Elektrolízis – a hatás elve, a cél és az alkalmazás

Elektrolízis folyamatok

Az elektrolízis széles körben elterjedt a színesfémkohászatban és számos vegyiparban. Fémeket, például alumíniumot, cinket, magnéziumot főként elektrolízissel nyernek. Ezenkívül az elektrolízist réz, nikkel, ólom finomítására (tisztítására), valamint hidrogén, oxigén, klór és számos más vegyi anyag előállítására használják.

Az elektrolízis lényege az anyag részecskéinek elválasztása az elektrolittól, amikor egyenáram halad át az elektrolitfürdőn, és lerakódnak a fürdőbe merített elektródákra (elektroextrakció), vagy amikor az anyagok egyik elektródáról az elektroliton keresztül a másikba kerülnek ( elektrolitikus finomítás). Mindkét esetben a folyamatok célja a lehető legtisztább, szennyeződésektől mentes anyagok előállítása.

Ellentétben elektronikus vezetőképesség fémek elektrolitokban (sók, savak és bázisok vízben és néhány más oldószerben készült oldatai, valamint olvadt vegyületekben), ionvezetőképesség figyelhető meg.

Az elektrolitok másodosztályú vezetők.Ezekben az oldatokban és olvadékokban elektrolitikus disszociáció megy végbe - a pozitív és negatív töltésű ionok szétesése.

Ha az elektromos energiaforráshoz csatlakoztatott elektródákat egy elektrolittal ellátott edénybe helyezzük - egy elektrolizátor, akkor ionos áram kezd folyni benne, és pozitív töltésű ionok - kationok mozognak a katódra (ezek elsősorban fémek és hidrogének ), és a negatív töltésű ionok - anionok (klór, oxigén) - az anódhoz.

Az anódon az anionok feladják töltésüket, és semleges részecskékké válnak, amelyek az elektródán ülepednek. A katódon a kationok elektronokat vesznek el az elektródáról, és szintén semlegesítik, leülepednek rajta, és az elektródákon buborékok formájában felszabaduló gázok felemelkednek.

Rizs. 1. Folyamatok az elektrolízis során. Elektromos fürdőkör: 1 — fürdő, 2 — elektrolit, 3 — anód, 4 — katód, 5 — tápegység

Az elektromos áram a külső áramkörben az elektronok mozgása az anódról a katódra (1. ábra). Ebben az esetben az oldat kimerül, és az elektrolízis folyamatának folyamatossága érdekében dúsítani kell. Így vonnak ki bizonyos anyagokat az elektrolitból (elektroextrakció).

Ha az anód fel tud oldódni az elektrolitban, mivel az utóbbi kimerül, akkor az elektrolitban oldódó részecskéi pozitív töltést kapnak, és a katódra irányítódnak, amelyen lerakódnak, ezáltal az anódról az anyag a katódra kerül. . Mivel az eljárást úgy hajtják végre, hogy az anód fémében lévő szennyeződések ne kerüljenek át a katódra, ezt a folyamatot elektrolitikus finomításnak nevezik.

Ha az elektródát olyan oldatba helyezzük, amelyben ugyanaz az anyag ionjai vannak, mint amiből készült, akkor az elektróda és az oldat közötti bizonyos potenciálnál sem az elektróda nem oldódik, sem az oldatból anyag nem rakódik le rá.

Ezt a potenciált az anyag normál potenciáljának nevezzük. Ha negatívabb potenciált alkalmazunk az elektródán, akkor megindul rajta egy anyag felszabadulása (katódos folyamat), ha viszont pozitívabb, akkor megindul az oldódása (anódos folyamat).

A normálpotenciálok értéke az ionkoncentrációtól és a hőmérséklettől függ. Általánosan elfogadott, hogy a hidrogén normálpotenciálját nullának tekintik. Az 1. táblázat az anyagok egyes vizes oldatainak normál elektródpotenciálját mutatja + 25 °C-on.

1. táblázat: Normál elektródpotenciálok + 25 °C-on

Ha az elektrolit különböző fémek ionjait tartalmazza, akkor a katódon először a kisebb negatív normálpotenciálú ionok (réz, ezüst, ólom, nikkel) válnak el; az alkáliföldfémeket a legnehezebb elkülöníteni. Ezenkívül a vizes oldatokban mindig vannak hidrogénionok, amelyek korábban szabadulnak fel, mint az összes negatív normálpotenciálú fém, ezért az utóbbi elektrolízise során az energia jelentős, vagy akár nagy része a hidrogén felszabadulására fordítódik. .

