Elektrolyysi – toimintaperiaate, tarkoitus ja käyttö

Elektrolyysiprosessit

Elektrolyysi on yleistä ei-rautametallien metallurgiassa ja useilla kemianteollisuuden aloilla. Metalleja, kuten alumiinia, sinkkiä ja magnesiumia, saadaan pääasiassa elektrolyysillä. Lisäksi elektrolyysiä käytetään kuparin, nikkelin, lyijyn jalostukseen (puhdistukseen) sekä vedyn, hapen, kloorin ja useiden muiden kemikaalien tuottamiseen.

Elektrolyysin ydin on aineen hiukkasten erottaminen elektrolyytistä, kun tasavirta kulkee elektrolyyttihauteen läpi ja niiden kerrostuminen kylpyyn upotetuille elektrodeille (sähköuutto) tai kun aineita siirretään yhdeltä elektrodilta elektrolyytin kautta toiseen ( elektrolyyttinen raffinointi). Molemmissa tapauksissa prosessien tavoitteena on saada mahdollisimman puhtaita aineita, jotka eivät ole epäpuhtauksien saastuttamia.

Verrattuna elektroninen johtavuus metallit elektrolyyteissä (suolojen, happojen ja emästen liuokset vedessä ja joissakin muissa liuottimissa sekä sulaissa yhdisteissä), havaitaan ionijohtavuus.

Elektrolyytit ovat toisen luokan johtimia.Näissä liuoksissa ja sulaissa tapahtuu elektrolyyttistä dissosiaatiota — positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden ionien hajoamista.

Jos sähköenergian lähteeseen kytketyt elektrodit asetetaan astiaan, jossa on elektrolyytti - elektrolysaattori, siinä alkaa virrata ionivirtaa ja positiivisesti varautuneet ionit - kationit siirtyvät katodille (nämä ovat pääasiassa metalleja ja vetyä ) ja negatiivisesti varautuneet ionit - anionit (kloori, happi) - anodille.

Anodilla anionit luovuttavat varauksensa ja muuttuvat neutraaleiksi hiukkasiksi, jotka asettuvat elektrodille. Katodilla kationit ottavat elektroneja elektrodista ja myös neutraloituvat, laskeutuvat sille, ja elektrodeille kuplien muodossa vapautuvat kaasut nousevat ylös.

Riisi. 1. Prosessit elektrolyysin aikana. Sähkökylpypiiri: 1 — kylpy, 2 — elektrolyytti, 3 — anodi, 4 — katodi, 5 — virtalähde

Sähkövirta ulkoisessa piirissä on elektronien liikettä anodista katodille (kuva 1). Tässä tapauksessa liuos on käytetty loppuun, ja elektrolyysiprosessin jatkuvuuden ylläpitämiseksi sitä on rikastettava. Tällä tavalla tietyt aineet uutetaan elektrolyytistä (sähköuutto).

Jos anodi voi liueta elektrolyyttiin, kun jälkimmäinen on tyhjentynyt, niin sen elektrolyyttiin liukenevat hiukkaset saavat positiivisen varauksen ja ohjataan katodille, jolle ne kerrostuvat, jolloin materiaali siirtyy anodista katodille. . Koska prosessi suoritetaan siten, että anodin metallin sisältämät epäpuhtaudet eivät siirry katodille, tätä prosessia kutsutaan elektrolyyttiseksi jalostukseksi.

Jos elektrodi asetetaan liuokseen, jossa on saman aineen ioneja, joista se on valmistettu, niin elektrodin ja liuoksen välisessä tietyssä potentiaalissa elektrodi ei liukene eikä ainetta kerrostu sille liuoksesta.

Tätä potentiaalia kutsutaan aineen normaalipotentiaaliksi. Jos elektrodiin kohdistetaan negatiivisempi potentiaali, aineen vapautuminen (katodiprosessi) alkaa siitä, mutta jos se on positiivisempi, alkaa sen liukeneminen (anodinen prosessi).

Normaalipotentiaalien arvo riippuu ionipitoisuudesta ja lämpötilasta. On yleisesti hyväksyttyä pitää vedyn normaalipotentiaalia nollana. Taulukossa 1 on esitetty joidenkin aineiden vesiliuosten normaalit elektrodipotentiaalit + 25 °C:ssa.

Taulukko 1. Normaalit elektrodipotentiaalit + 25 °C:ssa

Jos elektrolyytti sisältää eri metallien ioneja, katodista erotetaan ensin ionit, joilla on pienempi negatiivinen normaalipotentiaali (kupari, hopea, lyijy, nikkeli); maa-alkalimetalleja on vaikein eristää. Lisäksi vesiliuoksissa on aina vetyioneja, jotka vapautuvat aikaisemmin kuin kaikki negatiivisen normaalipotentiaalin metallit, joten jälkimmäisten elektrolyysin aikana merkittävä tai jopa suurin osa energiasta kuluu vedyn vapautumiseen. .

