Elektrolýza - princíp činnosti, účel a použitie

Elektrolytické procesy

Elektrolýza je rozšírená v metalurgii neželezných kovov a v mnohých chemických odvetviach. Kovy ako hliník, zinok, horčík sa získavajú hlavne elektrolýzou. Okrem toho sa elektrolýza používa na rafináciu (čistenie) medi, niklu, olova, ako aj na výrobu vodíka, kyslíka, chlóru a množstva ďalších chemikálií.

Podstatou elektrolýzy je oddelenie častíc látky od elektrolytu pri prechode jednosmerného prúdu elektrolytickým kúpeľom a ich ukladanie na elektródy ponorené do kúpeľa (elektroextrakcia) alebo pri prechode látok z jednej elektródy cez elektrolyt na druhú ( elektrolytická rafinácia). V oboch prípadoch je cieľom procesov získať čo najčistejšie látky, ktoré nie sú kontaminované nečistotami.

Na rozdiel od toho elektronická vodivosť kovov v elektrolytoch (roztoky solí, kyselín a zásad vo vode a v niektorých iných rozpúšťadlách, ako aj v roztavených zlúčeninách), pozoruje sa iónová vodivosť.

Elektrolyty sú vodiče druhej triedy.V týchto roztokoch a taveninách prebieha elektrolytická disociácia — rozpad kladne a záporne nabitých iónov.

Ak sa elektródy napojené na zdroj elektrickej energie umiestnia do nádoby s elektrolytom - elektrolyzérom, tak v nej začne tiecť iónový prúd a na katódu sa presunú kladne nabité ióny - katióny (sú to najmä kovy a vodík ) a záporne nabité ióny - anióny (chlór, kyslík) - do anódy.

Na anóde sa anióny vzdajú svojho náboja a stanú sa neutrálnymi časticami, ktoré sa usadia na elektróde. Na katóde katióny odoberajú elektróny z elektródy a sú tiež neutralizované, usadzujú sa na nej a plyny uvoľnené na elektródach vo forme bublín stúpajú hore.

Ryža. 1. Procesy pri elektrolýze. Obvod elektrického kúpeľa: 1 — kúpeľ, 2 — elektrolyt, 3 — anóda, 4 — katóda, 5 — napájanie

Elektrický prúd vo vonkajšom obvode je pohyb elektrónov z anódy na katódu (obr. 1). V tomto prípade je roztok vyčerpaný a aby sa zachovala kontinuita procesu elektrolýzy, musí sa obohatiť. Takto sa z elektrolytu extrahujú určité látky (elektroextrakcia).

Ak sa anóda môže rozpustiť v elektrolyte, keď je tento vyčerpaný, potom jeho častice, ktoré sa rozpúšťajú v elektrolyte, získajú kladný náboj a sú nasmerované na katódu, na ktorej sú uložené, čím prenášajú materiál z anódy na katódu. . Keďže proces prebieha tak, aby sa nečistoty obsiahnuté v kove anódy neprenášali na katódu, tento proces sa nazýva elektrolytická rafinácia.

Ak sa elektróda vloží do roztoku s iónmi tej istej látky, z ktorej je vyrobená, tak pri určitom potenciáli medzi elektródou a roztokom sa elektróda nerozpustí ani sa na ňu látka z roztoku neuloží.

Tento potenciál sa nazýva normálny potenciál látky. Ak sa na elektródu aplikuje zápornejší potenciál, začne sa na nej uvoľňovať látka (katódový proces), ale ak je pozitívnejšia, začne sa jej rozpúšťanie (anodický proces).

Hodnota normálnych potenciálov závisí od koncentrácie iónov a teploty. Všeobecne sa uznáva, že normálny potenciál vodíka je nulový. Tabuľka 1 ukazuje normálne elektródové potenciály niektorých vodných roztokov látok pri +25 °C.

Tabuľka 1. Normálne elektródové potenciály pri + 25 °C

Ak elektrolyt obsahuje ióny rôznych kovov, potom sa na katóde najskôr oddelia ióny s nižším negatívnym normálnym potenciálom (meď, striebro, olovo, nikel); Najťažšie sa izolujú kovy alkalických zemín. Okrem toho sú vo vodných roztokoch vždy vodíkové ióny, ktoré sa uvoľnia skôr ako všetky kovy so záporným normálnym potenciálom, preto sa počas elektrolýzy týchto kovov vynakladá významná alebo dokonca väčšina energie na uvoľňovanie vodíka. .

