Elektrolys — handlingsprincip, syfte och tillämpning

Elektrolysprocesser

Elektrolys är utbrett inom icke-järnmetallurgi och i ett antal kemiska industrier. Metaller som aluminium, zink, magnesium erhålls huvudsakligen genom elektrolys. Dessutom används elektrolys för att förädla (rena) koppar, nickel, bly, samt för att producera väte, syre, klor och en rad andra kemikalier.

Kärnan i elektrolys är separationen av partiklar av ämnet från elektrolyten när en likström passerar genom elektrolytbadet och deras avsättning på elektroder nedsänkta i badet (elektroextraktion) eller när ämnen överförs från en elektrod genom elektrolyten till en annan ( elektrolytisk raffinering). I båda fallen är målet med processerna att få fram så renaste möjliga ämnen som inte är kontaminerade med föroreningar.

I kontrast elektronisk ledningsförmåga metaller i elektrolyter (lösningar av salter, syror och baser i vatten och i vissa andra lösningsmedel, såväl som i smälta föreningar), observeras jonledningsförmåga.

Elektrolyter är andra klassens ledare.I dessa lösningar och smältor sker elektrolytisk dissociation - sönderdelningen av positivt och negativt laddade joner.

Om elektroder anslutna till en elektrisk energikälla placeras i ett kärl med en elektrolyt - en elektrolysör, kommer en jonström att börja flyta i den, och positivt laddade joner - katjoner kommer att flytta till katoden (dessa är huvudsakligen metaller och väte ), och negativt laddade joner - anjoner (klor, syre) - till anoden.

Vid anoden ger anjonerna upp sin laddning och blir neutrala partiklar som lägger sig på elektroden. Vid katoden tar katjonerna elektroner från elektroden och neutraliseras också, sätter sig på den, och gaserna som frigörs på elektroderna i form av bubblor stiger upp.

Ris. 1. Processer under elektrolys. Elektrisk badkrets: 1 — bad, 2 — elektrolyt, 3 — anod, 4 — katod, 5 — strömförsörjning

Den elektriska strömmen i den externa kretsen är rörelsen av elektroner från anoden till katoden (fig. 1). I detta fall är lösningen utarmad, och för att upprätthålla kontinuiteten i elektrolysprocessen måste den anrikas. Det är så vissa ämnen utvinns ur elektrolyten (elektroextraktion).

Om anoden kan lösas upp i elektrolyten, när den senare är utarmad, får dess partiklar, som löser sig i elektrolyten, en positiv laddning och riktas till katoden, på vilken de avsätts, och överför därigenom material från anoden till katoden. . Eftersom processen utförs så att föroreningarna som finns i anodens metall inte överförs till katoden, kallas denna process elektrolytisk raffinering.

Om elektroden placeras i en lösning med joner av samma ämne som den är gjord av, så löses varken elektroden vid en viss potential mellan elektroden och lösningen eller substansen avsätts på den från lösningen.

Denna potential kallas ämnets normala potential. Om en mer negativ potential appliceras på elektroden kommer frisättningen av ett ämne (katodisk process) att börja på den, men om den är mer positiv kommer dess upplösning att börja (anodisk process).

Värdet på normala potentialer beror på jonkoncentration och temperatur. Det är allmänt accepterat att betrakta den normala potentialen för väte som noll. Tabell 1 visar de normala elektrodpotentialerna för vissa vattenlösningar av ämnen vid + 25 ° C.

Tabell 1. Normala elektrodpotentialer vid +25 °C

Om elektrolyten innehåller joner av olika metaller, separeras joner med en lägre negativ normal potential (koppar, silver, bly, nickel) först vid katoden; alkaliska jordartsmetaller är de svåraste att isolera. Dessutom finns det alltid vätejoner i vattenlösningar, som kommer att frigöras tidigare än alla metaller med en negativ normal potential, därför, under elektrolysen av de senare, spenderas en betydande eller till och med det mesta av energin på frigörandet av väte .

