• facebook
  • twitter
  • whatsapp
  • telegram

విద్యుత్ రసాయనశాస్త్రం

          రోల్డ్ గోల్డ్ నగల తయారీ, ఎలక్ట్రోప్లేటింగ్, లోహాల సంగ్రహణ, శుద్ధి; మిశ్రమలోహాల తయారీ, కారు బ్యాటరీ, టార్చ్‌లైట్లలో వాడే అనార్ద్రఘటం, NaOH లాంటి సమ్మేళనాల తయారీ, రిడాక్స్ చర్యలు ఇవన్నీ విద్యుత్ రసాయనశాస్త్ర అనువర్తనాలు. విద్యుత్‌శక్తి, రసాయన శక్తుల మధ్య సంబంధాన్ని తెలియజేసేదే విద్యుత్ రసాయనశాస్త్రం. విద్యుత్ వహనం, లోహాల్లో ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం ద్వారా జరిగితే దాన్ని ఎలక్ట్రాన్ విద్యుద్వాహకత అని; గలన లేదా జల, ఆమ్ల, క్షార, లవణ ద్రావణాల ద్వారా జరిగితే విద్యుద్విశ్లేష్యక వాహకత అనీ అంటారు. విద్యుద్విశ్లేష్యకతను కలిగించే పదార్థాలను విద్యుద్విశ్లేష్యక పదార్థాలు అంటారు. బలమైన ఆమ్లాలు, క్షారాలు, లవణ ద్రావణాలు బలమైన విద్యుద్విశ్లేష్యక పదార్థాలు. బలహీనమైన ఆమ్లాలు, క్షారాలు బలహీనమైన విద్యుద్విశ్లేష్యక పదార్థాలు. ఘనస్థితిలో లేదా జలద్రావణ స్థితిలో తమ ద్వారా విద్యుత్‌ను ప్రసరింపజేయలేని పదార్థాలను విద్యుత్ అవిశ్లేష్యక పదార్థాలు అంటారు. 
          విద్యుద్విశ్లేష్యక ద్రావణాలు వాటి ద్వారా ప్రవహించే విద్యుత్‌కు నిరోధాన్ని (R) కలగజేస్తాయి. ఇది l, అంటే రెండు సమాంతర ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య దూరానికి అనులోమానుపాతంలో; a, అంటే ఎలక్ట్రోడ్ అడ్డుకోత వైశాల్యానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది.




 
ద్రావణ, గలన, జలద్రావణ స్థితుల్లో తమ ద్వారా ఎక్కువ విద్యుత్తును ప్రసారం చేసే వాటిని ప్రబల విద్యుద్విశ్లేష్యాలు అని; తక్కువ విద్యుత్తుని ప్రసారం చేస్తే వాటిని దుర్బల విద్యుద్విశ్లేష్యాలు అని; విద్యుత్‌ను అసలు ప్రసారం చెయ్యలేకపోతే విద్యుత్ అవిశ్లేష్యాలు అని అంటారు. గలన, జలద్రావణాల ద్వారా విద్యుత్తును పంపితే ఒక పదార్థం ఘటక మూలకాలుగా విఘటనం చెందే ప్రక్రియను 'విద్యుద్విశ్లేషణం' అంటారు. ఈ ప్రక్రియలో ఆనయాన్‌లు ఆనోడ్ వైపు వెళ్లి ఆక్సీకరణం చెందితే, కాటయాన్లు కాథోడ్ వైపు వెళ్లి క్షయకరణం చెందుతాయి. ఒక మోల్ నీటిని (ఆమ్లీకృత/ క్షారీకృత) జలవిశ్లేషణం చెందించడానికి 2 ఫారడేల విద్యుత్ అవసరం. విద్యుద్విశ్లేషణం చేసి మెగ్నీషియం, సోడియం (కాష్ట్నర్, డౌన్ పద్ధతుల్లో), NaOH (నెల్సన్ ఘటంతో), Cl2 లను తయారు చెయ్యవచ్చు. విద్యుద్విశ్లేషణ జరపడానికి సాధారణంగా ప్లాటినం జడ ఎలక్ట్రోడ్‌లను లేదా లవణాలకు చెందిన జలద్రావణంలో అదే లోహపు కడ్డీలను అంటే ఉత్తేజిత ఎలక్ట్రోడ్‌లను (ఉదా: CuSO4 ద్రావణంలో Cu) ఉపయోగిస్తారు.


* ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద కనీస ఓల్టేజీ ఉన్నప్పుడే అయాన్లు ఆక్సీకరణం లేదా క్షయకరణం చెందగలవు. ఈ కనీస ఓల్టేజీ (డిస్‌ఛార్జ్ పొటెన్షియల్) అయాన్, అయాన్‌కూ మారుతుంటుంది. 
అయాన్ల డిస్‌ఛార్జ్ పొటెన్షియల్ క్రమం కాటయాన్లకు:
Li+< K+< Na+< Ca+2< Mg+2< Al+3< Zn+2< Fe+2< Ni+2< H+< Cu+2< Hg+2< Ag+ < Au+3 
     ఆనయాన్లకు:  SO4-2< NO3- < OH-< Cl -< Br-< I -

ఉదాహరణకు గలన KCl ను విద్యుద్విశ్లేషణ చేస్తే కాథోడ్, ఆనోడ్‌ల వద్ద వరుసగా K & Cl2 లు ఏర్పడతాయి.
       
  KCl జలద్రావణాన్ని విద్యుద్విశ్లేషణం చేస్తే H2, Cl2 ఏర్పడతాయి.
       

విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియను ఫారడే రెండు నియమాల ద్వారా వివరించాడు.
ఫారడే మొదటి నియమం: ఒక విద్యుద్విశ్లేష్య పదార్థం విద్యుద్విశ్లేషణ చెందేటప్పుడు, ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద వెలువడే లేదా కరిగే లేదా నిక్షిప్తమయ్యే పదార్థభారం (m), దాని ద్వారా ప్రవహించే విద్యుత్ పరిమాణానికి (Q) అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
   m

 Q         m  c . t       m = e .c.t
    c = కరెంట్ (ఆంపియర్లలో)   t = కాలం (సెకన్లలో) 
                          
విద్యుత్ రసాయన తుల్యాంకం (e): విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియలో ఒక కులూంబ్ విద్యుత్‌ను పంపినప్పుడు ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద వెలువడే లేదా కరిగే లేదా నిక్షిప్తమయ్యే పదార్థభారం. 
                                      
రసాయన తుల్యాంకం (E): విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియలో 96500 కులూంబ్‌లు (అంటే ఫారడే) విద్యుత్‌ను పంపినప్పుడు ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద వెలువడే లేదా కరిగే లేదా నిక్షిప్తమయ్యే పదార్థభారం.
                                        
ఫారడే (F): ఒక మోల్ ఎలక్ట్రాన్‌లు మోసుకుపోయే విద్యుదావేశ పరిమాణం.
                                       1 ఫారడే = 96500 కులూంబ్‌లు
ఫారడే రెండో నియమం: వరుస శ్రేణిలోని విద్యుద్విశ్లేష్యాలున్న ఘటాల ద్వారా ఒకే పరిమాణంలో విద్యుత్‌ను పంపితే ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద వెలువడే లేదా కరిగే లేదా నిక్షిప్తమయ్యే పదార్థాల భారాలు ఆయా పదార్థాల రసాయన తుల్యాంకభారాలకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటాయి.
                      


నెర్నెస్ట్ సమీకరణం: ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్‌పై విద్యుద్విశ్లేష్య గాఢత ప్రభావాన్ని వివరించడానికి నెర్నెస్ట్ తయారు చేసిన సమీకరణం.
        * కేటయాన్ (లోహ అయాన్) ఎలక్ట్రోడ్‌కు  E = Eo +  log C
        * ఆనయాన్ (అలోహ అయాన్) ఎలక్ట్రోడ్‌కు E = Eo -  log C
పెరుగుతున్న కరెంట్ అవసరాలు, సాంకేతిక విజ్ఞానాభివృద్ధి మూలంగా రకరకాల ఘటాలను ఉపయోగించి విద్యుత్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తున్నారు. ముందుగా ఛార్జి చేయకుండానే విద్యుచ్ఛక్తిని ఉత్పత్తి చేయగల విద్యుత్ రసాయన ఘటాలను ''ప్రైమరీ ఘటాలు'' అంటారు. లెక్లాంచ్ ఘటం, అనార్ద్ర ఘటాలు ఈ కోవకు చెందినవే! ముందుగా ఛార్జింగ్ చెయ్యడం ద్వారా నిల్వచేసిన రసాయనశక్తిని ఉపయోగించి విద్యుచ్ఛక్తిని ఉత్పత్తి చేయగల విద్యుత్ రసాయన ఘటాలను ''సెకండరీ ఘటాలు'' అంటారు. ఎడిసన్ బ్యాటరీ, లెడ్‌స్టోరేజీ బ్యాటరీ దీనికి మంచి ఉదాహరణలు.
           లెక్లాంచ్ ఘటంలో C, MnO2 ల మిశ్రమంలో ఉంచిన కార్బన్ కడ్డీని కాథోడ్‌గా, Zn ఆమాల్గమ్ కడ్డీని ఆనోడ్‌గా, 20% NH4Cl ద్రావణాన్ని విద్యుద్విశ్లేష్యంగా తీసుకుంటారు. అనార్ద్ర ఘటంలో Zn పాత్రను ఆనోడ్‌గా, C, MnO2 మిశ్రమంలో ఉంచిన కార్బన్ కడ్డీని కాథోడ్‌గా, MnO2 ను డీపోలరైజర్‌గా, C, MnO2, NH4Cl, ZnCl2 పేస్టును విద్యుద్విశ్లేష్యంగా తీసుకుంటారు. ఇది లెక్లాంచ్ ఘటానికి రూపాంతరం. దీని వోల్టేజీ 1.5 V.

