Elektrolīze — darbības princips, mērķis un pielietojums

Elektrolīzes procesi

Elektrolīze ir plaši izplatīta krāsainajā metalurģijā un vairākās ķīmiskās rūpniecības nozarēs. Tādus metālus kā alumīnijs, cinks, magnijs iegūst galvenokārt elektrolīzes ceļā. Turklāt elektrolīzi izmanto vara, niķeļa, svina attīrīšanai (attīrīšanai), kā arī ūdeņraža, skābekļa, hlora un vairāku citu ķīmisku vielu ražošanai.

Elektrolīzes būtība ir vielas daļiņu atdalīšana no elektrolīta, kad tiešā strāva iet caur elektrolītisko vannu, un to nogulsnēšanās uz vannā iegremdētajiem elektrodiem (elektroekstrakcija) vai kad vielas tiek pārnestas no viena elektroda caur elektrolītu uz citu ( elektrolītiskā attīrīšana). Abos gadījumos procesu mērķis ir iegūt pēc iespējas tīrākās vielas, kas nav piesārņotas ar piemaisījumiem.

Turpretī elektroniskā vadītspēja metāli elektrolītos (sāļu, skābju un bāzu šķīdumi ūdenī un dažos citos šķīdinātājos, kā arī kausētajos savienojumos), tiek novērota jonu vadītspēja.

Elektrolīti ir otrās klases vadītāji.Šajos šķīdumos un kausējumos notiek elektrolītiskā disociācija — pozitīvi un negatīvi lādētu jonu sadalīšanās.

Ja elektrodus, kas savienoti ar elektriskās enerģijas avotu, ievieto traukā ar elektrolītu - elektrolizatoru, tad tajā sāks plūst jonu strāva, un pozitīvi lādēti joni - katjoni virzīsies uz katodu (tie galvenokārt ir metāli un ūdeņradis ), un negatīvi lādēti joni — anjoni (hlors, skābeklis) — uz anodu.

Pie anoda anjoni atsakās no lādiņa un kļūst par neitrālām daļiņām, kas nosēžas uz elektroda. Pie katoda katjoni paņem elektronus no elektroda un arī tiek neitralizēti, nosēžoties uz tā, un gāzes, kas izdalās uz elektrodiem burbuļu veidā, paceļas uz augšu.

Rīsi. 1. Procesi elektrolīzes laikā. Elektriskā vannas ķēde: 1 — vanna, 2 — elektrolīts, 3 — anods, 4 — katods, 5 — barošanas avots

Elektriskā strāva ārējā ķēdē ir elektronu kustība no anoda uz katodu (1. att.). Šajā gadījumā šķīdums ir izsmelts, un, lai saglabātu elektrolīzes procesa nepārtrauktību, tas ir jābagātina. Tādā veidā no elektrolīta tiek iegūtas noteiktas vielas (elektroekstrakcija).

Ja anods var izšķīst elektrolītā, jo pēdējais ir noplicināts, tad tā daļiņas, izšķīdinot elektrolītā, iegūst pozitīvu lādiņu un tiek novirzītas uz katodu, uz kura tiek nogulsnēts, tādējādi pārnesot materiālu no anoda uz katodu. . Tā kā process tiek veikts tā, lai anoda metālā esošie piemaisījumi netiktu pārnesti uz katodu, šo procesu sauc par elektrolītisko attīrīšanu.

Ja elektrodu ievieto šķīdumā ar tās pašas vielas joniem, no kuras tas ir izgatavots, tad pie noteikta potenciāla starp elektrodu un šķīdumu ne elektrods nešķīst, ne uz tā no šķīduma nenogulsnējas viela.

Šo potenciālu sauc par vielas parasto potenciālu. Ja elektrodam tiek pielikts negatīvāks potenciāls, tad uz tā sāksies vielas izdalīšanās (katodiskais process), bet, ja tas būs pozitīvāks, tad sāksies tā šķīšana (anodiskais process).

Normālo potenciālu vērtība ir atkarīga no jonu koncentrācijas un temperatūras. Ir vispārpieņemts uzskatīt, ka ūdeņraža normālais potenciāls ir nulle. 1. tabulā parādīti dažu vielu ūdens šķīdumu normālie elektrodu potenciāli + 25 ° C temperatūrā.

1. tabula. Normālie elektrodu potenciāli pie + 25 ° C

Ja elektrolīts satur dažādu metālu jonus, tad vispirms pie katoda tiek atdalīti joni ar zemāku negatīvo normālo potenciālu (varš, sudrabs, svins, niķelis); sārmzemju metālus ir visgrūtāk izolēt. Turklāt ūdens šķīdumos vienmēr ir ūdeņraža joni, kas izdalīsies agrāk nekā visi metāli ar negatīvu normālo potenciālu, tāpēc pēdējo elektrolīzes laikā ievērojama vai pat lielākā daļa enerģijas tiek tērēta ūdeņraža izdalīšanai. .

