Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 23. Электролиз
16:14
23. Электролиз

Электролиз – это процесс разложения раствора или расплава электролита под действием постоянного электрического тока. Разложение происходит из-за притяжения ионов к противоположно заряженным электродам. Анионы к аноду, а катионы к катоду. Данный процесс широко используется в промышленности для получения различных веществ, очистки металлов, нанесения металлических и других защитных покрытий на изделия и др.

При растворении электролита в воде или плавлении электролита происходит распад вещества на ионы. После подхода к противоположно заряженному электроду, под действием сил кулоновского притяжения, ион разряжается (обменивается электронами с электродом) и выделяется в виде продукта реакции. На рисунке 1 изображен простейший лабораторный электролизер для растворов солей.

Рисунок 1.

В качестве источника энергии он использует гальванический элемент, положительной клеммой источник питания подключен к аноду, отрицательной к катоду. Если поменять полярность источника питания, то анод с катодом поменяются местами.

Коричневой пунктирной линией обозначена диафрагма, полупроницаемая перегородка, своего рода фильтр, не позволяющий свободно смешиваться продуктам электролиза, но пропускающий ионы. Зеленым цветом обозначен анод, обычно графитовый. Желтым цветом – катод, обычно металлический (из меди, латуни или нержавеющей стали). Стрелкой обозначен выход газообразных продуктов из анодной области.

В случае электролиза водного раствора пищевой соли, в анодной области выделяется хлор, а в катодной – водород. При этом в катодной области скапливаются катионы натрия и гидроксильные группы, реакция среды щелочная. В прошлый раз мы рассмотрели ряд стандартных электродных потенциалов. Металлы, левее марганца не выделяются на катоде, вместо них выделяется водород. Для получения этих металлов используют электролиз расплавов солей. Металлы, стоящие правее водорода, выделяются на электроде без проблем. Металлы средней части ряда выпадают на катоде в виде смешанных оксидов или гидроксидов. Но, для получения покрытий из, например хрома или никеля, используют электролиты специального состава.

Так как, по первому закону Фарадея, количество вещества, полученное при электролизе, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит, то производительность электролизера зависит от силы тока через электролит. При этом, слишком высокая плотность тока вызывает неравномерное выделение вещества на электродах (металлы выделяются в виде чешуек, игл, порошка, губки). Кроме того, при высоких плотностях тока, раствор сильно нагревается . Этот нагрев нужен только в случаях необходимости прохождения ОВР с участием продуктов электролиза при высокой температуре (например, получение хлоратов и перхлоратов).

Когда речь идет о получении металлического покрытия на детали, то для прочности и однородности этого покрытия важны: рН раствора, его температура, плотность тока, концентрация ионов металла в электролите и много другое.

Согласно второму закону Фарадея одинаковые количества электричества вызывают выделение на электродах одинакового количества веществ. При этом, 96,5 кило Кулон, или 26,8 ампер часов, выделяют 1 г-эквивалент вещества. Количество вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит тока в 1 ампер в течении 1 часа, называется электрохимический эквивалент вещества. Один грамм-эквивалент вещества, в данном случае, равен молекулярной массе данного вещества деленной на его заряд (имеется в виду разница в зарядах на атоме данного элемента в растворе, и после выделения на электроде).

Таким образом, зная электрохимический эквивалент вещества, силу тока и время электролиза, можно рассчитать количество вещества, которое должно выделиться на электродах. На практике, веществ получается несколько меньше из-за потерь энергии на побочные процессы, протекающие на электродах.

Выделение вещества на электродах происходит только при определенном напряжении, называемом – напряжение разложения. Напряжение разложения суммируется из анодного потенциала, катодного потенциала и сопротивления электролита. Анодным потенциалом называется разность потенциалов между анодом и раствором. Катодным потенциалом – разность потенциалов между катодом и раствором. Почти всегда, напряжение разложения оказывается больше теоретического на величину перенапряжения. Перенапряжение зависит от условий ведения электролиза, от материала электрода, свойств электролита, плотности тока, времени электролиза. Перенапряжение становится меньше при применении электродов с более развитой поверхностью, повышении температуры и снижении плотности тока.

Существует понятие выход по энергии, являющееся процентным соотношением рассчитанного количества энергии, необходимой для получения данного количества вещества, к реальным затратам энергии на электролиз. Энергия обычно выражается в ватах или кВт (тысячи ватт), один ватт это ток в 1 ампер, при напряжении в 1 вольт. На практике пользуются количеством кВт.час, означающую, сколько часов через систему пропускали ток в 1 ампер при напряжении 1000 вольт (количество ампер, вольт и часов может быть любым, главное чтобы при умножении получали то же число).

Чтобы не путать кто анод, а кто катод, можно использовать следующий принцип. При электролизе катионы идут к катоду, значит, катод имеет отрицательный заряд, а анионы к аноду, значит он с положительным зарядом. Так как электролиз и гальванический элемент, это, по сути, противоположные процессы, то в гальваническом элементе электроды наоборот. То есть, катод с плюсом, а анод с минусом (он источник электронов в цепи, так как катионы металла из него переходят в раствор).

Значения электрохимических эквивалентов для некоторых веществ (в граммах).

Водород 0,0376

Кислород 0,2985

Хлор 1,3230

Едкий натр (NaOH) 1,4925

Натрий 0,8581

Железо 1,0419

Никель 1,9477

Медь 1,1354

Серебро 2,0127

Алюминий 0,3354.

 

Категория: Фундамент | Просмотров: 1941 | Добавил: Chemadm | Теги: электрохимический потенциал, Гальваника, электрохимия | Рейтинг: 4.8/13
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]