అనార్ద్ర ఘటంలో జరిగే చర్యలు:
ఆనోడ్ వద్ద: Zn (ఘ)

Zn+2(జ.ద్రా)+ 2e-
కాథోడ్ వద్ద: 2 MnO2(ఘ) + 2 NH+4 (జ.ద్రా) + 2e- Mn2O3 (ఘ) + 2NH3 (వా) + H2O (ద్ర)
                                                       2 NH3+ ZnCl2 [Zn(NH3)2Cl2]
 

గాల్వానిక్ (వోల్టాయిక్) ఘటాలు: రసాయనశక్తిని (రిడాక్స్ చర్య) విద్యుత్‌శక్తిగా మార్చే విద్యుత్ రసాయన ఘటాలు. గాల్వానిక్ ఘటానికి మంచి ఉదాహరణ డేనియల్ ఘటం. ఇది రెండు అర్ధఘటాలు, వాటిని కలిపే లవణ వారధితో తయారవుతుంది. ఎడమ వైపు ఉండే ఆనోడ్ అర్ధఘటం ZnSO4 జలద్రావణంలో ముంచిన Zn కడ్డీ. కుడివైపు ఉండే కాథోడ్ అర్ధఘటం CuSO4 జలద్రావణంలో ముంచిన Cu కడ్డీ. ఈ రెండు అర్ధఘటాలను లవణ వారధి (U ఆకారంలో ఉండే గాజు గొట్టంలోని KCl + అగర్అగర్ జెల్) కలుపుతుంది. ఇది ఆవేశాలను పోగవనీయకుండా చేసి, నిరంతర విద్యుదుత్పత్తికి సాయపడుతుంది.
ఆనోడ్ వద్ద:     Zn  Zn+2 + 2e-                       
కాథోడ్ వద్ద:    Cu+2 + 2e-  Cu
మొత్తం చర్య:  Zn + Cu+2   Cu + Zn+2 

UPAC విధానంలో ఈ చర్యను Zn| Zn+2(జ.ద్రా) || Cu+2(జ.ద్రా)/Cu గా రాస్తారు. || గీతలు లవణ వారధిని సూచిస్తాయి. 
             
     
    గాల్వానిక్ ఘటం విద్యుత్‌చాలక బలం (EMF) = Eకుడి - Eఎడమ
విడి ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ (E): ఎలక్ట్రోడ్‌ని ఏర్పరిచే లోహ లేదా అలోహ రసాయన అనన్యత్వం, ద్రావణంలో అయాన్ల గాఢతల మీద ఆధారపడి ప్రతి విడి ఎలక్ట్రోడ్ ప్రదర్శించే అభిలాక్షణిక పొటెన్షియల్.

ప్రమాణ విడి ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ విలువ (E0): 250C వద్ద లోహ లేదా అలోహ అయాన్ల గాఢత విలువ ఒకటి ఉండే జలద్రావణాల్లో ఎలక్ట్రోడ్ ప్రదర్శించే పొటెన్షియల్ విలువ. 

E0 ను ప్రయోగం ద్వారా నిర్ణయించడానికి, ఒక ఎలక్ట్రోడ్‌ను, ప్రమాణ హైడ్రోజన్ ఎలక్ట్రోడ్ (SHE)తో అనుసంధానించి నిర్ణయిస్తారు.
ఉదా:
Zn| Zn+2 (1 M) || H+ (1 M)/H2
ప్రమాణ హైడ్రోజన్ ఎలక్ట్రోడ్ (SHE): 1 M HCl  ద్రావణంలో ఉంచిన ప్లాటినం ఎలక్ట్రోడ్ పైకి 1 అట్మాస్ఫియర్ పీడనం ఉండే Hవాయువును పంపితే ఏర్పడే ఎలక్ట్రోడ్. దీని ప్రమాణ ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ విలువ సున్నా.
       

