Elektrolizė – veikimo principas, paskirtis ir pritaikymas

Elektrolizės procesai

Elektrolizė plačiai paplitusi spalvotųjų metalų metalurgijoje ir daugelyje chemijos pramonės šakų. Metalai, tokie kaip aliuminis, cinkas, magnis, daugiausia gaunami elektrolizės būdu. Be to, elektrolizė naudojama gryninant (išgryninant) varį, nikelį, šviną, taip pat vandenilį, deguonį, chlorą ir daugybę kitų cheminių medžiagų.

Elektrolizės esmė yra medžiagos dalelių atskyrimas nuo elektrolito, kai per elektrolitinę vonią teka nuolatinė srovė, ir jų nusodinimas ant elektrodų, panardintų į vonią (elektroekstrakcija) arba kai medžiagos perkeliamos iš vieno elektrodo per elektrolitą į kitą ( elektrolitinis rafinavimas). Abiem atvejais procesų tikslas – gauti kuo grynesnes medžiagas, kurios nebūtų užterštos priemaišomis.

Priešingai elektroninis laidumas metalai elektrolituose (druskų, rūgščių ir bazių tirpalai vandenyje ir kai kuriuose kituose tirpikliuose, taip pat išlydytuose junginiuose), stebimas joninis laidumas.

Elektrolitai yra antros klasės laidininkai.Šiuose tirpaluose ir lydaluose vyksta elektrolitinė disociacija – teigiamai ir neigiamai įkrautų jonų irimas.

Jei elektrodai, prijungti prie elektros energijos šaltinio, dedami į indą su elektrolitu - elektrolizatoriumi, tada jame pradės tekėti jonų srovė, o teigiamai įkrauti jonai - katijonai judės į katodą (tai daugiausia metalai ir vandenilis ), o neigiamo krūvio jonai – anijonai (chloras, deguonis) – į anodą.

Prie anodo anijonai atsisako savo krūvio ir tampa neutraliomis dalelėmis, kurios nusėda ant elektrodo. Prie katodo katijonai paima elektronus iš elektrodo ir taip pat neutralizuojami, nusėda ant jo, o ant elektrodų išsiskiriančios dujos burbuliukų pavidalu pakyla aukštyn.

Ryžiai. 1. Procesai elektrolizės metu. Vonios elektros grandinė: 1 — vonia, 2 — elektrolitas, 3 — anodas, 4 — katodas, 5 — maitinimo šaltinis

Elektros srovė išorinėje grandinėje – tai elektronų judėjimas nuo anodo iki katodo (1 pav.). Tokiu atveju tirpalas yra išeikvotas, o norint išlaikyti elektrolizės proceso tęstinumą, jis turi būti praturtintas. Taip iš elektrolito išgaunamos tam tikros medžiagos (elektroekstrakcija).

Jei anodas gali ištirpti elektrolite, nes pastarasis yra išeikvotas, tada jo dalelės, ištirpusios elektrolite, įgauna teigiamą krūvį ir nukreipiamos į katodą, ant kurio nusėda, taip perkeldamos medžiagą iš anodo į katodą. . Kadangi procesas atliekamas taip, kad priemaišos, esančios anodo metale, nepatektų į katodą, šis procesas vadinamas elektrolitiniu rafinavimu.

Jei elektrodas dedamas į tirpalą su tos pačios medžiagos jonais, iš kurios jis pagamintas, tai esant tam tikram potencialui tarp elektrodo ir tirpalo nei elektrodas netirpsta, nei medžiaga ant jo nenusėda iš tirpalo.

Šis potencialas vadinamas normaliu medžiagos potencialu. Jei elektrodui taikomas neigiamesnis potencialas, tada ant jo prasidės medžiagos išsiskyrimas (katodinis procesas), o jei jis bus teigiamas, prasidės jo tirpimas (anodinis procesas).

Normaliųjų potencialų reikšmė priklauso nuo jonų koncentracijos ir temperatūros. Visuotinai priimta manyti, kad normalus vandenilio potencialas yra lygus nuliui. 1 lentelėje parodyti kai kurių vandeninių medžiagų tirpalų normalūs elektrodų potencialai esant + 25 °C temperatūrai.

1 lentelė. Normalūs elektrodų potencialai esant + 25 °C

Jei elektrolite yra skirtingų metalų jonų, tai prie katodo pirmiausia atskiriami jonai, turintys mažesnį neigiamą normalųjį potencialą (varis, sidabras, švinas, nikelis); šarminių žemių metalus išskirti sunkiausia. Be to, vandeniniuose tirpaluose visada yra vandenilio jonų, kurie išsiskirs anksčiau nei visi metalai, turintys neigiamą normalų potencialą, todėl pastarųjų elektrolizės metu nemaža ar net didžioji energijos dalis sunaudojama vandenilio išsiskyrimui. .

