Elektroliza — princip djelovanja, namjena i primjena

Procesi elektrolize

Elektroliza je raširena u obojenoj metalurgiji iu nizu kemijskih industrija. Metali kao što su aluminij, cink, magnezij dobivaju se uglavnom elektrolizom. Osim toga, elektroliza se koristi za rafiniranje (pročišćavanje) bakra, nikla, olova, kao i za proizvodnju vodika, kisika, klora i niza drugih kemikalija.

Suština elektrolize je odvajanje čestica tvari od elektrolita pri prolasku istosmjerne struje kroz elektrolitsku kupelj i njihovo taloženje na elektrodama uronjenim u kupelj (elektroekstrakcija) ili pri prijenosu tvari s jedne elektrode preko elektrolita na drugu ( elektrolitička rafinacija). U oba slučaja, cilj procesa je dobiti najčišće moguće tvari koje nisu onečišćene nečistoćama.

U kontrastu elektronska vodljivost metala u elektrolitima (otopine soli, kiselina i baza u vodi i u nekim drugim otapalima, kao i u rastaljenim spojevima), uočava se ionska vodljivost.

Elektroliti su vodiči drugog razreda.U tim otopinama i talinama odvija se elektrolitička disocijacija — raspad pozitivno i negativno nabijenih iona.

Ako se elektrode spojene na izvor električne energije stave u posudu s elektrolitom - elektrolizer, tada će u njoj početi teći ionska struja, a pozitivno nabijeni ioni - kationi će se kretati prema katodi (to su uglavnom metali i vodik ), a negativno nabijene ione — anione (klor, kisik) — na anodu.

Na anodi anioni odustaju od naboja i postaju neutralne čestice koje se talože na elektrodi. Na katodi kationi uzimaju elektrone s elektrode i također se neutraliziraju, taložeći se na njoj, a plinovi koji se oslobađaju na elektrodama u obliku mjehurića dižu se prema gore.

Riža. 1. Procesi tijekom elektrolize. Krug električne kupke: 1 — kupka, 2 — elektrolit, 3 — anoda, 4 — katoda, 5 — napajanje

Električna struja u vanjskom krugu je kretanje elektrona od anode prema katodi (slika 1). U tom slučaju otopina je osiromašena, a kako bi se održao kontinuitet procesa elektrolize, mora se obogatiti. Tako se izdvajaju određene tvari iz elektrolita (elektroekstrakcija).

Ako se anoda može otopiti u elektrolitu, budući da je potonji iscrpljen, tada njegove čestice, otapajući se u elektrolitu, dobivaju pozitivan naboj i usmjeravaju se na katodu, na kojoj se talože, prenoseći tako materijal s anode na katodu. . Budući da se proces provodi tako da se nečistoće sadržane u metalu anode ne prenose na katodu, ovaj se postupak naziva elektrolitičko rafiniranje.

Ako se elektroda stavi u otopinu s ionima iste tvari od koje je napravljena, tada se pri određenom potencijalu između elektrode i otopine niti elektroda otapa niti se na nju taloži tvar iz otopine.

Taj se potencijal naziva normalni potencijal tvari. Ako se na elektrodu dovede negativniji potencijal, tada će na njoj započeti oslobađanje tvari (katodni proces), ali ako je pozitivniji, tada će započeti njezino otapanje (anodni proces).

Vrijednost normalnih potencijala ovisi o koncentraciji iona i temperaturi. Općenito je prihvaćeno smatrati da je normalni potencijal vodika jednak nuli. Tablica 1 prikazuje normalne elektrodne potencijale nekih vodenih otopina tvari na + 25 ° C.

Tablica 1. Normalni potencijali elektrode na + 25 ° C

Ako elektrolit sadrži ione različitih metala, tada se na katodi prvo odvajaju ioni s nižim negativnim normalnim potencijalom (bakar, srebro, olovo, nikal); zemnoalkalijske metale najteže je izolirati. Osim toga, u vodenim otopinama uvijek postoje ioni vodika, koji će se osloboditi ranije od svih metala s negativnim normalnim potencijalom, stoga se tijekom elektrolize potonjih značajan ili čak najveći dio energije troši na oslobađanje vodika .

