ЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕРДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ МЕН ҚОС ЭЛЕКТРЛІК ҚАБАТ ҚҰРЫЛЫМЫНЫҢ ЗАМАНАУИ ЗЕРТТЕЛУІ - Нурмухан Дана, Нуруллаева Макпал

ӘОЖ 544.6.018.4

ЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ ПРОЦЕСТЕРДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ МЕН ҚОС ЭЛЕКТРЛІК ҚАБАТ ҚҰРЫЛЫМЫНЫҢ ЗАМАНАУИ ЗЕРТТЕЛУІ

MODERN STUDY OF THE THEORETICAL FOUNDATIONS OF ELECTROCHEMICAL PROCESSES AND THE STRUCTURE OF THE ELECTRICAL DOUBLE LAYER

 

¹Д.Нурмухан, ¹М.Нуруллаева, ²М.Ақтаева

^1,2 Абай атындағы Қазақ Ұлттық педагогикалық университет, Алматы, Қазақстан

 

АҢДАТПА. Бұл жұмыста электрохимиялық процестердің негізгі заңдылықтары мен теориялық негіздері әдебиеттерге шолу жасау арқылы қарастырылды. Зертте Бұл ғылыми зерттеу жұмысында электрохимиялық процестердің негізгі заңдылықтары мен теориялық негіздері әдебиеттерге шолу жасау арқылы қарастырылды. Зерттеу барысында қос электрлік қабаттың құрылымын сипаттайтын Гельмгольц, Гуи–Чепмен және Штерн модельдерінің ерекшеліктеріне салыстырмалы талдау жасалды. Сонымен қатар гальваникалық элементтердің жұмыс істеу принципі, электр қозғаушы күштің термодинамикалық мәні және Нернст теңдеуінің қолданылу аясы қарастырылды. Электрохимиялық процестерге әсер ететін негізгі факторлардың рөлі анықталып, олардың практикалық маңызы көрсетілді. Тұтастай алғанда, жұмыс электрохимия саласындағы іргелі ұғымдарды теориялық тұрғыдан жүйелеуге бағытталған.

ABSTRACT. This research article examines the fundamental principles and theoretical foundations of electrochemical processes based on a review of scientific literature. The study provides a comparative analysis of the Helmholtz, Gouy–Chapman, and Stern models describing the structure of the electrical double layer. In addition, the operating principles of galvanic cells, the thermodynamic nature of electromotive force, and the application of the Nernst equation are discussed. The role of key factors influencing electrochemical processes is identified, and their practical significance is demonstrated. Overall, the study is aimed at systematizing the fundamental concepts of electrochemistry from a theoretical perspective.

КІЛТ СӨЗДЕР: Электрохимиялық процестер, қос электрлік қабат, гальваникалық элемент, Нернст теңдеуі, электродтық потенциал, потенциометрия, энергия сақтау жүйелері.

KEYWORDS: Electrochemical processes, electrical double layer, galvanic cell, Nernst equation, electrode potential, potentiometry, energy storage systems

 

 

Электрохимия-химиялық және электрлік құбылыстардың өзара байланысын, атап айтқанда, заттардың беткі қабатындағы зарядтардың тасымалдануын зерттейтін іргелі ғылым. Заманауи химиялық технологияда электрохимиялық әдістер заттарды синтездеуде, коррозиядан қорғауда және энергия сақтау құрылғыларын (аккумуляторлар) жасауда шешуші рөл атқарады [1].

Электродтық беттегі процестерді түсіну-микроскопиялық деңгейдегі химиялық реакцияның кинетикасын басқаруға мүмкіндік береді. Электрохимиялық процестердің барлығы дерлік фазааралық шекарада, яғни металл мен электролит ерітіндісі түйіскен жерде өтеді. Бұл жерде зарядтардың қайта таралуы нәтижесінде пайда болатын құрылымды түсіну үшін ғылымда үш негізгі модель қалыптасқан [1].

Герман Гельмгольц ұсынған бұл модель бойынша, электрод бетіндегі зарядтар ерітіндідегі қарама-қарсы таңбалы иондарды (қарсы иондарды) өзіне электрстатикалық күшпен тығыз тартып алады. Зарядтар екі параллель жазықтық түрінде орналасады. Олардың арасындағы қашықтық ионның радиусына тең және өте аз. Физикалық мәні: Бұл жүйе кәдімгі жазық конденсаторға ұқсайды. Потенциал металл бетінен ерітіндіге қарай сызықты түрде төмендейді. Кемшілігі: Модель иондардың жылулық қозғалысын және ерітінді концентрациясының әсерін ескермейді. Сондықтан ол тек жоғары концентрациялы ерітінділерде ғана ішінара шындыққа жанасады [2].

1.Гуи-Чепменнің диффузиялық моделі (1910-1913 жж.)