S.H.E.ని నిర్దేశిత ఎలక్ట్రోడు (ఆనోడు)గా, రెండో అర్ధఘటాన్ని కాథోడు గానూ తీసుకుంటే, రెండో అర్ధఘటం ప్రమాణ పొటెన్షియల్ తెలుస్తుంది.
       


విద్యుత్ రసాయన శ్రేణి: వివిధ ఎలక్ట్రోడ్‌ల E0 విలువలు పెరిగే క్రమాన్ని సూచించే శ్రేణి. ఈ శ్రేణి నుంచి కొన్ని ఉపయుక్తమైన అభిప్రాయాలను పొందవచ్చు. అవి
* తక్కువ రుణ లేదా ధన E0 ఉండే లోహాన్ని ఎక్కువ రుణ E0 ఉండే లోహం స్థానభ్రంశం చెందిస్తుంది.
* ఎక్కువ రుణధన E0 విలువలు ఉండే లోహాలు మంచి క్షయకరణులు.
* తక్కువ రుణ లేదా అధిక ధన E0 విలువలు ఉండే లోహాలు లేదా అలోహాలు మంచి ఆక్సీకరణులు.
* ఒక లోహం ఆమ్లంతో చర్య జరిపి H2 ను ఇస్తుందాలేదా? (శ్రేణిలో H పైన ఉన్న లోహాలన్నీ H2 ఇస్తాయి.)
* E0ఘటం విలువను కనుక్కోవచ్చు.
* ఘట EMF విలువ ధనాత్మకం అయితే  ఘట చర్య నిరంతరం జరగుతుంది
* మూలకాల యాక్టివిటి తగ్గే క్రమం: K > Ba > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Pb >H > Cu > Hg > Ag > Au. ఇదే క్రమానికి వ్యతిరేక దిశలో లోహాలు ఎలక్ట్రోడ్‌ల వద్ద నిక్షిప్తమవుతాయి.
 * - G0 విలువను లెక్కించవచ్చు.
(- Go - nFEoఘటం). 
* సమతాస్థితి స్థిరాంకం (Kc) ని లెక్కించవచ్చు. Eఘటం = Eoఘటం- 0.0591/n log Kc కేటయాన్, ఆనయాన్ గాఢతల మీద ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్ ఆధారపడే విషయాన్ని నెర్నెస్ట్ సమీకరణం ద్వారా తెలుసుకోవచ్చు.

లెడ్ బ్యాటరీలో జరిగే చర్యలు (డిస్‌ఛార్జ్ జరిగేటప్పుడు):
ఆనోడ్ (స్పాంజి లెడ్) వద్ద:     
Pb + SO4-2  PbSO4 +  2e-
కాథోడ్ (PbO2 పూసిన Pb) వద్ద:     PbO2 + SO4-2 + 4H+ + 2 e-  PbSO4 + 2 H2


ఛార్జింగ్, డిస్ ఛార్జింగ్ జరిగేటప్పుడు చర్య:
       

లెడ్ బ్యాటరీలో ''డబుల్ సల్ఫేషన్'' సిద్ధాంతం ఇమిడి ఉంది. దీన్ని గ్లాస్‌టోన్, ట్రూబే ప్రతిపాదించారు.

మరో ముఖ్యమైన సెకండరీ ఘటం నికెల్ కాడ్మియం ఘటం. దీని జీవితకాలం లెడ్ నిక్షేపఘటం జీవితకాలం కంటే ఎక్కువ. ఈ ఘటం డిస్‌ఛార్జ్ అయ్యేటప్పుడు జరిగే చర్య:

Cd (ఘ) + 2 Ni(OH)3 (ఘ)      CdO (ఘ) + H2O (ద్ర)

  అత్యధిక దక్షతతో, ఎలాంటి కాలుష్యం చెయ్యకుండా, ఇంధనాన్ని దహనం చేయగా వచ్చిన ఉష్ణశక్తిని విద్యుచ్ఛక్తిగా మార్చే ఘటాలను ''ఇంధన ఘటాలు'' అంటారు. మొట్టమొదటి ఇంధన పటాన్ని సర్‌విలియం గ్రూవ్ కనుక్కున్నాడు. ద్రవ, వాయు ఇంధన ఘటాలు ఉన్నాయి. ద్రవ ఇంధన ఘటాల్లో మిథనోల్, ఇథనోల్, ఫార్మాల్డిహైడ్, హైడ్రజీన్‌లను; వాయు ఇంధన ఘటాల్లో H2, O2, CO, ఆల్కేన్లను వాడతారు.

