Elektroliz — etki ilkesi, amaç ve uygulama

elektroliz işlemleri

Elektroliz, demir dışı metalurjide ve bir dizi kimya endüstrisinde yaygındır. Alüminyum, çinko, magnezyum gibi metaller esas olarak elektroliz ile elde edilir. Ek olarak, elektroliz bakır, nikel, kurşunu rafine etmek (saflaştırmak) ve ayrıca hidrojen, oksijen, klor ve bir dizi başka kimyasal üretmek için kullanılır.

Elektrolizin özü, elektrolit banyosundan bir doğru akım geçtiğinde ve banyoya daldırılmış elektrotlar üzerinde biriktirildiğinde (elektro ekstraksiyon) veya maddeler bir elektrottan elektrolit yoluyla diğerine aktarıldığında, madde parçacıklarının elektrolitten ayrılmasıdır. elektrolitik arıtma). Her iki durumda da süreçlerin amacı, safsızlıklarla kirlenmemiş mümkün olan en saf maddeleri elde etmektir.

Tersine elektronik iletkenlik elektrolitlerdeki metaller (sudaki ve diğer bazı çözücülerdeki ve ayrıca erimiş bileşiklerdeki tuzların, asitlerin ve bazların çözeltileri), iyonik iletkenlik gözlenir.

Elektrolitler ikinci sınıf iletkenlerdir.Bu çözeltilerde ve eriyiklerde, elektrolitik ayrışma gerçekleşir - pozitif ve negatif yüklü iyonların parçalanması.

Bir elektrik enerjisi kaynağına bağlı elektrotlar, bir elektrolit - bir elektrolizör içeren bir kaba yerleştirilirse, içinde bir iyonik akım akmaya başlar ve pozitif yüklü iyonlar - katyonlar katoda hareket eder (bunlar esas olarak metaller ve hidrojendir) ) ve negatif yüklü iyonlar - anyonlar (klor, oksijen) - anoda.

Anotta, anyonlar yüklerinden vazgeçerler ve elektrot üzerinde yerleşen nötr parçacıklar haline gelirler. Katotta katyonlar elektrottan elektron alır ve ayrıca nötralize edilerek üzerine yerleşir ve elektrotlar üzerinde kabarcık şeklinde salınan gazlar yükselir.

Pirinç. 1. Elektroliz sırasındaki işlemler. Elektrikli banyo devresi: 1 — banyo, 2 — elektrolit, 3 — anot, 4 — katot, 5 — güç kaynağı

Dış devredeki elektrik akımı, elektronların anottan katoda hareketidir (Şekil 1). Bu durumda çözelti tükenir ve elektroliz işleminin devamlılığını sağlamak için zenginleştirilmesi gerekir. Elektrolitten bazı maddeler bu şekilde ekstrakte edilir (elektro ekstraksiyon).

Anot elektrolit içinde çözülebilirse, ikincisi tükenirken, elektrolit içinde çözünen parçacıkları pozitif bir yük kazanır ve üzerinde biriktikleri katoda yönlendirilir, böylece anottan katoda malzeme aktarılır. . İşlem, anodun metalinde bulunan safsızlıkların katoda aktarılmaması için gerçekleştirildiğinden, bu işleme elektrolitik rafinasyon denir.

Elektrot, yapıldığı aynı maddenin iyonları ile bir çözeltiye yerleştirilirse, o zaman elektrot ile çözelti arasındaki belirli bir potansiyelde ne elektrot çözünür ne de çözeltiden madde üzerine çökelmez.

Bu potansiyele maddenin normal potansiyeli denir. Elektroda daha negatif bir potansiyel uygulanırsa, o zaman üzerinde bir maddenin salınması (katodik süreç), ancak daha pozitif ise çözünmesi (anodik süreç) başlar.

Normal potansiyellerin değeri iyon konsantrasyonuna ve sıcaklığa bağlıdır. Genellikle hidrojenin normal potansiyelinin sıfır olduğu kabul edilir. Tablo 1, + 25 ° C'de bazı sulu madde çözeltilerinin normal elektrot potansiyellerini göstermektedir.

Tablo 1. + 25 ° C'de normal elektrot potansiyelleri

Elektrolit farklı metallerin iyonlarını içeriyorsa, daha düşük negatif normal potansiyele sahip iyonlar (bakır, gümüş, kurşun, nikel) önce katotta ayrılır; toprak alkali metaller izole edilmesi en zor olanlardır. Ek olarak, sulu çözeltilerde her zaman negatif normal potansiyele sahip tüm metallerden daha erken salınacak olan hidrojen iyonları vardır, bu nedenle, ikincisinin elektrolizi sırasında, enerjinin önemli bir kısmı veya hatta çoğu hidrojenin salınması için harcanır. .

