Electroliza - principiu de acțiune, scop și aplicare

Procese de electroliză

Electroliza este larg răspândită în metalurgia neferoasă și într-o serie de industrii chimice. Metalele precum aluminiul, zincul, magneziul sunt obținute în principal prin electroliză. În plus, electroliza este utilizată pentru a rafina (purifica) cuprul, nichelul, plumbul, precum și pentru a produce hidrogen, oxigen, clor și o serie de alte substanțe chimice.

Esența electrolizei este separarea particulelor de substanță de electrolit atunci când un curent continuu trece prin baia electrolitică și depunerea lor pe electrozii scufundați în baie (electroextracție) sau când substanțele sunt transferate de la un electrod prin electrolit la altul ( rafinare electrolitică). În ambele cazuri, scopul proceselor este obținerea celor mai pure substanțe posibile care să nu fie contaminate cu impurități.

În contrast conductivitate electronică metale din electroliți (soluții de săruri, acizi și baze în apă și în alți solvenți, precum și în compușii topiți), se observă conductivitatea ionică.

Electroliții sunt conductori de clasa a doua.În aceste soluții și topituri are loc disocierea electrolitică - dezintegrarea ionilor încărcați pozitiv și negativ.

Dacă electrozii conectați la o sursă de energie electrică sunt plasați într-un vas cu un electrolit - un electrolizor, atunci un curent ionic va începe să curgă în el, iar ionii încărcați pozitiv - cationii se vor muta la catod (acestea sunt în principal metale și hidrogen). ), și ioni încărcați negativ - anioni (clor, oxigen) - la anod.

La anod, anionii renunță la sarcină și devin particule neutre care se depun pe electrod. La catod, cationii preiau electroni din electrod și sunt de asemenea neutralizați, depunându-se pe acesta, iar gazele eliberate pe electrozi sub formă de bule se ridică.

Orez. 1. Procese în timpul electrolizei. Circuit de baie electrică: 1 — baie, 2 — electrolit, 3 — anod, 4 — catod, 5 — alimentare

Curentul electric din circuitul extern este mișcarea electronilor de la anod la catod (Fig. 1). În acest caz, soluția este epuizată, iar pentru a menține continuitatea procesului de electroliză trebuie să fie îmbogățită. Așa se extrag anumite substanțe din electrolit (electroextracție).

Dacă anodul se poate dizolva în electrolit, pe măsură ce acesta din urmă este epuizat, atunci particulele sale, dizolvându-se în electrolit, capătă o sarcină pozitivă și sunt direcționate către catod, pe care sunt depuse, transferând astfel materialul de la anod la catod. . Deoarece procesul este efectuat astfel încât impuritățile conținute în metalul anodului să nu fie transferate la catod, acest proces se numește rafinare electrolitică.

Dacă electrodul este plasat într-o soluție cu ioni din aceeași substanță din care este făcut, atunci la un anumit potențial între electrod și soluție nici electrodul nu se dizolvă și nici substanța nu se depune pe el din soluție.

Acest potențial se numește potențial normal al substanței. Dacă electrodului i se aplică un potențial mai negativ, atunci va începe eliberarea unei substanțe (proces catodic), dar dacă este mai pozitiv, atunci va începe dizolvarea acestuia (proces anodic).

Valoarea potențialelor normale depinde de concentrația ionilor și de temperatură. Este în general acceptat să se considere că potențialul normal al hidrogenului este zero. Tabelul 1 prezintă potențialele normale ale electrodului unor soluții apoase de substanțe la + 25 ° C.

Tabelul 1. Potențiale normale ale electrodului la + 25 ° C

Dacă electrolitul conține ioni de diferite metale, atunci ionii cu un potențial normal negativ mai mic (cupru, argint, plumb, nichel) sunt separați mai întâi la catod; metalele alcalino-pământoase sunt cele mai greu de izolat. În plus, există întotdeauna ioni de hidrogen în soluții apoase, care vor fi eliberați mai devreme decât toate metalele cu un potențial normal negativ, prin urmare, în timpul electrolizei acestora din urmă, o energie semnificativă sau chiar cea mai mare parte a energiei este cheltuită pentru eliberarea hidrogenului. .

