Elektroliza — princip delovanja, namen in uporaba

Postopki elektrolize

Elektroliza je zelo razširjena v barvni metalurgiji in v številnih kemičnih industrijah. Kovine, kot so aluminij, cink, magnezij, se pridobivajo predvsem z elektrolizo. Poleg tega se elektroliza uporablja za rafiniranje (čiščenje) bakra, niklja, svinca, pa tudi za proizvodnjo vodika, kisika, klora in številnih drugih kemikalij.

Bistvo elektrolize je ločevanje delcev snovi iz elektrolita pri prehodu enosmernega toka skozi elektrolitsko kopel in njihovo odlaganje na elektrode, potopljene v kopel (elektroekstrakcija) ali ko se snovi prenašajo z ene elektrode preko elektrolita na drugo ( elektrolitsko rafiniranje). V obeh primerih je cilj postopkov pridobiti čim bolj čiste snovi, ki niso onesnažene z nečistočami.

V nasprotju elektronska prevodnost kovin v elektrolitih (raztopine soli, kislin in baz v vodi in v nekaterih drugih topilih, pa tudi v staljenih spojinah) opazimo ionsko prevodnost.

Elektroliti so prevodniki drugega razreda.V teh raztopinah in talinah poteka elektrolitska disociacija - razpad pozitivno in negativno nabitih ionov.

Če elektrode, povezane z virom električne energije, postavimo v posodo z elektrolitom - elektrolizer, potem začne v njej teči ionski tok, pozitivno nabiti ioni - kationi pa se premaknejo na katodo (to so predvsem kovine in vodik). ) in negativno nabiti ioni - anioni (klor, kisik) - na anodo.

Na anodi se anioni odrečejo naboju in postanejo nevtralni delci, ki se usedejo na elektrodo. Na katodi kationi jemljejo elektrone iz elektrode in se tudi nevtralizirajo, usedajo na njej, plini, ki se sproščajo na elektrodah v obliki mehurčkov, pa se dvigajo navzgor.

riž. 1. Procesi med elektrolizo. Tokokrog električne kopeli: 1 — kopel, 2 — elektrolit, 3 — anoda, 4 — katoda, 5 — napajalnik

Električni tok v zunanjem krogu je gibanje elektronov od anode do katode (slika 1). V tem primeru je raztopina osiromašena in jo je treba obogatiti, da bi ohranili kontinuiteto procesa elektrolize. Tako se nekatere snovi izločijo iz elektrolita (elektroekstrakcija).

Če se anoda lahko raztopi v elektrolitu, ker je slednji izčrpan, potem njeni delci, ki se raztopijo v elektrolitu, pridobijo pozitiven naboj in se usmerijo na katodo, na katero se nanesejo, s čimer prenašajo material z anode na katodo. . Ker postopek poteka tako, da se nečistoče iz kovine anode ne prenesejo na katodo, se ta postopek imenuje elektrolitsko rafiniranje.

Če elektrodo postavimo v raztopino z ioni iste snovi, iz katere je izdelana, potem se pri določenem potencialu med elektrodo in raztopino niti elektroda ne raztopi, niti se snov iz raztopine nanese nanjo.

Ta potencial se imenuje normalni potencial snovi. Če na elektrodo nanesemo bolj negativen potencial, se na njej začne sproščati snov (katodni proces), če pa je bolj pozitiven, se začne njeno raztapljanje (anodni proces).

Vrednost normalnih potencialov je odvisna od koncentracije ionov in temperature. Splošno sprejeto je, da je normalni potencial vodika enak nič. Tabela 1 prikazuje normalne elektrodne potenciale nekaterih vodnih raztopin snovi pri + 25 ° C.

Tabela 1. Normalni elektrodni potenciali pri + 25 ° C

Če elektrolit vsebuje ione različnih kovin, potem se na katodi najprej ločijo ioni z nižjim negativnim normalnim potencialom (baker, srebro, svinec, nikelj); zemeljsko alkalijske kovine je najtežje izolirati. Poleg tega so v vodnih raztopinah vedno vodikovi ioni, ki se bodo sprostili prej kot vse kovine z negativnim normalnim potencialom, zato se med elektrolizo slednjih precejšnja ali celo večina energije porabi za sproščanje vodika. .

