Цахилгаан химийн талаархи танилцуулга
Цахилгаан хими бол цахилгаан ба химийн урвалын хоорондын хамаарлыг судалдаг химийн нэг салбар юм. Химийн энерги нь цахилгаан энерги болон эсрэгээр хэрхэн хувирч байгааг судалдаг. Электрохимийн гол цөм нь химийн урвалаас цахилгаан эрчим хүч үүсгэх эсвэл цахилгаан энергийг нэвтрүүлэх замаар химийн урвалыг хөнгөвчлөх чадвартай цахилгаан химийн эсүүд юм. Редокс урвалын тухай ойлголт
Электрохимийн үндэс нь исэлдэх-бууруулах урвалд оршдог. Эдгээр нь нэг бодис электроноо алддаг (исэлдэлт), нөгөө нь электрон авдаг (багасгах) процессууд юм. Үүнийг санах хялбар арга бол: - Исэлдэлт бол алдагдал (электронуудын), Reduction бол олз (электронуудын) - товчилсон нэрээр OIL RIG. Жишээлбэл, төмрийн исэлдэлт нь хүчилтөрөгчтэй урвалд орж зэв үүсгэдэг: \( 4Fe + 3O 2 \rightarrow 2Fe 2O_3 \) Энд төмөр (Fe) хүчилтөрөгч (O2) болж электроноо алдаж, исэлдэхэд хүргэдэг, харин хүчилтөрөгч нь багасдаг. Цахилгаан химийн эсүүд
Электрохимийн эсүүдийг хоёр үндсэн төрөлд хуваадаг: гальваник (эсвэл вольт) эсүүд ба электролитийн эсүүд. Тэд хоёулаа исэлдэлтийн урвалыг хөнгөвчлөх боловч үндсэндээ эсрэгээр ажилладаг. Галваник эсүүд
Галваник эсүүд нь аяндаа үүсэх исэлдэлтийн урвалаар химийн энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Эдгээр нь давсны гүүрээр холбогдсон электролитийн уусмалд дүрэгдсэн хоёр өөр металлаас (электрод) бүрдэнэ. Анодоос катод руу (исэлдэлт үүсдэг) гадаад хэлхээгээр дамжин электронуудын урсгал нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Гальваник эсийн сонгодог жишээ бол цайрын сульфатын уусмал дахь цайрын электрод, зэсийн сульфатын уусмал дахь зэс электродыг агуулсан Daniell эс юм. Хагас урвалууд нь: - Анод (исэлдэлт): \(Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}\) - Катод (бууруулах): \(Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu\) Эсийн ерөнхий урвал нь: \( Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu \) Электролитийн эсүүд
Гальваник эсүүдээс ялгаатай нь электролитийн эсүүд нь аяндаа үүсдэггүй химийн урвалыг явуулахын тулд цахилгаан энергийг ашигладаг. Эдгээр эсүүд нь хоёр электрод, электролиттэй боловч ажиллахын тулд гаднах хүчдэл шаарддаг. Эдгээрийг цахилгаанаар бүрэх, усны электролиз, янз бүрийн үйлдвэрлэлийн процесст өргөн ашигладаг. Жишээлбэл, усны электролизийн үр дүнд устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн хий үүсдэг: \( 2H 2O(l) \rightarrow 2H 2(g) + O_2(g) \) Катод дээр ус багасаж устөрөгчийн хий үүсгэдэг: \( 2H 2O(l) + 2e^{-} \rightarrow H 2(g) + 2OH^{-}(aq) \) Анод дээр ус исэлдэж хүчилтөрөгчийн хий үүсгэдэг: \( 2H 2O(l) \rightarrow O 2(g) + 4H^{+}(aq) + 4e^{-} \) Нернст тэгшитгэл
Нернстийн тэгшитгэл нь ямар ч нөхцөлд цахилгаан химийн эсийн потенциалыг тооцоолох аргыг өгдөг. Энэ нь стандарт электродын потенциал, температур, урвалд орох бодис ба бүтээгдэхүүний концентраци (эсвэл даралт) зэргийг харгалзан үздэг. Тэгшитгэлийг өгөгдсөн: \( E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q \) Энд: - \(E\) нь стандарт бус нөхцөлд эсийн потенциал, - \(E^\circ\) ) \(E^\circ\) нь эсийн стандарт потенциал, - \(R\) нь хийн тогтмол (8.314 Ж/(моль·К)), - \(T\) нь Кельвин дэх температур, - \(n\) нь дамжуулагдсан электроны моль тоо, - \(F\) нь Фарадей тогтмол (96485 С/моль), - \(Q\) нь урвалын коэффициент бөгөөд энэ нь бүтээгдэхүүний концентрацийг урвалд орох бодисын концентрацид харьцуулсан харьцаа юм. Электрохимийн хэрэглээ
Электрохими нь янз бүрийн салбарт өргөн хүрээний хэрэглээтэй: - Батерей: Тоглоомоос эхлээд машин хүртэл бүх зүйлийг тэжээдэг зөөврийн эрчим хүчний эх үүсвэрүүд. - Түлшний эсүүд: Хүчилтөрөгч эсвэл өөр исэлдүүлэгч бодистой химийн урвалын дүнд түлшнээс химийн энергийг цахилгаан болгон хувиргадаг төхөөрөмж. - Зэврэлтээс урьдчилан сэргийлэх: Металл дээр хамгаалалтын бүрхүүл түрхэх эсвэл тахилын анод ашиглах нь исэлдэлтийн хор хөнөөлтэй үйл явцаас сэргийлнэ. - Цахилгаанаар бүрэх: Цахилгаан гүйдэл ашиглан объектыг нимгэн металлаар бүрэх үйл явц. - Ус цэвэршүүлэх: Цахилгаан химийн процесс нь уснаас бохирдол, бохирдлыг арилгах боломжтой. Байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл ба ирээдүйн хэтийн төлөв
Цахилгаан хими нь эрчим хүч хуримтлуулах, үйлдвэрлэлийн янз бүрийн процессуудад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг ч хүнд металлын бохирдол, ашигласан батерей, цахилгаан химийн төхөөрөмжийг устгах зэрэг байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөлтэй холбоотой сорилтуудтай тулгардаг. Цахилгаан химийн судалгааны цаашдын чиглэлүүд нь илүү тогтвортой, байгаль орчинд ээлтэй технологи, тэр дундаа өндөр үр ашигтай, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл багатай дэвшилтэт батерей, уур амьсгалын өөрчлөлттэй тэмцэх CO2-ыг бууруулах аргуудыг хөгжүүлэхэд чиглэгддэг. Үргэлжлүүлэн инноваци, судалгаа хийснээр цахилгаан хими нь цэвэр эрчим хүч, байгаль орчныг хамгаалах, технологийн өргөн хүрээний хэрэглээнд томоохон ахиц дэвшлийг амлаж байна.
