Електролиза

Процесите, протичащи по време на електролизата

Електролизата е широко разпространена в металургията на цветните метали и в редица химически отрасли. Такива метали като алуминий, цинк, магнезий се получават главно чрез електролиза. В допълнение, електролизата се използва за рафиниране (почистване) на мед, никел, олово, също за производството на водород, кислород, хлор и редица други химикали.

Същността на електролиза включва отделяне на електролита по време на потока през електролитната вана постоянен ток праховите частици и тяхното отлагане на електродите потопени в баня (електроекстракция) или при транспорт на вещества от 1 електрод през електролита към друга (електролитно рафиниране). И в двата случая, целта на процесите - подготовката може да бъде по-чиста, незамърсена от примеси.

За разлика от електрическата проводимост на металите в електролитите (смеси от соли, киселини и основи във вода и някои други разтворители, също в разтопени съединения) се наблюдава йонна електрическа проводимост.

Електролитите са проводници от втори вид. В тези смеси и стопилки има електролитна дисоциация - разграждането в позитивно и отрицателно заредени йони.

Ако в съд с електролит - електролизер място електродите, свързани с електронната захранването, а след това ще започне да тече йонен ток, на положително заредени йони - катиони ще се движат към катода (това е основният метал и водород), и отрицателно заредени йони - аниони (хлор, кислород) към анода.

При анода, анионите дават свой собствен заряд и се превръщат в неутрални частици, които се утаяват на електрода. В катода катионите вземат електрони от електрода и също се неутрализират чрез утаяване върху тях, докато отделените на електродите електроди под формата на мехурчета се издигат нагоре.

Фиг. 1. Процеси, които се появяват по време на електролизата. Диаграма на електролитната вана: 1 - вана, 2 - електролит, 3 - анод, 4 - катод, 5 - източник на енергия

Електронният ток във външната верига е движението на електрони от анода към катода (Фигура 1). С всичко това разтворът е изчерпан и за да се поддържа непрекъснатостта на процеса на електролиза, е необходимо да се обогати. Така се извършва екстракцията на тези или други вещества от електролита (електроекстракция).

Ако анод може да се разтвори в електролита като изчерпването на последния, частици разтваря в електролита, положителния заряд се получава и се изпращат към катода, на която са депозирани, материал прехвърлянето се извършва от анода към катода. Защото с това процесът се провежда така, че примесите в метала на анода да не се прехвърлят към катода, този процес се нарича електролитно рафиниране.

Ако електродът е поставен в разтвор с йони от същата субстанция, от която е направен, тогава при определен потенциал между електрода и веществото няма разтваряне на електрода, нито утаяване на веществото от разтвора.

Този потенциал се нарича обикновен потенциал на материята. Ако за електрода се приложи по-негативен потенциал, тогава освобождаването на веществото (катодният процес) започва, ако е по-положително, тогава започва разтварянето му (процесът на анода).

Стойността на обикновените потенциали зависи от йонната концентрация и температурата. Обичайно е нормалният водороден потенциал да бъде считан за нулев. В таблица. 1 показва обичайните електродни потенциали на някои водни смеси от вещества при + 25 ° С.

Таблица 1. Типични потенциали на електрода при + 25 ° С

Ако електролитът съдържа йони на различни метали, първата стойката на йони катод с най-ниската потенциал е отрицателен нормален (мед, сребро, олово, никел), алкалоземни метали най-трудно да се разпредели. В допълнение, във водни смеси винаги са водородни йони, които се отделят по-рано от всички метали, които имат отрицателно нормален потенциал, защото електролизата на последния значим, или дори по-голямата част от енергията се изразходва за отделянето на водород.

Метод специални мерки могат да предотвратят разпознаваема еволюция граници водород, но с конвенционалните метали потенциални по-малко от 1 V (например, магнезий, алуминий, алкалоземни метали) за получаване на електролиза на водни разтвори не е възможно. Те се получават чрез разлагане на стопените соли на тези метали.

Обичайните потенциали на електродите на веществата, посочени в таблица 1. 1, са най-малки, когато започват процеса на електролиза, всъщност са необходими огромни стойности на потенциала за развитие на процеса.

Разликата между действителния потенциал на електрода по време на електролизата и обичайния му потенциал се нарича пренапрежение. Това увеличава загубите на енергия по време на електролизата.

От друга страна, увеличаването на общия потенциал за водородни йони може да възпрепятства неговото освобождаване на катода за осигуряване на електролиза на смеси от няколко такива аква-негативни в сравнение с метали с водород, като олово, калай, никел, кобалт, хром, и дори цинк. Това се постига чрез провеждане на процеса при повишени плътности на тока на електродите, както и въвеждане на електролит на определени вещества.

Процесът на катодни и анодни реакции по време на електролизата се определя от следващите 2 закона на Фарадей.

1. ме масата вещества, освободени по време на електролизата на катода или анода е преминал в електролита е пропорционална на количеството електричество преминава през Iτ на електролита: ме = α / т, а след това - химически еквивалентни вещества г / С

2. Тегло избран от електролизни вещества и едно със същото количество електроенергия е пряко пропорционална на атомната маса на веществото А и обратно пропорционална на неговата валентност п: А = Me / 96480n има 96,480 - Фарадей номер, Kl х мол-1.

Така makarom химически еквивалент вещество α = A / 96480n представлява масата в грамове на вещество, което се разпределя единица, преминаваща през електролитната вана електрически количество - висулка (ампер секунди).

За мед, А = 63,54, п = 2, α = 63,54 / 96480-2 = 0,000329 г / С, никел α = 0,000304 г / С, цинк α = 0,00034 г / C ,

В действителност масата на освободеното вещество винаги е по-малко от посоченото, което се обяснява с редица странични процеси, които се появяват в банята (например, отделяне на водород при катода), текущи течове и малки запушвания между електродите.

Съотношението на масата на практически освободеното вещество към неговата маса, което би трябвало да се излъчва съгласно закона на Фарадей, носи името на текущата продукция на веществото η1.

Както следва, за реалния процес m = η1 x (A / 96480n) x It

Естествено, винаги η1<1.

Текущият изход значително зависи от плътността на тока при електрод. При увеличаване на плътността на тока на електрода, текущата мощност нараства и ефективността на процеса се увеличава.

Напрежение Уил, което е необходимо да се доведе до клетка, включващ: напрежение разлагане Ep (потенциална разлика на анодната и катодната реакции), количеството на анодните и катодните пренапрежения спад на напрежението в електролит E, спад на напрежението в електролита Ue = IRep (Rep - съпротивление на електролита) капка напрежение в автобусите, контактите, електродите Uc = I (Rm + Rk + Re). Получаваме: Uel = Ep + En + Ue + Uc.

Консумираната по време на електролизата мощност е равна на: Рэl = IUэл = I (Ер + Еп + Uэ + Uс)

От тази мощност само първият компонент се изразходва за осъществяване на реакциите, други са топлинните загуби на процеса. Само по време на електролизата на стопените соли част от топлината, отделена в електролита IUe, е полезна, тъй като се използва за топене на солите, заредени в електролизатора.

Ефективността на електролизната вана може да бъде определена от масата на веществото в грамове, разпределена на 1 J от изразходваната електроенергия. Тази стойност се извежда от energii.Ee заглавието вещество може да се намери от експресионния QE = (αη1) / Uel100, след α - химически еквивалентни вещества г / С, η1 - изходен ток, Уил - клетка напрежение V.

Училище за електротехник

Електротехнически инсталации