Kysymystä siitä, mitä elektrolyysi on, pohditaan koulun fysiikan kurssilla, ja useimmille ihmisille se ei ole salaisuus. Toinen asia on sen merkitys ja käytännön sovellus. Tätä prosessia käytetään suurella hyödyllä eri teollisuudenaloilla ja siitä voi olla hyötyä kotikäsityöläiselle.
Sisältö
Mikä on elektrolyysi?
Elektrolyysi on tiettyjen prosessien kompleksi elektrodi- ja elektrolyyttijärjestelmässä, kun sen läpi kulkee tasainen sähkövirta. Sen mekanismi perustuu ionivirran esiintymiseen. Elektrolyytti on tyypin 2 johdin (ionijohtavuus), jossa tapahtuu elektrolyyttistä dissosiaatiota. Se liittyy hajoamiseen ioneiksi, joilla on positiivinen (kationi) ja negatiivinen (anioni) maksu.
Elektrolyysijärjestelmä sisältää välttämättä positiivisen (anodi) ja negatiivinen (katodi) elektrodi. Kun käytetään tasavirtaa, kationit alkavat liikkua kohti katodia ja anionit - kohti anodia. Kationit ovat pääasiassa metalli-ioneja ja vetyä, ja anionit ovat happea, klooria. Katodilla kationit kiinnittävät itseensä ylimääräisiä elektroneja, mikä varmistaa pelkistysreaktion tapahtumisen Men+ + ne → Me (missä n on metallin valenssi). Anodilla päinvastoin anionista luovutetaan elektroni oksidatiivisen reaktion tapahtuessa.
Siten järjestelmässä on redox-prosessi. On tärkeää ottaa huomioon, että sen virtaamiseen tarvitaan sopivaa energiaa. Se on saatava ulkoisesta virtalähteestä.
Faradayn elektrolyysin lait
Suuri fyysikko M. Faraday teki tutkimuksellaan mahdolliseksi paitsi ymmärtää elektrolyysin luonnetta, myös tehdä tarvittavat laskelmat sen toteuttamiseksi. Vuonna 1832 ilmestyivät hänen lakinsa, jotka yhdistävät käynnissä olevien prosessien pääparametrit.
Ensimmäinen laki
Faradayn ensimmäinen laki sanoo, että anodin kohdalla pelkistettävän aineen massa on suoraan verrannollinen elektrolyytiin indusoituvaan sähkövaraukseen: m = kq = k*I*t, missä q on varaus, k on kerroin tai sähkökemiallinen ekvivalentti. aineen I on elektrolyytin läpi kulkevan virran voimakkuus, t on virran kulkuaika.
Toinen laki
Faradayn toinen laki mahdollisti suhteellisuuskertoimen k määrittämisen. Se kuulostaa tältä: minkä tahansa aineen sähkökemiallinen ekvivalentti on suoraan verrannollinen sen moolimassaan ja kääntäen verrannollinen valenssiin. Laki ilmaistaan seuraavasti:
k = 1/F*A/z, jossa F on Faradayn vakio, A on aineen moolimassa, z on sen kemiallinen valenssi.
Kun otetaan huomioon molemmat lait, on mahdollista johtaa lopullinen kaava aineen elektrodille kerrostetun massan laskemiseksi: m = A*I*t/(n*F), jossa n on elektrolyysiin osallistuvien elektronien lukumäärä. Yleensä n vastaa ionin varausta. Käytännön näkökulmasta aineen massan ja käytetyn virran välinen yhteys on tärkeä, mikä mahdollistaa prosessin ohjaamisen sen voimakkuutta muuttamalla.
Sula elektrolyysi
Yksi elektrolyysivaihtoehdoista on sulatteen käyttö elektrolyyttinä. Tässä tapauksessa vain sula-ionit osallistuvat elektrolyysiprosessiin. Klassinen esimerkki on sulan suolan NaCl elektrolyysi (suola). Negatiiviset ionit ryntäävät anodille, mikä tarkoittaa, että kaasua vapautuu (Cl). Metallipelkistys tapahtuu katodilla, ts. puhtaan Na:n laskeutuminen, joka muodostuu positiivisista ioneista, jotka ovat vetäneet puoleensa ylimääräisiä elektroneja. Muita metalleja voidaan saada samalla tavalla (K, Ca, Li jne.) vastaavien suolojen joukkomurhasta.
Elektrolyysin aikana sulassa elektrodit eivät liukene, vaan osallistuvat vain virtalähteenä. Niiden valmistuksessa voit käyttää metallia, grafiittia ja joitain puolijohteita. On tärkeää, että materiaalilla on riittävä johtavuus. Yksi yleisimmistä materiaaleista on kupari.
Elektrolyysin ominaisuudet liuoksissa
Elektrolyysi vesiliuoksessa eroaa merkittävästi sulatuksesta. Täällä tapahtuu kolme kilpailevaa prosessia: veden hapetus hapen kehittymisellä, anioninen hapetus ja metallin anodinen liukeneminen. Veden, elektrolyytin ja anodin ionit ovat mukana prosessissa.Näin ollen katodilla voi tapahtua vedyn, elektrolyyttikationien ja anodimetallin pelkistymistä.