Uz pomoć posebnih mjera moguće je spriječiti razvijanje vodika u određenim granicama, ali se metali s normalnim potencijalom manjim od 1 V (primjerice magnezij, aluminij, zemnoalkalijski metali) ne mogu dobiti elektrolizom iz Vodena otopina. Dobivaju se razgradnjom rastaljenih soli ovih metala.

Normalni elektrodni potencijali tvari navedenih u tablici.1, minimalne pri kojima počinje proces elektrolize, u praksi su potrebne velike vrijednosti potencijala za odvijanje procesa.

Razlika između stvarnog potencijala elektrode tijekom elektrolize i njenog normalnog potencijala naziva se prenapon. Povećava gubitke energije tijekom elektrolize.

S druge strane, povećanje prenapona vodikovih iona otežava njegovo oslobađanje na katodi, što omogućuje dobivanje elektrolizom iz vodenih otopina niza metala koji su negativniji od vodika, kao što su olovo, kositar, nikal , kobalt, krom pa čak i cink. To se postiže vođenjem procesa pri povećanim gustoćama struje na elektrodama, kao i uvođenjem određenih tvari u elektrolit.

Tijek katodnih i anodnih reakcija tijekom elektrolize određuju sljedeća dva Faradayeva zakona.

1. Masa tvari md koja se oslobađa tijekom elektrolize u katodi ili prelazi s anode na elektrolit proporcionalna je količini električne energije koja prolazi kroz elektrolit Azτ: me = α/τ, ovdje je a elektrokemijski ekvivalent tvari , g / C.

2. Masa tvari koja se oslobađa tijekom elektrolize s istom količinom elektriciteta izravno je proporcionalna atomskoj masi tvari A i obrnuto proporcionalna njezinoj valenciji n: mNS = A / 96480n, ovdje je 96480 Faradayev broj, C x mol -1 .

Na taj način, elektrokemijski ekvivalent tvari α= A / 96480n predstavlja masu tvari u gramima oslobođenu jediničnom količinom električne energije koja prolazi kroz elektrolitičku kupelj — kulon (amper-sekunda).

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

Zapravo, masa oslobođene tvari uvijek je manja od naznačene, što se objašnjava brojnim sporednim procesima koji se odvijaju u kupki (na primjer, oslobađanje vodika na katodi), curenjem struje i kratkim spojem između elektroda.

Omjer mase stvarno otpuštene tvari i njezine mase koja je prema Faradayevom zakonu trebala biti otpuštena naziva se trenutni prinos tvari η1.

Prema tome, za stvarni proces mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Naravno, uvijek η1

Strujni učinak značajno ovisi o gustoći struje elektrode. Kako se gustoća struje elektrode povećava, strujna učinkovitost raste i učinkovitost procesa.

Napon Uel koji se mora dovesti u elektrolizer sastoji se od: probojnog napona Ep (razlika potencijala anodne i katodne reakcije), zbroja anodnog i katodnog prenapona, pada napona u elektrolitu Ep, pada napona u elektrolitu Ue = IRep (Rep — elektrolitski otpor), pad napona u gumama, kontaktima, elektrodama Uc = I(Rw +Rto +RNS). Dobivamo: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Snaga potrošena tijekom elektrolize jednaka je: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Od te snage samo se prva komponenta koristi za odvijanje reakcija, ostalo su toplinski gubici procesa. Samo se pri elektrolizi rastaljenih soli dio topline oslobođene u elektrolitu IUe korisno koristi, jer se troši na taljenje soli napunjenih u elektrolizeru.

Učinkovitost kupelji za elektrolizu može se procijeniti masom tvari u gramima koja se oslobađa po 1 J utrošene električne energije.Ta se vrijednost naziva energetski prinos tvari. Može se pronaći izrazom qe = (αη1) /Uel100, ovdje α — elektrokemijski ekvivalent tvari, g / C, η1 — izlazna struja, Uemail — napon elektrolize ćelija, V.