S posebnimi ukrepi je mogoče v določenih mejah preprečiti razvijanje vodika, vendar kovin z normalnim potencialom, manjšim od 1 V (na primer magnezija, aluminija, zemeljskoalkalijskih kovin) ni mogoče pridobiti z elektrolizo iz vodna raztopina. Pridobivajo se z razgradnjo staljenih soli teh kovin.

Normalni elektrodni potenciali snovi, navedenih v tabeli.1, so minimalne, pri katerih se začne proces elektrolize, v praksi so za razvoj procesa potrebne velike vrednosti potenciala.

Razlika med dejanskim potencialom elektrode med elektrolizo in njenim normalnim potencialom se imenuje prenapetost. Poveča izgube energije med elektrolizo.

Po drugi strani pa povečanje prenapetosti za vodikove ione oteži njihovo sproščanje na katodi, zaradi česar je mogoče z elektrolizo iz vodnih raztopin pridobiti številne kovine, ki so bolj negativne kot vodik, kot so svinec, kositer, nikelj. , kobalt, krom in celo cink. To dosežemo z vodenjem procesa pri povečanih gostotah toka na elektrodah, pa tudi z vnosom določenih snovi v elektrolit.

Potek katodnih in anodnih reakcij med elektrolizo določata naslednja dva Faradayeva zakona.

1. Masa snovi md, ki se sprosti med elektrolizo v katodi ali preide iz anode v elektrolit, je sorazmerna s količino električne energije, ki prehaja skozi elektrolit Azτ: me = α/τ, tukaj je a elektrokemijski ekvivalent snovi , g / C.

2. Masa snovi, ki se sprosti med elektrolizo z enako količino električne energije, je neposredno sorazmerna z atomsko maso snovi A in obratno sorazmerna z njeno valenco n: mNS = A / 96480n, tukaj je 96480 Faradayevo število, C x mol -1 .

Na ta način elektrokemični ekvivalent snovi α= A / 96480n predstavlja maso snovi v gramih, ki jo sprosti enota količine električne energije, ki prehaja skozi elektrolitsko kopel — kulon (amper-sekunda).

Za baker A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, za nikelj α = 0,000304 g / C, za cink α = 0,00034 g / C

Dejansko je masa sproščene snovi vedno manjša od navedene, kar je razloženo s številnimi stranskimi procesi, ki potekajo v kopeli (na primer sproščanje vodika na katodi), uhajanjem toka in kratkim stikom med elektrodama.

Razmerje med maso dejansko sproščene snovi in ​​njeno maso, ki bi se morala sprostiti po Faradayevem zakonu, se imenuje trenutni izkoristek snovi η1.

Zato je za dejanski proces mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Seveda vedno η1

Izkoristek toka je bistveno odvisen od gostote toka elektrode. Ko se gostota toka elektrode poveča, se tokovna učinkovitost poveča in učinkovitost procesa.

Napetost Uel, ki se napaja v elektrolizator, je sestavljena iz: prebojne napetosti Ep (potencialna razlika anodne in katodne reakcije), vsote anodne in katodne prenapetosti, padca napetosti v elektrolitu Ep, padca napetosti v elektrolitu Ue = IRep (Rep — elektrolitski upor), padec napetosti v pnevmatikah, kontaktih, elektrodah Uc = I(Rw +Rto +RNS). Dobimo: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Porabljena moč med elektrolizo je enaka: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Od te moči se le prva komponenta porabi za vodenje reakcij, ostalo so toplotne izgube procesa. Le med elektrolizo staljenih soli se del toplote, ki se sprošča v elektrolitu IUe, koristno uporabi, saj se porabi za taljenje soli, napolnjenih v elektrolizerju.

Učinkovitost elektrolizne kopeli je mogoče oceniti z maso snovi v gramih, ki se sprosti na 1 J porabljene električne energije.Ta vrednost se imenuje energijski izkoristek snovi.Izračunamo jo z izrazom qe = (αη1) /Uel100, tukaj α - elektrokemični ekvivalent snovi, g / C, η1 - izhodni tok, Uemail - napetost elektrolitskega celica, V.