Elektrolisis — prinsip tindakan, tujuan dan aplikasi

Proses elektrolisis

Elektrolisis meluas dalam metalurgi bukan ferus dan dalam beberapa industri kimia. Logam seperti aluminium, zink, magnesium diperoleh terutamanya melalui elektrolisis. Di samping itu, elektrolisis digunakan untuk menapis (memurnikan) kuprum, nikel, plumbum, serta menghasilkan hidrogen, oksigen, klorin dan beberapa bahan kimia lain.

Intipati elektrolisis ialah pemisahan zarah bahan daripada elektrolit apabila arus terus melalui mandi elektrolitik dan pemendapannya pada elektrod yang direndam dalam tab (elektroekstraksi) atau apabila bahan dipindahkan dari satu elektrod melalui elektrolit yang lain ( penapisan elektrolitik). Dalam kedua-dua kes, matlamat proses adalah untuk mendapatkan bahan paling tulen yang mungkin tidak tercemar dengan kekotoran.

Berbeza kekonduksian elektronik logam dalam elektrolit (larutan garam, asid dan bes dalam air dan dalam beberapa pelarut lain, serta dalam sebatian lebur), kekonduksian ionik diperhatikan.

Elektrolit adalah konduktor kelas kedua.Dalam larutan dan leburan ini, pemisahan elektrolitik berlaku — perpecahan ion bercas positif dan negatif.

Jika elektrod yang disambungkan kepada sumber tenaga elektrik diletakkan di dalam bekas dengan elektrolit - elektrolisis, maka arus ionik akan mula mengalir di dalamnya, dan ion bercas positif - kation akan bergerak ke katod (ini terutamanya logam dan hidrogen ), dan ion bercas negatif — anion (klorin, oksigen) — ke anod.

Di anod, anion melepaskan casnya dan menjadi zarah neutral yang mengendap pada elektrod. Di katod, kation mengambil elektron dari elektrod dan juga dinetralkan, mengendap di atasnya, dan gas yang dilepaskan pada elektrod dalam bentuk buih naik.

nasi. 1. Proses semasa elektrolisis. Litar mandi elektrik: 1 — mandi, 2 — elektrolit, 3 — anod, 4 — katod, 5 — bekalan kuasa

Arus elektrik dalam litar luar ialah pergerakan elektron dari anod ke katod (Rajah 1). Dalam kes ini, penyelesaiannya habis, dan untuk mengekalkan kesinambungan proses elektrolisis, ia mesti diperkaya. Beginilah cara bahan-bahan tertentu diekstrak daripada elektrolit (elektroekstraksi).

Jika anod boleh larut dalam elektrolit, kerana yang terakhir telah habis, maka zarahnya, larut dalam elektrolit, memperoleh cas positif dan diarahkan ke katod, di mana ia didepositkan, dengan itu memindahkan bahan dari anod ke katod . Oleh kerana proses itu dijalankan supaya kekotoran yang terkandung dalam logam anod tidak dipindahkan ke katod, proses ini dipanggil penapisan elektrolitik.

Jika elektrod diletakkan dalam larutan dengan ion-ion daripada bahan yang sama dari mana ia dibuat, maka pada potensi tertentu antara elektrod dan larutan tidak elektrod larut mahupun bahan didepositkan ke atasnya daripada larutan.

Potensi ini dipanggil potensi biasa bahan. Jika potensi yang lebih negatif digunakan pada elektrod, maka pelepasan bahan (proses katodik) akan bermula padanya, tetapi jika ia lebih positif, maka pembubarannya akan bermula (proses anodik).

Nilai potensi normal bergantung kepada kepekatan ion dan suhu. Ia diterima umum untuk menganggap potensi normal hidrogen menjadi sifar. Jadual 1 menunjukkan potensi elektrod biasa bagi beberapa larutan akueus bahan pada + 25 ° C.

Jadual 1. Keupayaan elektrod normal pada + 25 ° C

Jika elektrolit mengandungi ion logam yang berbeza, maka ion dengan potensi normal negatif yang lebih rendah (tembaga, perak, plumbum, nikel) dipisahkan terlebih dahulu di katod; logam alkali tanah adalah yang paling sukar untuk diasingkan. Di samping itu, sentiasa terdapat ion hidrogen dalam larutan akueus, yang akan dibebaskan lebih awal daripada semua logam dengan potensi normal negatif, oleh itu, semasa elektrolisis yang terakhir, tenaga yang ketara atau bahkan sebahagian besar dibelanjakan untuk pembebasan hidrogen. .