Erikoistoimenpiteiden avulla vedyn kehittyminen voidaan estää tietyissä rajoissa, mutta alle 1 V:n normaalipotentiaalin metalleja (esim. magnesium, alumiini, maa-alkalimetallit) ei voida saada elektrolyysillä vesiliuos. Niitä saadaan hajottamalla näiden metallien sulat suolat.

Taulukossa esitetyt aineiden normaalit elektrodipotentiaalit.1, ovat minimaalisia, jolloin elektrolyysiprosessi alkaa, käytännössä prosessin kehittämiseen tarvitaan suuria potentiaaliarvoja.

Eroa elektrodin todellisen elektrolyysin aikaisen potentiaalin ja sen normaalipotentiaalin välillä kutsutaan ylijännitteeksi. Se lisää energiahäviöitä elektrolyysin aikana.

Toisaalta vetyionien ylijännitteen lisääminen vaikeuttaa sen vapauttamista katodilla, mikä mahdollistaa vesiliuoksista elektrolyysin avulla useita vetyä negatiivisempia metalleja, kuten lyijyä, tinaa, nikkeliä. , kobolttia, kromia ja jopa sinkkiä. Tämä saavutetaan suorittamalla prosessi lisääntyneillä virrantiheyksillä elektrodeilla sekä lisäämällä tiettyjä aineita elektrolyyttiin.

Katodisten ja anodisten reaktioiden kulku elektrolyysin aikana määräytyy seuraavien kahden Faradayn lain mukaan.

1. Katodissa elektrolyysin aikana vapautuneen tai anodista elektrolyyttiin siirtyneen aineen massa md on verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneeseen sähkömäärään Azτ: me = α/τ, tässä a on aineen sähkökemiallinen ekvivalentti , g/C.

2. Elektrolyysissä samalla sähkömäärällä vapautuvan aineen massa on suoraan verrannollinen aineen A atomimassaan ja kääntäen verrannollinen sen valenssiin n: mNS = A / 96480n, tässä 96480 on Faraday-luku, C x mol -1.

Tällä tavalla aineen sähkökemiallinen ekvivalentti α= A / 96480n edustaa aineen massaa grammoina, joka vapautuu elektrolyysikylvyn läpi kulkevan sähkön yksikkömäärästä — kulona (ampeerisekunti).

Kuparille A = 63,54, n = 2, α = 63,54/96480-2 = 0,000329 g / C, nikkelille α = 0,000304 g / C, sinkille α = 0,00034 g / C

Itse asiassa vapautuvan aineen massa on aina ilmoitettua pienempi, mikä selittyy useilla kylvyssä tapahtuvilla sivuprosesseilla (esim. vedyn vapautuminen katodilla), virtavuodolla ja elektrodien välisellä oikosulkulla.

Todellisuudessa vapautuneen aineen massan suhdetta sen massaan, joka Faradayn lain mukaan olisi pitänyt vapautua, kutsutaan aineen nykyiseksi saantoksi η1.

Siksi todelliselle prosessille mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Luonnollisesti aina η1

Virran hyötysuhde riippuu merkittävästi elektrodin virrantiheydestä. Kun elektrodin virrantiheys kasvaa, virran hyötysuhde kasvaa ja prosessin tehokkuus kasvaa.

Elektrolysaattoriin syötettävä jännite Uel koostuu: läpilyöntijännitteestä Ep (anodisen ja katodisen reaktion potentiaaliero), anodisten ja katodisten ylijännitteiden summasta, elektrolyytin jännitehäviöstä Ep, jännitehäviöstä elektrolyytissä Ue = IRep (Rep — elektrolyyttivastus), jännitehäviö renkaissa, koskettimissa, elektrodeissa Uc = I(Rw +Rto +RNS). Saamme: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Elektrolyysin aikana kulutettu teho on yhtä suuri kuin: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Tästä tehosta vain ensimmäinen komponentti käytetään reaktioiden suorittamiseen, loput ovat prosessin lämpöhäviöitä. Ainoastaan ​​sulan suolojen elektrolyysin aikana osa elektrolyytissä IUe vapautuvasta lämmöstä käytetään hyödyllisesti, koska se kuluu elektrolysaattoriin ladattujen suolojen sulattamiseen.

Elektrolyysikylvyn hyötysuhde voidaan arvioida vapautuneen aineen massalla grammoina per 1 J kulutettua sähköä.Tätä arvoa kutsutaan aineen energiantuotannon arvoksi, joka saadaan lausekkeella qe = (αη1) /Uel100, tässä α — aineen sähkökemiallinen ekvivalentti, g / C, η1 — virtalähde, Uemail — elektrolyytin jännite solu, V.