Алғы сөз
Бұл оқу құралына кіретін теориялық сұрақтар мен тәжрибелік ұсыныстар болашағы өте үлкен электрохимияға, гальваникалық элементтерге арналады.

Қазір университеттерде электрохимия пәні бойынша «гальваникалық элементтер» және электрқозғаушы күштерінің пайда болу тегі жөнінен студенттердің өздік жұмысын қанағаттандыратын, қазақ тілінде қолтума жыйнағы жоқ.

Оқулықтың негізгі мақсаты, көлемі жағынан негізгі теориялық сұрақтарды қамтитын, гальваникалық элементтер мен электрқозғаушы күштерінің пайда болуы және оларды анықтау жөнінде, студенттердің өздік жұмысын ұйымдастыруда, оқытушының жұмысын жеңілдету болып табылады.

Университеттің химия факультетіне арналған бағдарламаға сәйкес жазылған оқу құралында, теориялық электрохимияның жоғары деңгейіне сай жазылған 8-тарау гальваникалық элементтер, электр қозғаушы күштеріне ғана арналып қоймай, олардың техникада, медицинада, күнделікті өмірде де қолдану мүмкіндіктерін көрсетеді.

Оқу құралының тәжрибелік бөлімінде, жоғарыда көрсетілген теориялық мәліметтер негізінде зертханалық жұмыс жүргізу тәсілдері көрсетіліп, соңында студенттерге жұмыс жоспары, есеп беру үлгілері, бақылау сұрақтары және есеп-жаттығулары беріледі.

Сондықтан, бұл гальваникалық элементтер деп аталатын оқу құралы, университеттің химия факультетінің жоғарғы курс студенттеріне ғана емес, сонымен қатар аспирант, магистрантттарға және оқытушыларға да пайдалы болар деп ойлаймыз.

Оқу құрамында кезіккен қателіктер болып жатса, көңіл бөліп айтқандарыңызға алғыс айтып түзетуге әзірміз.

А В Т О Р

ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ
1 Гальваникалық элементтер және электрқозғаушы күштер
Гальваникалық элементтер дегеніміз – химиялық тотығу – тотықсыздану реакцияларының энергиясын электр энергиясына айналдыратын қондырғы. Қарапайым гальваникалық элемент электролит ерітінділеріне (1 текті өткізгіштер) батырылған кез келген екі металл электродтан тұрады. Көбінде металл өз тұзының ерітіндісіне батырылады. Ерітінділер бір – бірінен кеуекті қалқа арқылы немесе электролиттік көпірше арқылы бөлінеді. Сызба нұсқа түрінде электродты электрохимиялық сызба нұсқа жазады, онда электрод – ерітінді фазалар бөлімінің шекарасы тік сызықпен бөлінген. Мысалы, мырыш және мыс электродтарының (жартылай элемент) электрохимиялық сызба нұсқа:

Zn | ZnSO₄ және Cu | CuSO₄

Екі жартылай элементтерден гальваникалық элемент құрауға болады, мысалы мыс және мырыш. Бұл өткен ғасырдың ортасында орыс физигі Б.С.Якоби мен француз оқымыстысы Даниэль ұсынған алғашқы гальваникалық элементтердің бірі.

Егер мыс купоросының ерітіндісіне металл мырышты батыратын болсақ, онда өздігінен тотығу – тотықсыздану реакциясы жүреді. Электрондар тікелей мырыштан мыс катионына ауысады:

Zn + CuSO₄  ZnSO₄ + Cu + Q

Бұл кезде реакцияның химиялық энергиясы жылу энергиясына айналады. Егер реакцияны Якоби – Даниэль элементінде жүргізсек, ол үшін электродтарды металл өткізгіштермен тұйықтап, онда мырыш электродында тотығу процесі жүреді:

Zn - 2 Zn²⁺

ал мыс электродында – тотықсыздану процесі жүреді:

Cu²⁺ + 2 Cu

Бұл электрохимиялыќ реакциялар өткізгіш арқылы ток жүруін туғызады, яғни гальваникалық элементте химиялық энергия электр энергиясына айналады.