Pomocou špeciálnych opatrení je možné v určitých medziach zabrániť vývinu vodíka, ale kovy s normálnym potenciálom menším ako 1 V (napríklad horčík, hliník, kovy alkalických zemín) nemožno získať elektrolýzou z vodný roztok. Získavajú sa rozkladom roztavených solí týchto kovov.

Normálne elektródové potenciály látok uvedené v tabuľke.1, sú minimálne, pri ktorých začína proces elektrolýzy, v praxi sú na vývoj procesu potrebné veľké hodnoty potenciálu.

Rozdiel medzi skutočným potenciálom elektródy počas elektrolýzy a jej normálnym potenciálom sa nazýva prepätie. Zvyšuje straty energie počas elektrolýzy.

Na druhej strane zvýšenie prepätia pre vodíkové ióny sťažuje jeho uvoľnenie na katóde, čo umožňuje získať elektrolýzou z vodných roztokov množstvo kovov, ktoré sú negatívnejšie ako vodík, ako je olovo, cín, nikel , kobalt, chróm a dokonca aj zinok. To sa dosiahne vykonávaním procesu pri zvýšených prúdových hustotách na elektródach, ako aj zavedením určitých látok do elektrolytu.

Priebeh katódových a anodických reakcií počas elektrolýzy určujú nasledujúce dva Faradayove zákony.

1. Hmotnosť látky md uvoľnenej pri elektrolýze v katóde alebo prejdenej z anódy do elektrolytu je úmerná množstvu elektriny prejdenej cez elektrolyt Azτ: me = α/τ, tu a je elektrochemický ekvivalent látky. , g/C.

2. Hmotnosť látky uvoľnenej pri elektrolýze s rovnakým množstvom elektriny je priamo úmerná atómovej hmotnosti látky A a nepriamo úmerná jej mocnosti n: mNS = A / 96480n, tu je 96480 Faradayovo číslo, C x mol. -1.

Týmto spôsobom elektrochemický ekvivalent látky α= A / 96480n predstavuje hmotnosť látky v gramoch uvoľnenej jednotkovým množstvom elektriny prechádzajúcej elektrolytickým kúpeľom – coulombom (ampérsekunda).

Pre meď A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, pre nikel α = 0,000304 g / C, pre zinok α = 0,00034 g / C

V skutočnosti je hmotnosť uvoľnenej látky vždy menšia, ako je uvedené, čo sa vysvetľuje množstvom vedľajších procesov prebiehajúcich v kúpeli (napríklad uvoľňovanie vodíka na katóde), únikom prúdu a skratom medzi elektródami.

Pomer hmotnosti skutočne uvoľnenej látky k jej hmotnosti, ktorá sa mala uvoľniť podľa Faradayovho zákona, sa nazýva aktuálny výťažok látky η1.

Preto pre reálny proces mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Prirodzene, vždy η1

Prúdová účinnosť je výrazne závislá od prúdovej hustoty elektródy. So zvyšujúcou sa hustotou prúdu elektródy sa zvyšuje prúdová účinnosť a zvyšuje sa účinnosť procesu.

Napätie Uel, ktoré musí byť privedené do elektrolyzéra, pozostáva z: prierazného napätia Ep (potenciálny rozdiel anodickej a katódovej reakcie), súčtu anodických a katódových prepätí, úbytku napätia v elektrolyte Ep, úbytku napätia v elektrolyte. Ue = IRep (Rep — elektrolytický odpor), pokles napätia v pneumatikách, kontaktoch, elektródach Uc = I(Rw +Rto +RNS). Získame: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Energia spotrebovaná počas elektrolýzy sa rovná: Rel = IUmail = I (Ep + Ep + Ue + Uc)

Z tohto výkonu sa na vedenie reakcií využíva iba prvá zložka, zvyšok sú tepelné straty procesu. Iba počas elektrolýzy roztavených solí sa časť tepla uvoľneného v elektrolyte IUe užitočne využíva, pretože sa vynakladá na tavenie solí nabitých v elektrolyzéri.

Účinnosť elektrolytického kúpeľa možno odhadnúť podľa hmotnosti látky v gramoch uvoľnenej na 1 J spotrebovanej elektriny.Táto hodnota sa nazýva energetický výťažok látky. Dá sa zistiť výrazom qe = (αη1) /Uel100, tu α — elektrochemický ekvivalent látky, g / C, η1 — prúdový výkon, Uemail — napätie elektrolytu bunka, V.