Dengan bantuan langkah khas, adalah mungkin untuk menghalang evolusi hidrogen dalam had tertentu, tetapi logam dengan potensi normal kurang daripada 1 V (contohnya, magnesium, aluminium, logam alkali tanah) tidak boleh diperolehi dengan elektrolisis daripada larutan akueus. Ia diperoleh melalui penguraian garam cair logam ini.

Keupayaan elektrod biasa bagi bahan yang ditunjukkan dalam jadual.1, adalah minimum di mana proses elektrolisis bermula, dalam praktiknya nilai potensi yang besar diperlukan untuk pembangunan proses.

Perbezaan antara potensi sebenar elektrod semasa elektrolisis dan potensi normalnya dipanggil voltan lampau. Ia meningkatkan kehilangan tenaga semasa elektrolisis.

Sebaliknya, meningkatkan voltan lampau untuk ion hidrogen menjadikannya sukar untuk melepaskannya di katod, yang memungkinkan untuk memperoleh melalui elektrolisis daripada larutan akueus sejumlah logam yang lebih negatif daripada hidrogen, seperti plumbum, timah, nikel. , kobalt, kromium dan juga zink. Ini dicapai dengan menjalankan proses pada peningkatan ketumpatan arus pada elektrod, serta dengan memasukkan bahan tertentu ke dalam elektrolit.

Perjalanan tindak balas katodik dan anodik semasa elektrolisis ditentukan oleh dua hukum Faraday berikut.

1. Jisim bahan md yang dibebaskan semasa elektrolisis dalam katod atau dihantar dari anod ke elektrolit adalah berkadar dengan jumlah elektrik yang melalui elektrolit Azτ: me = α/τ, di sini a ialah persamaan elektrokimia bagi bahan itu. , g / C.

2. Jisim bahan yang dibebaskan semasa elektrolisis dengan jumlah elektrik yang sama adalah berkadar terus dengan jisim atom bahan A dan berkadar songsang dengan valensnya n: mNS = A / 96480n, di sini 96480 ialah nombor Faraday, C x mol -1 .

Dengan cara ini, kesetaraan elektrokimia bahan α= A / 96480n mewakili jisim bahan dalam gram yang dibebaskan oleh jumlah unit elektrik yang melalui mandi elektrolitik — coulomb (ampere-saat).

Untuk kuprum A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g / C, untuk nikel α =0.000304 g / C, untuk zink α = 0.00034 g / C

Malah, jisim bahan yang dilepaskan sentiasa kurang daripada yang ditunjukkan, yang dijelaskan oleh beberapa proses sampingan yang berlaku di dalam tab mandi (contohnya, pelepasan hidrogen pada katod), kebocoran arus dan litar pintas antara elektrod.

Nisbah jisim bahan yang sebenarnya dibebaskan kepada jisimnya yang sepatutnya dibebaskan mengikut hukum Faraday dipanggil hasil semasa bahan η1.

Oleh itu, untuk proses sebenar mNS = η1 NS (A / 96480n) NS Ia

Sememangnya, sentiasa η1

Kecekapan semasa amat bergantung kepada ketumpatan arus elektrod. Apabila ketumpatan arus elektrod meningkat, kecekapan arus meningkat dan kecekapan proses meningkat.

Voltan Uel yang mesti dibekalkan kepada elektroliser terdiri daripada: voltan pecahan Ep (perbezaan potensi tindak balas anodik dan katodik), jumlah voltan lampau anodik dan katodik, penurunan voltan dalam elektrolit Ep, penurunan voltan dalam elektrolit Ue = IRep (Rep — rintangan elektrolitik), penurunan voltan dalam tayar, sesentuh, elektrod Uc = I(Rw +Rto +RNS). Kami mendapat: Uel = Ep + Ep + Ue + Kami.

Kuasa yang digunakan semasa elektrolisis adalah sama dengan: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Daripada kuasa ini, hanya komponen pertama digunakan untuk menjalankan tindak balas, selebihnya adalah kehilangan haba proses. Hanya semasa elektrolisis garam cair, sebahagian daripada haba yang dibebaskan dalam elektrolit IUe digunakan dengan berguna, kerana ia dibelanjakan untuk mencairkan garam yang dicas dalam elektrolisis.

Kecekapan mandi elektrolisis boleh dianggarkan oleh jisim bahan dalam gram yang dikeluarkan setiap 1 J elektrik yang digunakan.Nilai ini dipanggil hasil tenaga bahan. Ia boleh didapati dengan ungkapan qe = (αη1) /Uel100, di sini α — setara elektrokimia bahan, g / C, η1 — keluaran semasa, Uemail — voltan elektrolitik sel, V.