Özel önlemler yardımıyla hidrojen oluşumunu belirli sınırlar içinde engellemek mümkündür ancak normal potansiyeli 1 V'tan düşük olan metaller (örneğin magnezyum, alüminyum, toprak alkali metaller) elektroliz ile elde edilemez. sulu çözelti. Bu metallerin erimiş tuzlarının ayrışmasıyla elde edilirler.

Tabloda belirtilen maddelerin normal elektrot potansiyelleri.1, elektroliz işleminin başladığı minimum düzeydedir, pratikte işlemin gelişmesi için büyük potansiyel değerleri gereklidir.

Elektroliz sırasında bir elektrotun gerçek potansiyeli ile normal potansiyeli arasındaki farka aşırı gerilim denir. Elektroliz sırasında enerji kayıplarını arttırır.

Öte yandan, hidrojen iyonları için aşırı voltajın arttırılması, katotta serbest bırakılmasını zorlaştırır, bu da kurşun, kalay, nikel gibi hidrojenden daha negatif olan bir dizi metalin sulu çözeltilerden elektroliz yoluyla elde edilmesini mümkün kılar. , kobalt, krom ve hatta çinko. Bu, işlemin elektrotlar üzerinde artan akım yoğunluklarında yürütülmesi ve ayrıca elektrolit içine belirli maddelerin eklenmesiyle elde edilir.

Elektroliz sırasında katodik ve anodik reaksiyonların seyri, aşağıdaki iki Faraday yasası ile belirlenir.

1. Katotta elektroliz sırasında salınan veya anottan elektrolite geçen md maddesinin kütlesi, elektrolitten geçen elektrik miktarı ile orantılıdır Azτ: me = α/τ, burada a, maddenin elektrokimyasal eşdeğeridir , g / C.

2. Elektroliz sırasında aynı miktarda elektrikle salınan maddenin kütlesi, A maddesinin atomik kütlesi ile doğru orantılı ve değeri ile ters orantılıdır n: mNS = A / 96480n, burada 96480, Faraday sayısıdır, C x mol -1 .

Bu şekilde, bir maddenin elektrokimyasal eşdeğeri α= A / 96480n, elektrolitik banyodan geçen bir birim elektrik miktarı tarafından salınan bir maddenin gram cinsinden kütlesini temsil eder - bir coulomb (amper-saniye).

Bakır için A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, nikel için α =0,000304 g/C, çinko için α = 0,00034 g/C

Aslında, salınan maddenin kütlesi her zaman belirtilenden daha azdır, bu da banyoda meydana gelen bir dizi yan işlem (örneğin, katotta hidrojen salınımı), akım kaçağı ve elektrotlar arasındaki kısa devre ile açıklanır.

Fiilen salınan maddenin kütlesinin, Faraday yasasına göre salınması gereken kütlesine oranı, maddenin mevcut verimi η1 olarak adlandırılır.

Bu nedenle, gerçek bir süreç için mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Doğal olarak her zaman η1

Akım verimliliği önemli ölçüde elektrotun akım yoğunluğuna bağlıdır. Elektrot akım yoğunluğu arttıkça akım verimi artar ve proses verimi artar.

Elektrolizöre sağlanması gereken voltaj Uel şunlardan oluşur: bozulma voltajı Ep (anodik ve katodik reaksiyonların potansiyel farkı), anodik ve katodik aşırı voltajların toplamı, elektrolitteki voltaj düşüşü Ep, elektrolitteki voltaj düşüşü Ue = IRep (Rep — elektrolitik direnç), lastiklerde, kontaklarda, elektrotlarda voltaj düşüşü Uc = I(Rw +Rto +RNS). Şunu elde ederiz: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Elektroliz sırasında tüketilen güç şuna eşittir: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Bu gücün yalnızca ilk bileşeni reaksiyonları yürütmek için kullanılır, geri kalanı işlemin ısı kayıplarıdır. Sadece erimiş tuzların elektrolizi sırasında, elektrolit IUe'de salınan ısının bir kısmı, elektrolizörde yüklü tuzları eritmek için harcandığından, faydalı bir şekilde kullanılır.

Elektroliz banyosunun verimliliği, tüketilen 1 J elektrik başına salınan maddenin gram cinsinden kütlesi ile tahmin edilebilir.Bu değere bir maddenin enerji verimi denir. qe = (αη1) /Uel100 ifadesiyle bulunabilir, burada α — bir maddenin elektrokimyasal eşdeğeri, g / C, η1 — akım çıkışı, Uemail — bir elektrolitiğin voltajı hücre, V.