IUPAC విధానంలో ఇంధన ఘటాన్ని రాసే విధానం:
 
   ఇంధనం | ఎలక్ట్రోడ్ | విద్యుద్విశ్లేష్యం | ఎలక్ట్రోడ్ | ఆక్సీకరణి
రోదసీ నౌకల్లో వాడే ఇంధన ఘటాలు విద్యుచ్ఛక్తితోపాటు, నీటిని కూడా ఇస్తాయి. చురుకైన లోహాలు భూమిలో సమ్మేళనాలుగా లభిస్తాయి. ఇలా లోహం ఖనిజంగా (ధాతువుగా) మారిపోవడాన్ని లోహక్షయం అంటారు. ఇనుము తుప్పుగా మారడం, రాగి కిలుము (ఆకుపచ్చ) పట్టడం, వెండి నల్లబారడం (టార్నిషింగ్) ఇవన్నీ లోహక్షయం కిందికే వస్తాయి. గాలి, నీరు, మలినాలు, ఇతర లోహాలు (H2 ఎలక్ట్రోడ్ కంటే ఎక్కువ రుణ పొటెన్షియల్ ఉన్నవి), లోహ స్వభావం, pH, O2 లు లోహక్షయాన్ని ప్రొత్సహిస్తాయి.
         ఏదైనా ఒక లోహం ఆనోడ్ వద్ద ద్రవీకరణం చెందడాన్ని లోహక్షయం అంటారు. 
లోహక్షయంలో H2 వెలువడే రకం, భేదాత్మక ఆక్సీజనీకరణం రకాలున్నాయి. O2 పరిమాణం తక్కువగా ఉంటే ఆ భాగం ఆనోడ్‌గా వ్యవహరించడం వల్ల లోహం క్షయం చెందుతుంది. 
గాలిలో ఉండే ఇనుము కంటే నీటిలో ఉండే ఇనుము త్వరగా తుప్పు పడుతుంది. 
పెయింట్ పూయడం, వేరే లోహాలతో మిశ్రమం చెయ్యడం, అధిక ఆనోడ్ స్వభావం ఉండే లోహంతో
 అనుసంధానం (ఇనుముపై జింక్) అంటే గాల్వనైజేషన్ చెయ్యడం, విద్యుద్వాహకత, యానకాల స్పర్శలను నిరోధించి లోహక్షయాన్ని నివారించవచ్చు.
 ప్రారంభంలో ఒక లోహం గాఢ HNO3 తో చర్య జరిపి, కొంతసేపటికి చర్యారాహిత్య స్థితిని చేరుకోవడాన్ని
 ''లోహ చర్యారాహిత్యం'' అంటారు. Fe, Co, Ni, Mn, Pb, Cr, Mo, W లు లోహ చర్యారాహిత్యాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి. 
కంటికి కనిపించని ఆక్సైడ్ పొర ఏర్పడటమే లోహ చర్యారాహిత్యానికి కారణం, 
లోహ చర్యారాహిత్యంలో రసాయన చర్యారాహిత్యం, 
యాంత్రిక చర్యారాహిత్యం, విద్యుత్ రసాయన చర్యారాహిత్యం అనేరకాలు ఉన్నాయి.

Posted Date : 20-07-2021

గమనిక : ప్రతిభ.ఈనాడు.నెట్‌లో కనిపించే వ్యాపార ప్రకటనలు వివిధ దేశాల్లోని వ్యాపారులు, సంస్థల నుంచి వస్తాయి. మరి కొన్ని ప్రకటనలు పాఠకుల అభిరుచి మేరకు కృత్రిమ మేధస్సు సాంకేతికత సాయంతో ప్రదర్శితమవుతుంటాయి. ఆ ప్రకటనల్లోని ఉత్పత్తులను లేదా సేవలను పాఠకులు స్వయంగా విచారించుకొని, జాగ్రత్తగా పరిశీలించి కొనుక్కోవాలి లేదా వినియోగించుకోవాలి. వాటి నాణ్యత లేదా లోపాలతో ఈనాడు యాజమాన్యానికి ఎలాంటి సంబంధం లేదు. ఈ విషయంలో ఉత్తర ప్రత్యుత్తరాలకు, ఈ-మెయిల్స్ కి, ఇంకా ఇతర రూపాల్లో సమాచార మార్పిడికి తావు లేదు. ఫిర్యాదులు స్వీకరించడం కుదరదు. పాఠకులు గమనించి, సహకరించాలని మనవి.

ప్రత్యేక కథనాలు

మరిన్ని

విద్యా ఉద్యోగ సమాచారం

మరిన్ని
 

లేటెస్ట్ నోటిఫికేష‌న్స్‌