Speciális intézkedések segítségével bizonyos határok között meg lehet akadályozni a hidrogénfejlődést, de 1 V-nál kisebb normálpotenciálú fémek (például magnézium, alumínium, alkáliföldfémek) nem nyerhetők el elektrolízissel vizesoldat. Ezeket a fémek olvadt sóinak lebontásával nyerik.

A táblázatban feltüntetett anyagok normál elektródpotenciáljai.1, minimálisak, amelyeknél az elektrolízis folyamat elkezdődik, a gyakorlatban a potenciál nagy értékei szükségesek a folyamat fejlődéséhez.

Az elektróda elektrolízis közbeni tényleges potenciálja és normálpotenciálja közötti különbséget túlfeszültségnek nevezzük. Növeli az energiaveszteséget az elektrolízis során.

Másrészt a hidrogénionok túlfeszültségének növelése megnehezíti annak felszabadulását a katódon, ami lehetővé teszi, hogy vizes oldatokból elektrolízissel számos, a hidrogénnél negatívabb fémet nyerjenek ki, mint például az ólom, ón, nikkel. , kobalt, króm és még cink is. Ezt úgy érik el, hogy a folyamatot megnövelt áramsűrűség mellett hajtják végre az elektródákon, valamint bizonyos anyagokat juttatnak az elektrolitba.

Az elektrolízis során a katódos és anódos reakciók lefolyását Faraday következő két törvénye határozza meg.

1. A katódban az elektrolízis során felszabaduló, illetve az anódról az elektrolitra átvezetett md anyag tömege arányos az elektroliton áthaladó elektromosság mennyiségével Azτ: me = α/τ, itt a az anyag elektrokémiai egyenértéke , g/C.

2. Az elektrolízis során azonos mennyiségű elektromossággal felszabaduló anyag tömege egyenesen arányos az A anyag atomtömegével és fordítottan arányos n vegyértékével: mNS = A / 96480n, itt 96480 a Faraday-szám, C x mol -1.

Ily módon az α= A / 96480n anyag elektrokémiai ekvivalense egy anyag grammban kifejezett tömegét jelenti, amelyet az elektrolitfürdőn áthaladó elektromosság egységnyi mennyisége – egy coulomb (amper-másodperc) szabadul fel.

Réznél A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g/C, nikkelnél α = 0,000304 g/C, cinknél α = 0,00034 g / C

Valójában a felszabaduló anyag tömege mindig kisebb a jelzettnél, ami a fürdőben számos mellékfolyamattal magyarázható (például hidrogén felszabadulása a katódon), áramszivárgás és az elektródák közötti rövidzárlat.

A ténylegesen felszabaduló anyag tömegének arányát annak tömegéhez, amelynek a Faraday törvénye szerint fel kellett volna szabadulnia, az anyag aktuális hozamának η1 nevezzük.

Ezért egy valós folyamathoz mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Természetesen mindig η1

Az áram hatásfoka jelentősen függ az elektróda áramsűrűségétől. Az elektróda áramsűrűségének növekedésével az áram hatékonysága és a folyamat hatékonysága nő.

Az Uel feszültség, amelyet az elektrolizátorra kell szolgáltatni, a következőkből áll: Ep letörési feszültség (az anódos és katódos reakció potenciálkülönbsége), az anódos és katódos túlfeszültségek összege, az Ep elektrolit feszültségesése, az elektrolit feszültségesése Ue = IRep (Rep – elektrolitikus ellenállás), feszültségesés a gumiabroncsokban, érintkezőkben, elektródákban Uc = I(Rw +Rto +RNS). A következőt kapjuk: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Az elektrolízis során felvett teljesítmény egyenlő: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Ebből a teljesítményből csak az első komponenst használják reakciók lefolytatására, a többi a folyamat hővesztesége. Csak az olvadt sók elektrolízise során hasznosul az IUe elektrolitban felszabaduló hő egy része, mivel azt az elektrolizátorban töltött sók olvasztására fordítják.

Az elektrolizáló fürdő hatásfoka megbecsülhető a felszabaduló anyag tömegével grammban 1 J elfogyasztott villamos energiára.Ezt az értéket egy anyag energiahozamának nevezzük, amely a qe = (αη1) /Uel100 kifejezéssel határozható meg, itt α — anyag elektrokémiai egyenértéke, g / C, η1 — áramkibocsátás, Uemail — elektrolitikus feszültség sejt, V.