेएन, सीआर, फे, पीबी, एच 2 , Cu, Ag, Hg, Au
मानक इलेक्ट्रोड विभवों की श्रृंखला में कोई धातु जितनी बाईं ओर होती है, उसका अपचायक एजेंट उतना ही मजबूत होता है; सबसे मजबूत अपचायक एजेंट लिथियम धातु होता है, सोना सबसे कमजोर होता है, और, इसके विपरीत, सोना (III) आयन सबसे मजबूत ऑक्सीकरण होता है। एजेंट, लिथियम (I) सबसे कमजोर है।
प्रत्येक धातु अपने घोल में मौजूद लवणों से उन धातुओं को कम करने में सक्षम है जो उसके बाद तनाव की श्रृंखला में हैं, उदाहरण के लिए, लोहा अपने लवणों के घोल से तांबे को विस्थापित कर सकता है; हालाँकि, याद रखें कि क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुएँ पानी के साथ सीधे प्रतिक्रिया करेंगी।
हाइड्रोजन के बायीं ओर वोल्टेज श्रृंखला में स्थित धातुएँ तनु अम्लों के विलयनों में घुलकर उन्हें विस्थापित करने में सक्षम होती हैं।
किसी धातु की घटती गतिविधि हमेशा आवर्त सारणी में उसकी स्थिति के अनुरूप नहीं होती है, क्योंकि किसी श्रृंखला में धातु का स्थान निर्धारित करते समय, न केवल इलेक्ट्रॉन दान करने की उसकी क्षमता को ध्यान में रखा जाता है, बल्कि धातु के विनाश पर खर्च की गई ऊर्जा को भी ध्यान में रखा जाता है। धातु की क्रिस्टल जाली, साथ ही आयनों के जलयोजन पर व्यय की गई ऊर्जा।
सरल पदार्थों के साथ अंतःक्रिया
साथ ऑक्सीजन अधिकांश धातुएँ ऑक्साइड बनाती हैं - उभयधर्मी और क्षारीय:
4Li + O 2 = 2Li 2 O,
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3.
लिथियम को छोड़कर क्षार धातुएँ, पेरोक्साइड बनाती हैं:
2Na + O 2 = Na 2 O 2.
साथ हैलोजन धातुएँ हाइड्रोहेलिक अम्ल के लवण बनाती हैं, उदाहरण के लिए,
Cu + सीएल 2 = CuCl 2.
साथ हाइड्रोजन सबसे सक्रिय धातुएँ आयनिक हाइड्राइड बनाती हैं - नमक जैसे पदार्थ जिनमें हाइड्रोजन की ऑक्सीकरण अवस्था -1 होती है।
2Na + H2 = 2NaH.
साथ स्लेटी धातुएँ सल्फाइड बनाती हैं - हाइड्रोजन सल्फाइड एसिड के लवण:
साथ नाइट्रोजन कुछ धातुएँ गर्म होने पर लगभग हमेशा नाइट्राइड बनाती हैं:
3एमजी + एन 2 = एमजी 3 एन 2.
साथ कार्बन कार्बाइड बनते हैं:
4Al + 3C = Al 3 C 4.
साथ फास्फोरस - फॉस्फाइड:
3Ca + 2P = Ca 3 P 2।
धातुएँ एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करके निर्माण कर सकती हैं अंतरधात्विक यौगिक :
2Na + Sb = Na 2 Sb,
3Cu + Au = Cu 3 Au.
धातुएँ उच्च तापमान पर बिना प्रतिक्रिया किए, निर्मित हुए एक-दूसरे में घुल सकती हैं मिश्र.
मिश्र
मिश्र सिस्टम दो या दो से अधिक धातुओं के साथ-साथ धातुओं और गैर-धातुओं से युक्त सिस्टम कहलाते हैं जिनमें केवल धातु अवस्था में निहित विशिष्ट गुण होते हैं।
मिश्र धातुओं के गुण बहुत विविध होते हैं और उनके घटकों के गुणों से भिन्न होते हैं, उदाहरण के लिए, सोने को सख्त बनाने और गहने बनाने के लिए अधिक उपयुक्त बनाने के लिए, इसमें चांदी मिलाया जाता है, और एक मिश्र धातु जिसमें 40% कैडमियम और 60% बिस्मथ होता है इसका गलनांक 144°C है, यानी इसके घटकों के गलनांक (Cd 321°C, Bi 271°C) से बहुत कम।
निम्नलिखित प्रकार की मिश्र धातुएँ संभव हैं:
पिघली हुई धातुएँ किसी भी अनुपात में एक दूसरे के साथ मिश्रित होती हैं, एक दूसरे में अनिश्चित काल तक घुलती रहती हैं, उदाहरण के लिए, Ag-Au, Ag-Cu, Cu-Ni और अन्य। ये मिश्र धातुएं संरचना में सजातीय हैं, उच्च रासायनिक प्रतिरोध रखती हैं, और विद्युत प्रवाह का संचालन करती हैं;
सीधी धातुओं को किसी भी अनुपात में एक दूसरे के साथ मिलाया जाता है, लेकिन ठंडा होने पर वे अलग हो जाते हैं, और एक द्रव्यमान प्राप्त होता है जिसमें घटकों के अलग-अलग क्रिस्टल होते हैं, उदाहरण के लिए, पीबी-एसएन, बीआई-सीडी, एजी-पीबी और अन्य।