Cu ajutorul unor măsuri speciale, se poate preveni degajarea hidrogenului în anumite limite, dar metalele cu un potenţial normal mai mic de 1 V (de exemplu, magneziu, aluminiu, metale alcalino-pământoase) nu pot fi obţinute prin electroliză dintr-un soluție apoasă. Ele sunt obținute prin descompunerea sărurilor topite ale acestor metale.

Potențialele electrozilor normale ale substanțelor indicate în tabel.1, sunt minime la care începe procesul de electroliză, în practică sunt necesare valori mari ale potențialului pentru desfășurarea procesului.

Diferența dintre potențialul real al unui electrod în timpul electrolizei și potențialul său normal se numește supratensiune. Crește pierderile de energie în timpul electrolizei.

Pe de altă parte, creșterea supratensiunii pentru ionii de hidrogen face dificilă eliberarea acesteia la catod, ceea ce face posibilă obținerea prin electroliză din soluții apoase a unui număr de metale mai negative decât hidrogenul, precum plumbul, staniul, nichelul. , cobalt, crom și chiar zinc. Acest lucru se realizează prin conducerea procesului la densități de curent crescute pe electrozi, precum și prin introducerea anumitor substanțe în electrolit.

Cursul reacțiilor catodice și anodice în timpul electrolizei este determinat de următoarele două legi ale lui Faraday.

1. Masa substanței md eliberată în timpul electrolizei în catod sau trecută de la anod la electrolit este proporțională cu cantitatea de electricitate trecută prin electrolit Azτ: me = α/τ, aici a este echivalentul electrochimic al substanței , g/C.

2. Masa substanței eliberate în timpul electrolizei cu aceeași cantitate de electricitate este direct proporțională cu masa atomică a substanței A și invers proporțională cu valența acesteia n: mNS = A / 96480n, aici 96480 este numărul Faraday, C x mol -1 .

În acest fel, echivalentul electrochimic al unei substanțe α= A / 96480n reprezintă masa unei substanțe în grame eliberată de o cantitate unitară de electricitate care trece prin baia electrolitică — un coulomb (ampere-secundă).

Pentru cupru A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, pentru nichel α =0,000304 g/C, pentru zinc α = 0,00034 g/C

De fapt, masa substanței eliberate este întotdeauna mai mică decât cea indicată, ceea ce se explică printr-o serie de procese secundare care au loc în baie (de exemplu, eliberarea hidrogenului la catod), scurgerea de curent și scurtcircuit între electrozi.

Raportul dintre masa substanței eliberate efectiv și masa sa care ar fi trebuit să fie eliberată conform legii lui Faraday se numește randamentul curent al substanței η1.

Prin urmare, pentru un proces real mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Desigur, întotdeauna η1

Eficiența curentului depinde în mod semnificativ de densitatea de curent a electrodului. Pe măsură ce densitatea curentului electrodului crește, eficiența curentului crește și eficiența procesului crește.

Tensiunea Uel care trebuie furnizată electrolizorului este formată din: tensiunea de defalcare Ep (diferența de potențial a reacțiilor anodice și catodice), suma supratensiunilor anodice și catodice, căderea de tensiune în electrolit Ep, căderea de tensiune în electrolit. Ue = IRep (Rep — rezistență electrolitică), cădere de tensiune în anvelope, contacte, electrozi Uc = I(Rw +Rto +RNS). Se obține: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Puterea consumată în timpul electrolizei este egală cu: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Din această putere, doar prima componentă este utilizată pentru conducerea reacțiilor, restul sunt pierderi de căldură ale procesului. Numai în timpul electrolizei sărurilor topite, o parte din căldura eliberată în electrolitul IUe este utilizată în mod util, deoarece este cheltuită pentru topirea sărurilor încărcate în electrolizor.

Eficiența băii de electroliză poate fi estimată prin masa substanței în grame eliberată la 1 J de energie electrică consumată.Această valoare se numește randamentul energetic al unei substanțe.Se poate găsi prin expresia qe = (αη1) /Uel100, aici α — echivalentul electrochimic al unei substanțe, g / C, η1 — curent de ieșire, Uemail — tensiunea unui electrolitic celula, V.