Електроліз

Процеси, що протікають при електролізі

Електроліз набув широкого поширення в металургії кольорових металів і в ряді хімічних виробництв. Такі метали, як алюміній, цинк, магній, отримують головним чином методом електролізу. Крім того, електроліз вживається для рафінування (очищення) міді, нікелю, свинцю, також для отримання водню, кисню, хлору і ряду інших хімічних речовин.

Суть електролізу полягає у виділенні з електроліту при протіканні через велектролітичні ванну незмінного струму частинок речовини і осадженні їх на занурених у ванну електродах (електроекстракціі) або в перенесенні речовин з 1-го електрода через електроліт на інший (електролітичне рафінування). В обох випадках мета процесів - отримання може бути більш чистих незабруднених домішками речовин.

На відміну від електричної електропровідності металів в електролітах (сумішах солей, кислот і підстав у воді і в деяких інших розчинниках, також в розплавлених з`єднаннях) спостерігається іонна електропровідність.

Електроліти є провідниками другого роду. У цих сумішах і розплавах має місце електролітична дисоціація - розпад на позитивно і негативно заряджені іони.

Якщо в посудину з електролітом - електролізер помістити електроди, приєднані до електронного джерела енергії, то в ньому почне протікати іонний струм, при цьому позитивно заряджені іони - катіони будуть рухатися до катода (це в основному метали та водень), а негативно заряджені іони - аніони (хлор, кисень) - до анода.

У анода аніони віддають власний заряд і перетворюються в нейтральні частинки, які осідають на електроді. У катода катіони відбирають електрони у електрода і також нейтралізуються, осідаючи на ньому, при цьому виділяються на електродах гази у вигляді бульбашок піднімаються наверх.

Мал. 1. Процеси, що протікають при електролізі. Схема електролізної ванни: 1 - ванна, 2 - електроліт, 3 - анод, 4 - катод, 5 - джерело живлення

Електронний струм у зовнішній ланцюга являє собою рух електронів від анода до катода (рис. 1). При цьому розчин збіднюється, і для підтримки безперервності процесу електролізу доводиться його збагачувати. Так роблять витяг тих чи інших речовин з електроліту (електроекстракціі).

Якщо ж анод може розчинятися в електроліті в міру збідніння останнього, то частинки його, розчиняючись в електроліті, отримують позитивний заряд і спрямовуються до катода, на якому осідають, тим здійснюється перенесення матеріалу з анода на катод. Тому що при цьому процес ведуть так, щоб знаходяться в металі анода домішки переносилися на катод, такий процес називається електролітичним рафінуванням.

Якщо електрод помістити в розчин з іонами такого ж речовини, з якого він зроблений, то при деякому потенціалі між електродом і речовиною не відбувається ні розчинення електрода, ні осадження на ньому речовини з розчину.

Такий потенціал називається простим потенціалом речовини. Якщо на електрод подати більш негативний потенціал, то на ньому почнеться виділення речовини (катодний процес), якщо ж більше позитивний, то почнеться його розчинення (анодний процес).

Значення звичайних потенціалів залежить від концентрації іонів і температури. Прийнято вважати звичайний потенціал водню за нуль. У табл. 1 дані звичайні електродні потенціали деяких водних сумішей речовин при + 25 ° С.

Таблиця 1. Звичайні електродні потенціали при + 25 ° С

Якщо в електроліті є іони різних металів, то першими на катоді виділяються іони, які мають найменший негативний звичайний потенціал (мідь, срібло, свинець, нікель), лужноземельні метали виділити найскладніше. Крім того, в аква сумішах завжди є іони водню, які будуть виділятися раніше, ніж всі метали, що мають негативний звичайний потенціал, тому при електролізі останніх значуща або навіть більша частина енергії витрачається на виділення водню.

Методом особливих заходів можна перешкодити в відомих межах виділенню водню, але метали зі звичайним потенціалом менше 1 В (наприклад, магній, алюміній, лужноземельні метали) отримати електролізом з водного розчину не вдається. Їх отримують розкладанням розплавлених солей цих металів.

Звичайні електродні потенціали речовин, позначені в табл. 1, є найменшими, при їх починається процес електролізу, фактично потрібні величезні значення потенціалу для розвитку процесу.

Різниця між реальним потенціалом електрода при електролізі і звичайним для нього потенціалом називають перенапруженням. Воно нарощує втрати енергії при електролізі.

З іншого боку, збільшуючи перенапруження для іонів водню, можна ускладнити його виділення на катоді, що дозволяє отримати електролізом з водних сумішей ряд таких більш негативних в порівнянні з воднем металів, як свинець, олово, нікель, кобальт, хром і навіть цинк. Це досягається веденням процесу при завищених щільності струму на електродах, також введенням в електроліт деяких речовин.

Перебіг катодних і анодних реакцій при електролізі визначається наступними 2-мя законами Фарадея.

1. Маса речовини mе, що виділився при електролізі на катоді або перейшов з анода в електроліт, пропорційна кількості пройшов через електроліт електрики Iτ: mе = α / τ, тут а - хімічний еквівалент речовини, г / Кл.

2. Маса виділеного при електролізі речовини одним і тим же кількістю електрики прямо пропорційна атомної масі речовини А і обернено пропорційна його валентності n: mе = А / 96480n, тут 96480 - число Фарадея, Кл х моль-1.

Таким чином, хімічний еквівалент речовини α = А / 96480n являє собою масу речовини в грамах, що виділяється одиницею проходить через велектролітичні ванну кількості електрики - кулоном (ампер-секундою).

Для міді А = 63,54, n = 2, α = 63,54 / 96480-2 = 0,000329 г / Кл, для нікелю α = 0,000304 г / Кл, для цинку α = 0,00034 г / Кл .

В реальності маса виділився речовини завжди менше позначеної, що пояснюється рядом побічних процесів, що проходять у ванні (наприклад, виділенням водню на катоді), витоками струму і маленькими замиканнями між електродами.

Відношення маси практично виділився речовини до маси його, яка повинна була б виділитися за законом Фарадея, носить назву виходу речовини по току η1.

Отже, для реального процесу mе = η1 х (А / 96480n) х It

Природно, завжди η1<1.

Вихід по току істотно залежить від щільності струму на електроді. З підвищенням щільності струму на електроді вихід по струму зростає і збільшується ефективність процесу.

Напруга Uел, яке потрібно підвести до електролізерів, складається з: напруги розкладання Ер (різниця потенціалів анодної і катодної реакцій), суми анодного і катодного перенапруг падіння напруги в електроліті Еп, падіння напруги в електроліті Uе = IRеп (Rеп - опір електроліту), падіння напруги в шинах, контактах, електродах Uс = I (Rш + Rк + Rе). Отримуємо: Uел = Ер + Еп + Uе + Uс.

Потужність, споживана при електролізі, дорівнює: Рел = IUел = I (Ер + Еп + Uе + Uс)

З цієї потужності тільки 1-ша складова витрачається на проведення реакцій, інші є тепловтратами процесу. Тільки при електролізі розплавлених солей частина теплоти, що виділяється в електроліті IUе, вживається корисно, тому що витрачається на розплавлення завантажуються в електролізер солей.

Ефективність роботи електролізної ванни, може бути оцінена масою речовини в грамах, що виділяється на 1 Дж витраченої електроенергії. Дана величина носить назву виходу речовини по енергіі.Ее можна відшукати за висловом Q е = (αη1) / Uел100, тут α - хімічний еквівалент речовини, г / Кл, η1 - вихід по току, Uел - напруга на електролізері, В.

Школа для електрика

електротехнологічний установки