Сөйтіп гальваникалық элементте тотығу-тотықсыздану процестері электродтарда бөлек жүреді, бұл химиялық энергияны электр тогына айналдырып, оны пайдалы жұмысқа пайдалануға (қолдануға) мүмкіндік береді. Электродтарды жалғастыратын өткізгіштің кедергісі неғұрлым көп болса, соғұрлым электродтарда тотығу-тотықсыздану реакциялары баяу жүреді. Реакция өте баяу жүруі үшін және әрбір мезетте электрод және ерітінді арасында тепе-теңдік, яғни реакция қайтымды болуы үшін өте үлкен кедергілі өткізгіш таңдап алынады.

Изотермиялық қайтымды реакцияларда жұмыс максимал болады. Мұндай жағдайда химиялық энергияның біраз бөлігі электр энергиясына айналады. Осы кезде өлшенген электродтар арасындағы потенциалдар айырымы гальваникалық элементтердің Электр Қозғаушы Күші деп аталады (Э.Қ.К.).

2 Диффузиялық потенциал туралы түсінік. Тасымалды және тасымалсыз тізбек
Гальваникалық элемент жұмыс істегенде сол электродтарда мырыштың тотығуы және оң электродта мыс катионының тотықсыздануы нәтижесінде оң жақтағы жартылай элементте аниондарының артық мөлшері, ал сол жағында – оның жетіспеушілігі туады. Яғни элементтің жұмысы оң жақтағы жартылай элементтен солға қарай иондарын тасымалдау. Сондықтан екі жартылай элементтен құралған. Элемент жұмыс істеуі үшін ерітінділер жанасуы қажет. Екі ерітіндіні де электролиті бар кеуекті қалқа немесе жалғағыш көпірше арқылы бөледі. Егер әртүрлі электролиттер немесе бір ерітінді, бірақ әртүрлі концентрациялы жанасса, онда ерітіндінің жанасу шекарасында потенциалдар секірімі пайда болады. Ол диффузиялық потенциал Е_ДИФ деп аталады. Соңғысын дәл анықтау мүмкін емес, сондықтан оны азайтуға тырысады. Диффузиялық потенциалды азайтудың ең қарапайым тәсілі ол ион қозғалғыштығы бірдей ерітіндімен толтырылған (KCl, KNO₃, NH₄Cl, NH₂NO₃) жалғағыш көперше қолдану (тұзды көпірше). Тұзды көпіршелерді толтыру үшін көбінесе KCl қолданылады.

Гальваникалық элементтің электрохимиялық сызба нұсқасында екі ерітіндінің жанасу шекарасындағы диффузиялық потенциалдың азаюын (іс жүзінде нөлге тең) екі тік сызықпен, ал жойылмаса бір сынық сызықпен белгілейді:

Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu,

Zn | ZnSO₄ | CuSO₄ | Cu.

Әр түрлі электролит ерітінділері немесе әр түрлі концентрациялы бірдей ерітінділер жанасса және бір жартылай элементтен екіншісіне иондар тасымалдануы болатын гальваникалық элемент тасымалды тізбек деп аталады. Яғни Якоби – Даниэль элементі тасымалды тізбекке жатады.

Диффузиялық потенциалы жоқ гальваникалық элемент құруға болады, мұнда ерітінділердің жанасу беті болмайды, себебі екі электродта бір электролит ерітіндісіне батырылған. Мысалы, Pt, H₂│HCl│AgCl, Ag.

Бұл электрод – сутектік – катионмен салыстырғанда, ал хлоркүміс электроды анионмен салыстырғанда қайтымды, электролиттің сол ерітіндісінде. Бұндай гальваникалық элементтер тасымалсыз тізбек деп аталады. Электролит ерітіндісінің қасиетін зерттеуде тасымалсыз тізбек қолданылады, себебі олардың ЭҚК – і тек ерітіндідегі иондардың активтілігіне тәуелді. Бұл элементтер иондардың активтілік коэффициентін анықтау үшін қолданылады.