Elektrolyysi. Laskuesimerkkejä

Elektrolyysi on elektrolyytin (suolojen, happojen, emästen liuoksen) hajottamista sähkövirran avulla.

Elektrolyysi voidaan tehdä vain tasavirralla. Elektrolyysin aikana suolan sisältämä vety tai metalli vapautuu negatiivisessa elektrodissa (katodissa). Jos positiivinen elektrodi (anodi) on metallia (yleensä sama kuin suolassa), positiivinen elektrodi liukenee elektrolyysin aikana. Jos anodi on liukenematon (esim. hiili), elektrolyytin metallipitoisuus pienenee elektrolyysin aikana.

Katodilla elektrolyysin aikana vapautuvan aineen määrä on verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneen sähkön määrään.

Yhden kulon sähköä vapauttavaa aineen määrää kutsutaan A:n sähkökemialliseksi ekvivalentiksi, joten G = A • Q; G = A • I • t,

jossa G on eristetyn aineen määrä; Q on sähkön määrä; I - sähkövirta; t on aika.

Jokaisella metallilla on sähkökemiallinen vastineensa A.

Laskuesimerkkejä

1. Kuinka paljon kuparia vapautuu kuparisulfaatista (CuSO4) (kuva 1) virralla I = 10 A 30 minuutin ajan.Kuparin sähkökemiallinen ekvivalentti A = 0,329 mg / A • sek.

Riisi. 1. Kaavio esimerkiksi 1

G = A • I • t = 0,329 • 10 • 30 • 60 = 5922 mg = 5,922 g.

Katodille ripustettu esine vapauttaa 5,9 g puhdasta kuparia.

2. Kuparielektrolyyttipinnoitteen sallittu virrantiheys • = 0,4 A / dm2. Kuparilla päällystettävän katodin pinta-ala on S = 2,5 dm2. Mitä virtaa tarvitaan elektrolyysiin ja kuinka paljon kuparia vapautuu katodilla 1 tunnissa (kuva 2).

Riisi. 2. Kaavio esimerkiksi 2

I = •• S = 0,4-2,5 = 1 A; G = A • Q = A • I • t = 0,329 • 1 • 60 • 60 = 1184,4 mg.

3. Hapetettu vesi (esim. heikko rikkihapon H2SO4-liuos) hajoaa elektrolyysin aikana vedyksi ja hapeksi. Elektrodit voivat olla hiiltä, ​​tinaa, kuparia jne., mutta platina on paras. Kuinka paljon happea vapautuu anodilla ja kuinka paljon vetyä vapautuu katodilla 1/4 tunnissa 1,5 A:n virralla. Sähkön määrä 1 A sekunti vapauttaa 0,058 cm3 happea ja 0,116 cm3 vetyä (kuva . 3).

Riisi. 3. Kaavio esimerkiksi 3

Ga = A • I • t = 0,058 • 1,5 • 15 • 60 = 78,3 cm3 happea vapautuu katodilla.

Gc = A • I • t = 0,1162 • 1,5 • 15 • 60 = 156,8 cm3 vetyä vapautuu anodilla.

Vedyn ja hapen seosta tässä suhteessa kutsutaan räjähdysherkäksi kaasuksi, joka syttyessään räjähtää muodostaen vettä.

4. Laboratoriokokeita varten saadaan happea ja vetyä käyttämällä veden elektrolyysi (hapetettu rikkihappo) (kuva 4). Platinaelektrodit juotetaan lasiin. Resistanssin avulla asetetaan virta I = 0,5 A. (Virtalähteenä käytetään kolmen kuivakennon 1,9 V akkua) Kuinka paljon vetyä ja happea vapautuu 30 minuutin kuluttua.

Riisi. 4… Kuva 4 esimerkiksi

Oikeassa astiassa Gc = A • I • t = 0,1162 • 0,5 • 30 • 60 = 104,58 cm3 vetyä vapautuu.

Vasemmassa astiassa Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 happea kehittyy (kaasut syrjäyttävät veden keskisäiliössä).

5. Muunninlohko (moottori-generaattori) antaa virran elektrolyyttisen (puhtaan) kuparin saamiseksi. 8 tunnissa sinun pitäisi saada 20 kg hunajaa. Mitä virtaa generaattorin tulisi tarjota? • Kuparin sähkökemiallinen ekvivalentti on A = 0,329 mg / A • sek.

Koska G = A • I • t, ​​niin I = G / (A • t) = 20 000 000 / (0,329 • 8 • 3600) = 20 000 000 / 9475,2 = 2110,7 A.

6. On tarpeen kromata 200 ajovaloa, joista jokaiseen tarvitaan 3 g kromia. Kuinka paljon virtaa tarvitaan tämän työn suorittamiseen 10 tunnissa (kromi A:n sähkökemiallinen ekvivalentti = 0,18 mg / A • s).

I = G / (A • t) = (200 • 3 • 1000) / (0,18 • 10 • 3600) = 92,6 A.

7. Alumiinia saadaan elektrolyysillä kaoliinisaven ja kryoliitin liuoksesta kylvyissä kylvyn käyttöjännitteellä 7 V ja virralla 5000 A. Anodit on valmistettu kivihiilestä ja kylpy teräksestä hiilen kanssa lohkot (kuva 5).

Riisi. 5Esimerkiksi kuva 5

Alumiinin tuotantokylvyt kytketään sarjaan käyttöjännitteen lisäämiseksi (esim. 40 kylpyä). 1 kg alumiinin tuottamiseen tarvitaan noin 0,7 kg hiilianodeja ja 25-30 kWh sähköä. Määritä annettujen tietojen perusteella generaattorin teho, 10 käyttötunnin energiankulutus ja tuloksena olevan alumiinin paino.

Generaattorin teho käytettäessä 40 kylpyä P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.

Sähköenergian kulutus 10 tuntia, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.

Saatu alumiinin määrä G = 14000:25 = 560 kg.

Teoreettisen sähkökemiallisen ekvivalentin perusteella saadun alumiinin määrän tulisi olla yhtä suuri:

GT = A • I • t = 0,093 • 5000 • 40 • 10 • 3600 = 0,093 • 720 000 000 mg = 669,6 kg.

Elektrolyysiasennuksen hyötysuhde on yhtä suuri kuin: Hyötysuhde = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83 %.