Elektrolüüs — toimepõhimõte, eesmärk ja rakendus

Elektrolüüsi protsessid

Elektrolüüs on laialt levinud värvilise metalli metallurgias ja paljudes keemiatööstuses. Metalle nagu alumiinium, tsink, magneesium saadakse peamiselt elektrolüüsi teel. Lisaks kasutatakse elektrolüüsi vase, nikli, plii rafineerimiseks (puhastamiseks), samuti vesiniku, hapniku, kloori ja mitmete muude kemikaalide tootmiseks.

Elektrolüüsi olemus seisneb aineosakeste eraldamises elektrolüüdist, kui alalisvool läbib elektrolüütivanni ja nende sadestumine vanni sukeldatud elektroodidele (elektroekstraktsioon) või kui ained kantakse ühelt elektroodilt läbi elektrolüüdi teise ( elektrolüütiline rafineerimine). Mõlemal juhul on protsesside eesmärk saada võimalikult puhtaid aineid, mis ei ole lisanditega saastunud.

Seevastu elektrooniline juhtivus metallid elektrolüütides (soolade, hapete ja aluste lahused vees ja mõnedes teistes lahustites, samuti sulaühendites), täheldatakse ioonjuhtivust.

Elektrolüüdid on teise klassi juhid.Nendes lahustes ja sulamites toimub elektrolüütiline dissotsiatsioon — positiivselt ja negatiivselt laetud ioonide lagunemine.

Kui elektrienergia allikaga ühendatud elektroodid asetatakse elektrolüüdiga anumasse - elektrolüsaatorisse, siis hakkab selles voolama ioonvool ja positiivselt laetud ioonid - katioonid liiguvad katoodile (need on peamiselt metallid ja vesinik). ) ja negatiivselt laetud ioonid - anioonid (kloor, hapnik) - anoodile.

Anoodil loobuvad anioonid oma laengust ja muutuvad neutraalseteks osakesteks, mis settivad elektroodile. Katoodil võtavad katioonid elektroodilt elektrone ja neutraliseeritakse ka, settides sellele ning elektroodidele mullidena eralduvad gaasid tõusevad üles.

Riis. 1. Protsessid elektrolüüsi ajal. Vanni elektriahel: 1 — vann, 2 — elektrolüüt, 3 — anood, 4 — katood, 5 — toiteallikas

Välisahelas olev elektrivool on elektronide liikumine anoodilt katoodile (joonis 1). Sel juhul on lahus ammendatud ja elektrolüüsiprotsessi järjepidevuse säilitamiseks tuleb seda rikastada. Nii ekstraheeritakse elektrolüüdist teatud aineid (elektroekstraktsioon).

Kui anood võib elektrolüüdis lahustuda, kuna viimane on ammendunud, omandavad selle elektrolüüdis lahustuvad osakesed positiivse laengu ja suunatakse katoodile, millele nad sadestuvad, kandes seeläbi materjali anoodilt katoodile. . Kuna protsess viiakse läbi nii, et anoodi metallis sisalduvad lisandid ei kandu üle katoodile, nimetatakse seda protsessi elektrolüütiliseks rafineerimiseks.

Kui elektrood asetada lahusesse sama aine ioonidega, millest see on valmistatud, siis teatud elektroodi ja lahuse vahelise potentsiaali juures ei lahustu elektrood ega ladestu sellele lahusest ainet.

Seda potentsiaali nimetatakse aine normaalseks potentsiaaliks. Kui elektroodile rakendatakse negatiivsemat potentsiaali, siis algab sellel aine vabanemine (katoodprotsess), kui aga positiivsem, siis selle lahustumine (anoodne protsess).

Normaalpotentsiaalide väärtus sõltub ioonide kontsentratsioonist ja temperatuurist. Üldiselt aktsepteeritakse, et vesiniku normaalne potentsiaal on null. Tabelis 1 on näidatud mõnede ainete vesilahuse normaalsed elektroodide potentsiaalid temperatuuril + 25 ° C.

Tabel 1. Elektroodide normaalsed potentsiaalid temperatuuril + 25 ° C

Kui elektrolüüt sisaldab erinevate metallide ioone, siis katoodil eraldatakse kõigepealt madalama negatiivse normaalpotentsiaaliga ioonid (vask, hõbe, plii, nikkel); leelismuldmetalle on kõige raskem eraldada. Lisaks on vesilahustes alati vesinikioone, mis vabanevad varem kui kõik negatiivse normaalpotentsiaaliga metallid, mistõttu viimaste elektrolüüsi käigus kulub märkimisväärne või isegi suurem osa energiast vesiniku vabanemisele. .

