Electrolysis - prinsipyo ng pagkilos, layunin at aplikasyon

Mga proseso ng electrolysis

Ang electrolysis ay laganap sa non-ferrous metalurgy at sa ilang industriya ng kemikal. Ang mga metal tulad ng aluminyo, sink, magnesiyo ay pangunahing nakuha sa pamamagitan ng electrolysis. Bilang karagdagan, ang electrolysis ay ginagamit upang pinuhin (purify) ang tanso, nikel, tingga, gayundin upang makagawa ng hydrogen, oxygen, chlorine at ilang iba pang mga kemikal.

Ang kakanyahan ng electrolysis ay ang paghihiwalay ng mga particle ng sangkap mula sa electrolyte kapag ang isang direktang kasalukuyang dumadaan sa electrolytic bath at ang kanilang pag-aalis sa mga electrodes na nahuhulog sa paliguan (electroextraction) o kapag ang mga sangkap ay inilipat mula sa isang electrode sa pamamagitan ng electrolyte patungo sa isa pa ( electrolytic refining). Sa parehong mga kaso, ang layunin ng mga proseso ay upang makuha ang pinakamadalisay na posibleng mga sangkap na hindi kontaminado ng mga impurities.

Sa kaibahan elektronikong kondaktibiti mga metal sa electrolytes (mga solusyon ng mga asing-gamot, acid at base sa tubig at sa ilang iba pang mga solvents, pati na rin sa mga tinunaw na compound), ang ionic conductivity ay sinusunod.

Ang mga electrolyte ay pangalawang klase na konduktor.Sa mga solusyon at natutunaw na ito, nagaganap ang electrolytic dissociation — ang pagkawatak-watak ng mga positibo at negatibong sisingilin na mga ion.

Kung ang mga electrodes na konektado sa isang mapagkukunan ng elektrikal na enerhiya ay inilalagay sa isang sisidlan na may isang electrolyte - isang electrolyzer, kung gayon ang isang ionic na kasalukuyang ay magsisimulang dumaloy dito, at ang mga positibong sisingilin na mga ions - ang mga cation ay lilipat sa katod (ito ay higit sa lahat mga metal at hydrogen. ), at mga ion na may negatibong sisingilin — mga anion (chlorine, oxygen) — sa anode.

Sa anode, ibinibigay ng mga anion ang kanilang singil at nagiging mga neutral na particle na tumira sa elektrod. Sa katod, ang mga cation ay kumukuha ng mga electron mula sa elektrod at na-neutralize din, na naninirahan dito, at ang mga gas na inilabas sa mga electrodes sa anyo ng mga bula ay tumaas.

kanin. 1. Mga proseso sa panahon ng electrolysis. Electric bath circuit: 1 — paliguan, 2 — electrolyte, 3 — anode, 4 — cathode, 5 — power supply

Ang electric current sa panlabas na circuit ay ang paggalaw ng mga electron mula sa anode patungo sa katod (Larawan 1). Sa kasong ito, ang solusyon ay naubos, at upang mapanatili ang pagpapatuloy ng proseso ng electrolysis, dapat itong pagyamanin. Ito ay kung paano kinukuha ang ilang mga sangkap mula sa electrolyte (electroextraction).

Kung ang anode ay maaaring matunaw sa electrolyte, dahil ang huli ay naubos, kung gayon ang mga particle nito, na natutunaw sa electrolyte, ay nakakakuha ng isang positibong singil at nakadirekta sa cathode, kung saan sila ay idineposito, at sa gayon ay inililipat ang materyal mula sa anode patungo sa cathode . Dahil ang proseso ay isinasagawa upang ang mga impurities na nakapaloob sa metal ng anode ay hindi mailipat sa katod, ang prosesong ito ay tinatawag na electrolytic refining.

Kung ang elektrod ay inilagay sa isang solusyon na may mga ion ng parehong sangkap kung saan ito ginawa, kung gayon sa isang tiyak na potensyal sa pagitan ng elektrod at solusyon ay hindi natutunaw ang elektrod o ang sangkap ay idineposito dito mula sa solusyon.

Ang potensyal na ito ay tinatawag na normal na potensyal ng sangkap. Kung ang isang mas negatibong potensyal ay inilapat sa elektrod, pagkatapos ay ang paglabas ng isang sangkap (cathodic na proseso) ay magsisimula dito, ngunit kung ito ay mas positibo, pagkatapos ay ang pagkalusaw nito ay magsisimula (anodic na proseso).

Ang halaga ng mga normal na potensyal ay nakasalalay sa konsentrasyon at temperatura ng ion. Karaniwang tinatanggap na isaalang-alang ang normal na potensyal ng hydrogen na maging zero. Ipinapakita sa talahanayan 1 ang mga normal na potensyal ng elektrod ng ilang may tubig na solusyon ng mga sangkap sa + 25 ° C.

Talahanayan 1. Mga normal na potensyal ng elektrod sa + 25 ° C

Kung ang electrolyte ay naglalaman ng mga ion ng iba't ibang mga metal, ang mga ion na may mas mababang negatibong normal na potensyal (tanso, pilak, tingga, nikel) ay pinaghihiwalay muna sa katod; Ang mga alkaline earth metal ay ang pinakamahirap na ihiwalay. Bilang karagdagan, palaging mayroong mga hydrogen ions sa may tubig na mga solusyon, na ilalabas nang mas maaga kaysa sa lahat ng mga metal na may negatibong normal na potensyal, samakatuwid, sa panahon ng electrolysis ng huli, isang makabuluhang o kahit na karamihan ng enerhiya ay ginugol sa pagpapalabas ng hydrogen. .