Med hjälp av speciella åtgärder är det möjligt att förhindra utveckling av väte inom vissa gränser, men metaller med en normal potential på mindre än 1 V (till exempel magnesium, aluminium, alkaliska jordartsmetaller) kan inte erhållas genom elektrolys från en vattenlösning. De erhålls genom nedbrytning av de smälta salterna av dessa metaller.

Normala elektrodpotentialer för ämnen som anges i tabellen.1, är minimala då elektrolysprocessen börjar, i praktiken krävs stora värden av potentialen för utvecklingen av processen.

Skillnaden mellan den faktiska potentialen för en elektrod under elektrolys och dess normala potential kallas överspänning. Det ökar energiförlusterna under elektrolys.

Å andra sidan gör en ökning av överspänningen för vätejoner det svårt att frigöra den vid katoden, vilket gör det möjligt att genom elektrolys från vattenlösningar få fram ett antal metaller som är mer negativa än väte, såsom bly, tenn, nickel , kobolt, krom och även zink. Detta uppnås genom att genomföra processen med ökade strömtätheter på elektroderna, samt genom att införa vissa ämnen i elektrolyten.

Förloppet av katodiska och anodiska reaktioner under elektrolys bestäms av följande två lagar i Faraday.

1. Massan av ämnet md som frigörs under elektrolys i katoden eller passerar från anoden till elektrolyten är proportionell mot mängden elektricitet som passerar genom elektrolyten Azτ: me = α/τ, här är a ämnets elektrokemiska ekvivalent. , g/C.

2. Massan av ämnet som frigörs under elektrolys med samma mängd elektricitet är direkt proportionell mot atommassan av ämne A och omvänt proportionell mot dess valens n: mNS = A / 96480n, här är 96480 Faraday-talet, C x mol -1 .

På detta sätt representerar den elektrokemiska ekvivalenten av ett ämne α= A / 96480n massan av ett ämne i gram som frigörs av en enhetsmängd elektricitet som passerar genom det elektrolytiska badet - en coulomb (amperesekund).

För koppar A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, för nickel α =0,000304 g/C, för zink α = 0,00034 g/C

Faktum är att massan av det frigjorda ämnet alltid är mindre än vad som anges, vilket förklaras av ett antal sidoprocesser som äger rum i badet (till exempel vätefrigöring vid katoden), strömläckage och kortslutning mellan elektroderna.

Förhållandet mellan massan av ämnet som faktiskt frigörs och dess massa som skulle ha frigjorts enligt Faradays lag kallas det aktuella utbytet av ämnet η1.

Därför, för en verklig process mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Naturligtvis alltid η1

Strömeffektiviteten är väsentligt beroende av elektrodens strömtäthet. När elektrodens strömtäthet ökar, ökar strömeffektiviteten och processeffektiviteten ökar.

Spänningen Uel som måste tillföras elektrolysatorn består av: genombrottsspänning Ep (potentialskillnad mellan de anodiska och katodiska reaktionerna), summan av de anodiska och katodiska överspänningarna, spänningsfallet i elektrolyten Ep, spänningsfallet i elektrolyten Ue = IRep (Rep — elektrolytiskt motstånd), spänningsfall i däck, kontakter, elektroder Uc = I(Rw +Rto +RNS). Vi får: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Effekten som förbrukas under elektrolys är lika med: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Av denna effekt används endast den första komponenten för att genomföra reaktioner, resten är värmeförluster i processen. Endast under elektrolysen av de smälta salterna används en del av värmen som frigörs i elektrolyten IUe, eftersom den går åt till att smälta de salter som laddas i elektrolysatorn.

Effektiviteten hos elektrolysbadet kan uppskattas av massan av ämnet i gram som frigörs per 1 J förbrukad el.Detta värde kallas energiutbytet för ett ämne. Det kan hittas av uttrycket qe = (αη1) /Uel100, här α — elektrokemisk ekvivalent av ett ämne, g / C, η1 — strömutgång, Uemail — spänning hos en elektrolytikum cell, V.