Електролиза — принцип деловања, сврха и примена

Процеси електролизе

Електролиза је широко распрострањена у обојеној металургији и у низу хемијских индустрија. Метали као што су алуминијум, цинк, магнезијум добијају се углавном електролизом. Осим тога, електролиза се користи за рафинисање (пречишћавање) бакра, никла, олова, као и за производњу водоника, кисеоника, хлора и низа других хемикалија.

Суштина електролизе је одвајање честица супстанце из електролита када једносмерна струја прође кроз електролитичко купатило и њихово таложење на електродама уроњеним у каду (електроекстракција) или када се супстанце преносе са једне електроде преко електролита на другу ( електролитичка рафинација). У оба случаја, циљ процеса је да се добију што чистије супстанце које нису контаминиране нечистоћама.

У супротности електронска проводљивост метала у електролитима (растворима соли, киселина и база у води и у неким другим растварачима, као и у растопљеним једињењима), уочава се јонска проводљивост.

Електролити су проводници друге класе.У овим растворима и топљењима долази до електролитичке дисоцијације — распада позитивно и негативно наелектрисаних јона.

Ако се електроде повезане са извором електричне енергије ставе у посуду са електролитом - електролизером, тада ће у њему почети да тече јонска струја, а позитивно наелектрисани јони - катјони ће се померити на катоду (то су углавном метали и водоник ), и негативно наелектрисани јони — ањони (хлор, кисеоник) — до аноде.

На аноди, ањони одустају од свог набоја и постају неутралне честице које се таложе на електроди. На катоди, катјони узимају електроне са електроде и такође се неутралишу, таложећи се на њој, а гасови који се ослобађају на електродама у облику мехурића се подижу.

Пиринач. 1. Процеси током електролизе. Коло електричног купатила: 1 — купатило, 2 — електролит, 3 — анода, 4 — катода, 5 — напајање

Електрична струја у спољашњем колу је кретање електрона од аноде до катоде (сл. 1). У овом случају, раствор је исцрпљен, а да би се одржао континуитет процеса електролизе, мора бити обогаћен. Тако се из електролита издвајају одређене супстанце (електроекстракција).

Ако се анода може растворити у електролиту, пошто је овај исцрпљен, тада њене честице, растварајући се у електролиту, добијају позитивно наелектрисање и усмеравају се ка катоди, на којој се таложе, преносећи материјал са аноде на катоду. . Пошто се процес одвија тако да се нечистоће садржане у металу аноде не преносе на катоду, овај процес се назива електролитичко рафинирање.

Ако се електрода стави у раствор са јонима исте супстанце од које је направљена, онда се при одређеном потенцијалу између електроде и раствора електрода не раствара нити се супстанца на њу таложи из раствора.

Овај потенцијал се назива нормални потенцијал супстанце. Ако се на електроду примени негативнији потенцијал, тада ће на њој почети ослобађање супстанце (катодни процес), али ако је позитивнији, тада ће почети њено растварање (анодни процес).

Вредност нормалних потенцијала зависи од концентрације јона и температуре. Опште је прихваћено да се нормални потенцијал водоника сматра нула. У табели 1 приказани су нормални електродни потенцијали неких водених раствора супстанци на + 25 ° Ц.

Табела 1. Нормални потенцијали електроде на + 25 ° Ц

Ако електролит садржи јоне различитих метала, онда се на катоди прво одвајају јони са нижим негативним нормалним потенцијалом (бакар, сребро, олово, никл); земноалкалне метале је најтеже изоловати. Поред тога, у воденим растворима увек постоје јони водоника, који ће се ослободити раније од свих метала са негативним нормалним потенцијалом, па се током електролизе ових последњих, значајан или чак највећи део енергије троши на ослобађање водоника. .

Уз помоћ посебних мера могуће је спречити еволуцију водоника у одређеним границама, али се метали са нормалним потенцијалом мањим од 1 В (нпр. магнезијум, алуминијум, земноалкални метали) не могу добити електролизом из водени раствор. Добијају се разлагањем растопљених соли ових метала.

Нормални електродни потенцијали супстанци наведених у табели.1, минималне су на којој почиње процес електролизе, у пракси су потребне велике вредности потенцијала за развој процеса.

Разлика између стварног потенцијала електроде током електролизе и њеног нормалног потенцијала назива се пренапон. Повећава губитке енергије током електролизе.

С друге стране, повећање пренапона за јоне водоника отежава његово ослобађање на катоди, што омогућава да се електролизом из водених раствора добије низ метала који су негативнији од водоника, као што су олово, калај, никл. , кобалт, хром, па чак и цинк. Ово се постиже спровођењем процеса при повећаним густинама струје на електродама, као и уношењем одређених супстанци у електролит.

Ток катодне и анодне реакције током електролизе одређују следећа два Фарадејева закона.

1. Маса супстанце мд која се ослобађа током електролизе у катоди или прелази са аноде на електролит пропорционална је количини струје која је прошла кроз електролит Азτ: ме = α/τ, овде је а електрохемијски еквивалент супстанце. , г / Ц.

2. Маса супстанце која се ослобађа током електролизе са истом количином електрицитета је директно пропорционална атомској маси супстанце А и обрнуто пропорционална њеној валенци н: мНС = А / 96480н, овде је 96480 Фарадејев број, Ц к мол. -1 .

На овај начин, електрохемијски еквивалент супстанце α= А / 96480н представља масу супстанце у грамима коју ослобађа јединична количина електричне енергије која пролази кроз електролитичко купатило — кулон (ампер-секунда).

За бакар А = 63,54, н =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 г / Ц, за никл α =0,000304 г / Ц, за цинк α = 0,00034 г / Ц

У ствари, маса ослобођене супстанце је увек мања од назначене, што се објашњава бројним споредним процесима који се одвијају у кади (на пример, ослобађање водоника на катоди), цурење струје и кратки спој између електрода.

Однос масе супстанце која је стварно ослобођена и њене масе која је требало да се ослободи према Фарадејевом закону назива се тренутни принос супстанце η1.

Дакле, за прави процес мНС = η1 НС (А / 96480н) НС Ит

Наравно, увек η1

Ефикасност струје значајно зависи од густине струје електроде. Како се повећава густина струје електроде, повећава се ефикасност струје и повећава ефикасност процеса.

Напон Уел који се мора испоручити електролизеру састоји се од: пробојног напона Еп (разлика потенцијала анодне и катодне реакције), збира анодног и катодног пренапона, пада напона у електролиту Еп, пада напона у електролиту. Уе = ИРеп (Реп — електролитички отпор), пад напона у гумама, контактима, електродама Уц = И(Рв +Рто +РНС). Добијамо: Уел = Еп + Еп + Уе + Ус.

Снага која се троши током електролизе је једнака: Рел = ИУмаил = И(Еп + Еп + Уе + Уц)

Од ове снаге, само прва компонента се користи за спровођење реакција, остало су топлотни губици процеса. Само током електролизе растопљених соли, део топлоте ослобођене у електролиту ИУе се корисно користи, пошто се троши на топљење соли напуњених у електролизеру.

Ефикасност купатила за електролизу може се проценити масом супстанце у грамима која се ослобађа по 1 Ј потрошене електричне енергије.Ова вредност се назива енергетски принос супстанце.Може се наћи изразом ке = (αη1) /Уел100, овде α — електрохемијски еквивалент супстанце, г / Ц, η1 — излазна струја, Уемаил — напон електролиза ћелија, В.