Ar īpašu pasākumu palīdzību var novērst ūdeņraža izdalīšanos noteiktās robežās, bet metālus ar normālo potenciālu, kas mazāks par 1 V (piemēram, magniju, alumīniju, sārmzemju metālus), nevar iegūt elektrolīzes ceļā no ūdens šķīdums. Tos iegūst, sadaloties šo metālu izkausētajiem sāļiem.

Tabulā norādītie vielu normālie elektrodu potenciāli.1, ir minimālas, pie kurām sākas elektrolīzes process, praksē procesa attīstībai ir nepieciešamas lielas potenciāla vērtības.

Atšķirību starp elektroda faktisko potenciālu elektrolīzes laikā un tā normālo potenciālu sauc par pārspriegumu. Tas palielina enerģijas zudumus elektrolīzes laikā.

No otras puses, palielinot pārspriegumu ūdeņraža joniem, ir grūti atbrīvot to pie katoda, kas ļauj ar elektrolīzi no ūdens šķīdumiem iegūt vairākus metālus, kas ir negatīvāki par ūdeņradi, piemēram, svinu, alvu, niķeli. , kobalts, hroms un pat cinks. Tas tiek panākts, veicot procesu ar palielinātu strāvas blīvumu uz elektrodiem, kā arī ievadot noteiktas vielas elektrolītā.

Katodu un anodisko reakciju norisi elektrolīzes laikā nosaka šādi divi Faradeja likumi.

1. Vielas masa md, kas izdalās elektrolīzes laikā katodā vai tiek novadīta no anoda uz elektrolītu, ir proporcionāla elektroenerģijas daudzumam, kas tiek izvadīts caur elektrolītu Azτ: me = α/τ, šeit a ir vielas elektroķīmiskais ekvivalents. , g/C.

2. Vielas masa, kas izdalās elektrolīzes laikā ar tādu pašu elektroenerģijas daudzumu, ir tieši proporcionāla vielas A atommasai un apgriezti proporcionāla tās valencei n: mNS = A / 96480n, šeit 96480 ir Faradeja skaitlis, C x mol -1.

Tādā veidā vielas elektroķīmiskais ekvivalents α= A / 96480n atspoguļo vielas masu gramos, ko izdala caur elektrolītisko vannu elektroenerģijas vienība — kulons (ampērsekunde).

Varam A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, niķelim α = 0,000304 g / C, cinkam α = 0,00034 g / C

Faktiski izdalītās vielas masa vienmēr ir mazāka par norādīto, kas izskaidrojams ar virkni blakus procesu, kas notiek vannā (piemēram, ūdeņraža izdalīšanās pie katoda), strāvas noplūdi un īssavienojumu starp elektrodiem.

Faktiski izdalītās vielas masas attiecību pret tās masu, kurai vajadzēja izdalīties saskaņā ar Faradeja likumu, sauc par vielas pašreizējo iznākumu η1.

Tāpēc reālam procesam mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Protams, vienmēr η1

Strāvas efektivitāte ir būtiski atkarīga no elektroda strāvas blīvuma. Palielinoties elektrodu strāvas blīvumam, palielinās strāvas efektivitāte un palielinās procesa efektivitāte.

Spriegums Uel, kas jāpiegādā elektrolizatoram, sastāv no: pārrāvuma sprieguma Ep (anodiskās un katoda reakcijas potenciālā starpība), anodiskā un katoda pārspriegumu summas, sprieguma krituma elektrolītā Ep, sprieguma krituma elektrolītā. Ue = IRep (Rep — elektrolītiskā pretestība), sprieguma kritums riepās, kontaktos, elektrodos Uc = I(Rw +Rto +RNS). Mēs iegūstam: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Elektrolīzes laikā patērētā jauda ir vienāda ar: Rel = IUmail = I (Ep + Ep + Ue + Uc)

No šīs jaudas reakcijas veikšanai tiek izmantota tikai pirmā sastāvdaļa, pārējās ir procesa siltuma zudumi. Tikai izkausēto sāļu elektrolīzes laikā tiek lietderīgi izmantota daļa no elektrolītā IUe izdalītā siltuma, jo tas tiek tērēts elektrolizatorā uzlādēto sāļu kausēšanai.

Elektrolīzes vannas efektivitāti var novērtēt pēc vielas masas gramos, kas izdalās uz 1 J patērētās elektroenerģijas.Šo vērtību sauc par vielas enerģijas atdevi, ko var atrast ar izteiksmi qe = (αη1) /Uel100, šeit α — vielas elektroķīmiskais ekvivalents, g / C, η1 — strāvas izvade, Uemail — elektrolīta spriegums. šūna, V.