Erimeetmete abil on võimalik teatud piirides vesiniku eraldumist takistada, kuid alla 1 V normaalpotentsiaaliga metalle (näiteks magneesium, alumiinium, leelismuldmetallid) ei saa elektrolüüsi teel. vesilahus. Need saadakse nende metallide sulasoolade lagundamisel.

Tabelis näidatud ainete normaalsed elektroodide potentsiaalid.1, on elektrolüüsiprotsessi alguseks minimaalsed, praktikas on protsessi arendamiseks vaja suuri potentsiaali väärtusi.

Elektrolüüsi ajal tekkiva elektroodi tegeliku potentsiaali ja selle normaalse potentsiaali erinevust nimetatakse ülepingeks. See suurendab elektrolüüsi ajal energiakadusid.

Teisest küljest raskendab vesinikioonide liigpinge suurendamine selle vabastamist katoodil, mis võimaldab saada vesilahustest elektrolüüsi teel mitmeid vesinikust negatiivsemaid metalle, nagu plii, tina, nikkel. , koobalt, kroom ja isegi tsink. See saavutatakse protsessi läbiviimisel elektroodide suurenenud voolutihedusega, samuti teatud ainete sisestamisega elektrolüüti.

Katood- ja anoodireaktsioonide kulg elektrolüüsi ajal määratakse kahe järgmise Faraday seadusega.

1. Katoodil elektrolüüsi käigus vabanenud või anoodilt elektrolüüti juhitud aine mass md on võrdeline elektrolüüdi läbinud elektrihulgaga Azτ: me = α/τ, siin a on aine elektrokeemiline ekvivalent , g/C.

2. Elektrolüüsil vabaneva aine mass sama koguse elektriga on otseselt võrdeline aine A aatommassiga ja pöördvõrdeline selle valentsiga n: mNS = A / 96480n, siin 96480 on Faraday arv, C x mol -1.

Sel viisil tähistab aine elektrokeemiline ekvivalent α= A / 96480n aine massi grammides, mis vabaneb elektrolüütivanni läbiva elektrienergia ühikuhulgast — kulonist (ampersekund).

Vase puhul A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, nikli puhul α = 0,000304 g / C, tsingi puhul α = 0,00034 g / C

Tegelikult on eralduva aine mass alati näidatust väiksem, mis on seletatav mitmete vannis toimuvate kõrvalprotsessidega (näiteks vesiniku vabanemine katoodil), voolulekke ja elektroodide vahelise lühisega.

Tegelikult eralduva aine massi ja selle massi suhet, mis Faraday seaduse järgi oleks pidanud eralduma, nimetatakse aine hetkesaagiseks η1.

Seetõttu reaalse protsessi jaoks mNS = η1 NS (A / 96480n) NS See

Loomulikult alati η1

Voolu efektiivsus sõltub oluliselt elektroodi voolutihedusest. Kui elektroodi voolutihedus suureneb, suureneb voolu efektiivsus ja protsessi efektiivsus.

Pinge Uel, mis tuleb anda elektrolüüsiseadmele, koosneb: läbilöögipingest Ep (anood- ja katoodreaktsiooni potentsiaalide erinevusest), anood- ja katoodliigpinge summast, elektrolüüdi pingelangust Ep, pingelangust elektrolüüdis. Ue = IRep (Rep — elektrolüütiline takistus), pingelangus rehvides, kontaktides, elektroodides Uc = I(Rw +Rto +RNS). Saame: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Elektrolüüsi ajal tarbitav võimsus on võrdne: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Sellest võimsusest kasutatakse reaktsioonide läbiviimiseks ainult esimest komponenti, ülejäänud on protsessi soojuskaod. Ainult sulasoolade elektrolüüsi ajal kasutatakse osa elektrolüüdis IUe vabanevast soojusest kasulikult, kuna see kulutatakse elektrolüüsis laetud soolade sulatamiseks.

Elektrolüüsivanni efektiivsust saab hinnata 1 J tarbitud elektrienergia kohta vabaneva aine massi järgi grammides.Seda väärtust nimetatakse aine energiasaagiseks, mille saab leida avaldisega qe = (αη1) /Uel100, siin α — aine elektrokeemiline ekvivalent, g / C, η1 — väljundvool, Uemail — elektrolüütilise aine pinge. rakk, V.