Француз ғалымы Л. Гуи мен ағылшын физигі Ф. Чепмен бір-біріне тәуелсіз түрде иондардың тек тартылып қана қоймай, жылулық қозғалыс (браундық қозғалыс) әсерінен ерітінді ішіне қарай «шашырап» кететінін дәлелдеді.

• Құрылымы: Электрод бетінде иондар тығыз емес, белгілі бір қашықтыққа дейін сейіліп, диффузиялық бұлт түзеді.
• Физикалық мәні: Потенциалдың төмендеуі бұл жерде сызықты емес, экспоненциалды түрде жүреді. Ерітінді неғұрлым сұйық болса, диффузиялық қабат соғұрлым қалың болады.
• Кемшілігі: Бұл модель иондарды «материалдық нүкте» (өлшемі жоқ) ретінде қарастырды. Бұл өте жоғары потенциалдарда есептеулердің қате шығуына әкелді [1].

2.Штерннің біріктірілген моделі (1924 ж.)

Отто Штерн алдыңғы екі модельді біріктіріп, ең шынайы тұжырымдаманы ұсынды. Ол иондардың шекті өлшемі бар екенін және олардың бетке жақын жерде екі түрлі күйде болатынын көрсетті. Маңызы: Штерн моделі ерітіндінің концентрациясы мен температурасының ҚЭҚ сыйымдылығына әсерін дәл сипаттауға мүмкіндік берді [4].

ҚЭҚ-ның практикалық маңызы

1. Электрохимиялық кинетика: Реакцияның жылдамдығы тікелей ҚЭҚ-ның құрылымына байланысты. Иондардың металл бетіне жақындауы үшін олар осы қабаттағы электр өрісінің кедергісінен өтуі керек.
2. Суперконденсаторлар: Қазіргі заманғы энергия жинақтаушы құрылғылар (ионисторлар) дәл осы ҚЭҚ-ның үлкен сыйымдылығына негізделген. Олардың сыйымдылығы кәдімгі конденсаторлардан миллиондаған есе жоғары [5].
3.  

Ғалымдардың көзқарастарын салыстыру

Модель	Артықшылығы	Кемшілігі
Гельмгольц	Қарапайым, түсінікті	Диффузияны ескермейді
Гуи-Чепмен	Диффузиялық қабатты түсіндіреді	Ион өлшемін ескермейді
Штерн	Ең дәл, кешенді модель	Есептеуі күрделі

 

Гальваникалық элементтер электрохимиялық энергияны электр энергиясына айналдыратын жүйелер болып табылады. Олардың жұмыс істеуі тотығу-тотықсыздану реакцияларына негізделген. Электр қозғаушы күш (ЭҚК) жүйенің максималды кернеуін сипаттайды және ол термодинамикалық параметрлермен байланысты.[3].

Нернст теңдеуі электродтық потенциалдың концентрация мен температураға тәуелділігін сипаттайды және қазіргі аналитикалық химияда кеңінен қолданылады. Бұл теңдеу әсіресе потенциометриялық әдістерде маңызды рөл атқарады. [4].

Соңғы 10 жылдағы зерттеулер электрохимияның жаңа бағыттарын айқындады. Атап айтқанда, суперконденсаторлар, литий-ионды аккумуляторлар және отын элементтері белсенді зерттелуде. Бұл құрылғылардың тиімділігі тікелей ҚЭҚ қасиеттеріне байланысты. [3].

Заманауи зерттеулерге шолу. Қазіргі ғалымдар электрохимияны бірнеше бағытта зерттеуде:

• наноматериалдар негізіндегі электродтар
• энергия сақтау жүйелері
• биосенсорлар
• экологиялық таза технологиялар
• 2015–2025 жылдар аралығындағы ғылыми мақалалар электрохимияның қолданбалы маңызының артқанын көрсетеді.

Бұл ғылыми зерттеу жұмысы электрохимиялық процестердің өзара байланысты күрделі жүйе екенін көрсетті. Қос электрлік қабат құрылымы, гальваникалық элементтердің жұмысы және Нернст теңдеуі бір-бірімен тығыз байланысты. Заманауи зерттеулер электрохимияның болашағы энергия сақтау және жасыл технологиялармен тікелей байланысты екенін дәлелдейді.

 

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі:

1. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. – М.: Металлургия, 1972. – 544 с.
2. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. – М.: Высшая школа, 1984. – 519 с.
3. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. – М.: Высшая школа, 1983. – 400 с.
4. Баешов А.Б. Электрохимия негіздері (Оқулық). – Алматы: Ғылым, 2003. – 320 б.
5. Байкенов М.И. Физикалық химия және электрохимия. – Қарағанды: ҚарМУ, 2010. – 180 б.

 

 

---