Sa tulong ng mga espesyal na hakbang, posibleng pigilan ang ebolusyon ng hydrogen sa loob ng ilang partikular na limitasyon, ngunit ang mga metal na may normal na potensyal na mas mababa sa 1 V (halimbawa, magnesium, aluminum, alkaline earth metals) ay hindi maaaring makuha sa pamamagitan ng electrolysis mula sa isang may tubig na solusyon. Nakukuha ang mga ito sa pamamagitan ng agnas ng mga tinunaw na asing-gamot ng mga metal na ito.

Mga normal na potensyal ng elektrod ng mga sangkap na ipinahiwatig sa talahanayan.1, ay minimal kung saan nagsisimula ang proseso ng electrolysis, sa pagsasagawa ng malalaking halaga ng potensyal ay kinakailangan para sa pagbuo ng proseso.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng aktwal na potensyal ng isang elektrod sa panahon ng electrolysis at ang normal na potensyal nito ay tinatawag na overvoltage. Pinatataas nito ang pagkawala ng enerhiya sa panahon ng electrolysis.

Sa kabilang banda, ang pagtaas ng overvoltage para sa mga hydrogen ions ay nagpapahirap na palabasin ito sa cathode, na ginagawang posible na makakuha ng electrolysis mula sa mga may tubig na solusyon ng isang bilang ng mga metal na mas negatibo kaysa sa hydrogen, tulad ng lead, tin, nickel. , kobalt, kromo at kahit sink. Ito ay nakamit sa pamamagitan ng pagsasagawa ng proseso sa tumaas na kasalukuyang mga densidad sa mga electrodes, pati na rin sa pamamagitan ng pagpapasok ng ilang mga sangkap sa electrolyte.

Ang kurso ng cathodic at anodic na reaksyon sa panahon ng electrolysis ay tinutukoy ng sumusunod na dalawang batas ng Faraday.

1. Ang mass ng substance md na inilabas sa panahon ng electrolysis sa cathode o naipasa mula sa anode patungo sa electrolyte ay proporsyonal sa dami ng kuryenteng dumaan sa electrolyte Azτ: me = α/τ, narito ang isang electrochemical equivalent ng substance , g / C.

2. Ang mass ng substance na inilabas sa panahon ng electrolysis na may parehong dami ng kuryente ay direktang proporsyonal sa atomic mass ng substance A at inversely proportional sa valence nito n: mNS = A / 96480n, dito 96480 ay ang Faraday number, C x mol -1 .

Sa ganitong paraan, ang electrochemical equivalent ng isang substance α= A / 96480n ay kumakatawan sa mass ng isang substance sa gramo na inilabas ng isang unit na dami ng kuryente na dumadaan sa electrolytic bath — isang coulomb (ampere-second).

Para sa tansong A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g / C, para sa nickel α =0.000304 g / C, para sa zinc α = 0.00034 g / C

Sa katunayan, ang masa ng inilabas na sangkap ay palaging mas mababa kaysa sa ipinahiwatig, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng isang bilang ng mga side process na nagaganap sa paliguan (halimbawa, ang paglabas ng hydrogen sa katod), kasalukuyang pagtagas at maikling circuit sa pagitan ng mga electrodes.

Ang ratio ng mass ng substance na aktwal na inilabas sa mass nito na dapat na inilabas ayon sa batas ng Faraday ay tinatawag na kasalukuyang yield ng substance η1.

Samakatuwid, para sa isang tunay na proseso mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Natural, palaging η1

Ang kasalukuyang kahusayan ay makabuluhang nakasalalay sa kasalukuyang density ng elektrod. Habang tumataas ang density ng kasalukuyang elektrod, tumataas ang kasalukuyang kahusayan at tumataas ang kahusayan ng proseso.

Ang boltahe na Uel na dapat ibigay sa electrolyser ay binubuo ng: breakdown voltage Ep (potensyal na pagkakaiba ng anodic at cathodic reactions), ang kabuuan ng anodic at cathodic overvoltages, ang pagbaba ng boltahe sa electrolyte Ep, ang pagbaba ng boltahe sa electrolyte Ue = IRep (Rep — electrolytic resistance), pagbaba ng boltahe sa mga gulong, contact, electrodes Uc = I(Rw +Rto +RNS). Nakukuha namin ang: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Ang kuryenteng natupok sa panahon ng electrolysis ay katumbas ng: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Sa kapangyarihang ito, ang unang bahagi lamang ang ginagamit para sa pagsasagawa ng mga reaksyon, ang natitira ay mga pagkawala ng init ng proseso. Sa panahon lamang ng electrolysis ng mga tinunaw na asing-gamot, ang bahagi ng init na inilabas sa electrolyte IUe ay kapaki-pakinabang na ginagamit, dahil ito ay ginugol sa pagtunaw ng mga asing-gamot na sinisingil sa electrolyzer.

Ang kahusayan ng electrolysis bath ay maaaring matantya sa pamamagitan ng masa ng substance sa gramo na inilabas sa bawat 1 J ng kuryenteng natupok.Ang halagang ito ay tinatawag na energy yield ng isang substance. Ito ay matatagpuan sa pamamagitan ng expression na qe = (αη1) /Uel100, dito α — electrochemical equivalent ng substance, g / C, η1 — current output, Uemail — boltahe ng electrolytic cell, V.