Specialiomis priemonėmis galima užkirsti kelią vandenilio išsiskyrimui tam tikrose ribose, tačiau metalų, kurių normalus potencialas mažesnis nei 1 V (pavyzdžiui, magnis, aliuminis, šarminių žemių metalai), negalima gauti elektrolizės būdu iš vandeninis tirpalas. Jie gaunami skaidant šių metalų išlydytas druskas.

Lentelėje nurodyti normalūs medžiagų elektrodų potencialai.1, yra minimalūs, kai prasideda elektrolizės procesas, praktiškai proceso plėtrai reikalingos didelės potencialo vertės.

Skirtumas tarp tikrojo elektrodo potencialo elektrolizės metu ir jo normalaus potencialo vadinamas viršįtampiu. Tai padidina energijos nuostolius elektrolizės metu.

Kita vertus, padidinus vandenilio jonų viršįtampą, jį sunku išleisti prie katodo, todėl elektrolizės būdu iš vandeninių tirpalų galima gauti daugybę metalų, kurie yra neigiamesni už vandenilį, pavyzdžiui, švino, alavo, nikelio. , kobalto, chromo ir net cinko. Tai pasiekiama vykdant procesą esant padidintam srovės tankiui ant elektrodų, taip pat į elektrolitą įvedant tam tikras medžiagas.

Katodinių ir anodinių reakcijų eigą elektrolizės metu lemia du Faradėjaus dėsniai.

1. Medžiagos md masė, išsiskirianti elektrolizės metu katode arba perduodama iš anodo į elektrolitą, yra proporcinga elektros energijos kiekiui, praleistam per elektrolitą Azτ: me = α/τ, čia a yra medžiagos elektrocheminis ekvivalentas. , g/C.

2. Medžiagos, išsiskiriančios elektrolizės metu su tuo pačiu elektros kiekiu, masė yra tiesiogiai proporcinga medžiagos A atominei masei ir atvirkščiai proporcinga jos valentui n: mNS = A / 96480n, čia 96480 yra Faradėjaus skaičius, C x mol -1.

Tokiu būdu medžiagos elektrocheminis ekvivalentas α= A / 96480n parodo medžiagos masę gramais, kurią išskiria vienetinis elektros kiekis, praeinantis per elektrolitinę vonią – kuloną (ampersekundę).

Vario A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, nikelio α = 0,000304 g / C, cinko α = 0,00034 g / C

Tiesą sakant, išsiskiriančios medžiagos masė visada yra mažesnė nei nurodyta, o tai paaiškinama daugybe šalutinių procesų, vykstančių vonioje (pavyzdžiui, vandenilio išsiskyrimu katode), srovės nuotėkiu ir trumpuoju jungimu tarp elektrodų.

Faktiškai išsiskiriančios medžiagos masės ir jos masės, kuri turėjo išsiskirti pagal Faradėjaus dėsnį, santykis vadinamas dabartine medžiagos išeiga η1.

Todėl realiam procesui mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Natūralu, kad visada η1

Srovės efektyvumas labai priklauso nuo elektrodo srovės tankio. Didėjant elektrodo srovės tankiui, didėja srovės efektyvumas ir didėja proceso efektyvumas.

Įtampa Uel, kuri turi būti tiekiama į elektrolizatorių, susideda iš: gedimo įtampos Ep (anodinės ir katodinės reakcijos potencialų skirtumo), anodinių ir katodinių viršįtampių sumos, įtampos kritimo elektrolite Ep, įtampos kritimo elektrolite. Ue = IRep (Rep — elektrolitinis pasipriešinimas), įtampos kritimas padangose, kontaktuose, elektroduose Uc = I(Rw +Rto +RNS). Gauname: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Elektrolizės metu sunaudota galia lygi: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Iš šios galios tik pirmasis komponentas naudojamas reakcijoms vykdyti, likusieji yra proceso šilumos nuostoliai. Tik išlydytų druskų elektrolizės metu dalis IUe elektrolite išsiskiriančios šilumos panaudojama naudingai, nes ji sunaudojama elektrolizatoriuje įkrautų druskų lydymui.

Elektrolizės vonios efektyvumą galima įvertinti pagal medžiagos masę gramais, išsiskiriančią 1 J sunaudotos elektros energijos.Ši reikšmė vadinama medžiagos energijos išeiga, kurią galima rasti pagal išraišką qe = (αη1) /Uel100, čia α — medžiagos elektrocheminis ekvivalentas, g / C, η1 — srovės išeiga, Uemail — elektrolizės įtampa. kamera, V.