Elektrolyse — handlingsprincip, formål og anvendelse

Elektrolyseprocesser

Elektrolyse er udbredt i non-ferro metallurgi og i en række kemiske industrier. Metaller som aluminium, zink, magnesium opnås hovedsageligt ved elektrolyse. Derudover bruges elektrolyse til at raffinere (oprense) kobber, nikkel, bly samt til at producere brint, oxygen, klor og en række andre kemikalier.

Essensen af ​​elektrolyse er adskillelsen af ​​partikler af stoffet fra elektrolytten, når en jævnstrøm passerer gennem elektrolytbadet og deres aflejring på elektroder nedsænket i badet (elektroekstraktion), eller når stoffer overføres fra en elektrode gennem elektrolytten til en anden ( elektrolytisk raffinering). I begge tilfælde er målet med processerne at opnå de renest mulige stoffer, der ikke er forurenet med urenheder.

I modsætning elektronisk ledningsevne metaller i elektrolytter (opløsninger af salte, syrer og baser i vand og i nogle andre opløsningsmidler, såvel som i smeltede forbindelser), observeres ionisk ledningsevne.

Elektrolytter er anden klasses ledere.I disse opløsninger og smelter finder elektrolytisk dissociation sted - opløsningen af ​​positivt og negativt ladede ioner.

Hvis elektroder forbundet til en kilde til elektrisk energi anbringes i en beholder med en elektrolyt - en elektrolysator, begynder en ionstrøm at strømme i den, og positivt ladede ioner - kationer vil bevæge sig til katoden (disse er hovedsageligt metaller og brint) ), og negativt ladede ioner - anioner (klor, oxygen) - til anoden.

Ved anoden opgiver anionerne deres ladning og bliver til neutrale partikler, der sætter sig på elektroden. Ved katoden tager kationerne elektroner fra elektroden og neutraliseres også, sætter sig på den, og de gasser, der frigives på elektroderne i form af bobler, stiger op.

Ris. 1. Processer under elektrolyse. Elektrisk badkredsløb: 1 — bad, 2 — elektrolyt, 3 — anode, 4 — katode, 5 — strømforsyning

Den elektriske strøm i det eksterne kredsløb er bevægelsen af ​​elektroner fra anoden til katoden (fig. 1). I dette tilfælde er opløsningen udtømt, og for at opretholde kontinuiteten i elektrolyseprocessen skal den beriges. Sådan udvindes visse stoffer fra elektrolytten (elektroekstraktion).

Hvis anoden kan opløses i elektrolytten, efterhånden som denne er udtømt, får dens partikler, der opløses i elektrolytten, en positiv ladning og ledes til katoden, hvorpå de aflejres, hvorved materiale overføres fra anoden til katoden. . Da processen udføres således, at urenhederne i anodens metal ikke overføres til katoden, kaldes denne proces elektrolytisk raffinering.

Hvis elektroden placeres i en opløsning med ioner af det samme stof, som den er lavet af, så ved et vist potentiale mellem elektroden og opløsningen opløses hverken elektroden eller stoffet aflejres på den fra opløsningen.

Dette potentiale kaldes stoffets normale potentiale. Hvis der påføres et mere negativt potentiale på elektroden, vil frigivelsen af ​​et stof (katodisk proces) begynde på det, men hvis det er mere positivt, vil dets opløsning begynde (anodisk proces).

Værdien af ​​normale potentialer afhænger af ionkoncentration og temperatur. Det er generelt accepteret at betragte brints normale potentiale som nul. Tabel 1 viser de normale elektrodepotentialer for nogle vandige opløsninger af stoffer ved + 25 ° C.

Tabel 1. Normale elektrodepotentialer ved + 25 °C

Hvis elektrolytten indeholder ioner af forskellige metaller, adskilles ioner med et lavere negativt normalt potentiale (kobber, sølv, bly, nikkel) først ved katoden; jordalkalimetaller er de sværeste at isolere. Derudover er der altid hydrogenioner i vandige opløsninger, som vil blive frigivet tidligere end alle metaller med et negativt normalt potentiale, derfor, under elektrolysen af ​​sidstnævnte, bruges en betydelig eller endda det meste af energien på frigivelsen af ​​brint .

Ved hjælp af særlige foranstaltninger er det muligt at forhindre udvikling af brint inden for visse grænser, men metaller med et normalt potentiale på mindre end 1 V (f.eks. magnesium, aluminium, jordalkalimetaller) kan ikke opnås ved elektrolyse fra en vandig opløsning. De opnås ved nedbrydning af de smeltede salte af disse metaller.

Normale elektrodepotentialer for stoffer angivet i tabel.1, er minimale, hvor elektrolyseprocessen begynder, kræves der i praksis store værdier af potentialet til udviklingen af ​​processen.

Forskellen mellem det faktiske potentiale af en elektrode under elektrolyse og dens normale potentiale kaldes overspænding. Det øger energitabet under elektrolyse.

På den anden side gør en forøgelse af overspændingen for brintioner det vanskeligt at frigive den ved katoden, hvilket gør det muligt ved elektrolyse fra vandige opløsninger at opnå en række metaller, der er mere negative end brint, såsom bly, tin, nikkel , kobolt, krom og endda zink. Dette opnås ved at udføre processen ved øgede strømtætheder på elektroderne, samt ved at indføre visse stoffer i elektrolytten.

Forløbet af katodiske og anodiske reaktioner under elektrolyse bestemmes af de følgende to love i Faraday.

1. Massen af ​​stoffet md, der frigives under elektrolyse i katoden eller føres fra anoden til elektrolytten, er proportional med mængden af ​​elektricitet, der føres gennem elektrolytten Azτ: me = α/τ, her er a den elektrokemiske ækvivalent af stoffet , g/C.

2. Massen af ​​stoffet frigivet under elektrolyse med samme mængde elektricitet er direkte proportional med atommassen af ​​stof A og omvendt proportional med dets valens n: mNS = A / 96480n, her er 96480 Faraday-tallet, C x mol -1.

På denne måde repræsenterer den elektrokemiske ækvivalent af et stof α= A / 96480n massen af ​​et stof i gram frigivet af en enhedsmængde af elektricitet, der passerer gennem det elektrolytiske bad - en coulomb (amperesekund).

For kobber A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, for nikkel α =0,000304 g/C, for zink α = 0,00034 g/C

Faktisk er massen af ​​det frigjorte stof altid mindre end angivet, hvilket forklares med en række sideprocesser, der finder sted i badet (for eksempel brintfrigivelse ved katoden), strømlækage og kortslutning mellem elektroderne.

Forholdet mellem massen af ​​stoffet, der faktisk frigives, og dets masse, der skulle have været frigivet ifølge Faradays lov, kaldes det aktuelle udbytte af stoffet η1.

Derfor, for en reel proces mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Naturligvis altid η1

Strømeffektiviteten er væsentligt afhængig af elektrodens strømtæthed. Når elektrodestrømtætheden stiger, øges strømeffektiviteten, og proceseffektiviteten øges.

Spændingen Uel, der skal tilføres elektrolysatoren, består af: gennembrudsspænding Ep (potentialeforskel af de anodiske og katodiske reaktioner), summen af ​​de anodiske og katodiske overspændinger, spændingsfaldet i elektrolytten Ep, spændingsfaldet i elektrolytten Ue = IRep (Rep — elektrolytisk modstand), spændingsfald i dæk, kontakter, elektroder Uc = I(Rw +Rto +RNS). Vi får: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Strømforbruget under elektrolyse er lig med: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Af denne effekt bruges kun den første komponent til at udføre reaktioner, resten er varmetab af processen. Kun under elektrolysen af ​​de smeltede salte bruges en del af den varme, der frigives i elektrolytten IUe, med fordel, da den bruges på at smelte de salte, der er ladet i elektrolysatoren.

Effektiviteten af ​​elektrolysebadet kan estimeres ved massen af ​​stof i gram frigivet pr. 1 J forbrugt elektricitet.Denne værdi kaldes et stofs energiudbytte. Den kan findes ved udtrykket qe = (αη1) /Uel100, her α — elektrokemisk ækvivalent af et stof, g / C, η1 — strømudgang, Uemail — spænding af en elektrolytikum celle, V.