Näiden kilpailevien prosessien esiintyminen riippuu järjestelmän sähköisten potentiaalien suuruudesta. Vain vähemmän ulkoista energiaa vaativa prosessi etenee. Tämän seurauksena kationit, joilla on maksimi elektrodipotentiaali, vähenevät katodilla ja pienimmän potentiaalin omaavat anionit hapettuvat anodilla. Vedyn elektrodipotentiaaliksi otetaan "0". Esimerkiksi kaliumille se on (-2,93V), natrium - (-2,71V), johtaa (-0,13V), kun taas hopealla on (+0,8 V).
Elektrolyysi kaasuissa
Kaasu voi toimia elektrolyytinä vain ionisaattorin läsnä ollessa. Tässä tapauksessa ionisoidun väliaineen läpi kulkeva virta aiheuttaa tarvittavan prosessin elektrodeissa. Faradayn lait eivät kuitenkaan koske kaasuelektrolyysiä. Sen toteuttamiseksi tarvitaan seuraavat ehdot:
- Ilman kaasun keinotekoista ionisointia korkea jännite tai korkea virta eivät auta.
- Elektrolyysiin soveltuvat vain hapot, jotka eivät sisällä happea ja ovat kaasumaisessa tilassa, ja jotkut kaasut.
Tärkeä! Kun tarvittavat ehdot täyttyvät, prosessi etenee samalla tavalla kuin elektrolyysi nestemäisessä elektrolyytissä.
Katodilla ja anodilla tapahtuvien prosessien ominaisuudet
Elektrolyysin käytännön soveltamiseksi on tärkeää ymmärtää, mitä tapahtuu molemmilla elektrodeilla, kun sähkövirtaa käytetään. Tyypillisiä prosesseja ovat:
- Katodi. Positiivisesti varautuneet ionit ryntäävät siihen. Täällä tapahtuu metallien pelkistymistä tai vedyn kehittymistä. Kationisen aktiivisuuden mukaan on useita metalleja.Metallit, kuten Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al pelkistyvät hyvin vain sulaista suoloista. Jos käytetään liuosta, vetyä vapautuu veden elektrolyysin seurauksena. On mahdollista saavuttaa pelkistys liuoksessa, mutta riittävällä kationipitoisuudella seuraaville metalleille - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Prosessi etenee helpoimmin Ag:lle, Cu:lle, Bi:lle, Pt:lle, Au:lle, Hg:lle.
- Anodi. Negatiivisesti varautuneet ionit tulevat tähän elektrodiin. Hapetettuna ne ottavat elektroneja metallista, mikä johtaa niiden anodiseen liukenemiseen, ts. siirtyy positiivisesti varautuneiksi ioneiksi, jotka lähetetään katodille. Anionit luokitellaan myös niiden aktiivisuuden mukaan. Tällaisia anioneja PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F voidaan purkaa vain sulatuksista. Vesiliuoksissa elektrolyysi ei suoriteta ne, vaan vesi hapen vapautuessa. Anionit, kuten OH, Cl, I, S, Br, reagoivat helpoimmin.
Elektrolyysin varmistamisessa on tärkeää ottaa huomioon elektrodimateriaalin taipumus hapettua. Tässä suhteessa inertit ja aktiiviset anodit erottuvat. Inertit elektrodit on valmistettu grafiitista, hiilestä tai platinasta, eivätkä ne osallistu ionien syöttöön.
Elektrolyysiprosessiin vaikuttavat tekijät
Elektrolyysiprosessi riippuu seuraavista tekijöistä:
- Elektrolyytin koostumus. Erilaisilla epäpuhtauksilla on merkittävä vaikutus. Ne on jaettu 3 tyyppiin - kationeihin, anioneihin ja orgaanisiin aineisiin. Aineet voivat olla enemmän tai vähemmän negatiivisia kuin perusmetalli, mikä häiritsee prosessia. Orgaanisista epäpuhtauksista erottuvat epäpuhtaudet (esim. öljyt) ja pinta-aktiiviset aineet. Niiden pitoisuudella on suurimmat sallitut arvot.
- nykyinen tiheys. Faradayn lakien mukaisesti kerrostetun aineen massa kasvaa virranvoimakkuuden kasvaessa. Epäsuotuisat olosuhteet kuitenkin syntyvät - keskittynyt polarisaatio, lisääntynyt jännite, elektrolyytin voimakas kuumeneminen. Tämä huomioon ottaen kullekin tapaukselle on olemassa optimaaliset virrantiheysarvot.
- elektrolyytin pH. Myös ympäristön happamuus valitaan metallit huomioiden. Esimerkiksi sinkille elektrolyytin happamuuden optimaalinen arvo on 140 g/cu.dm.
- Elektrolyytin lämpötila. Sillä on epäselvä vaikutus. Lämpötilan noustessa elektrolyysinopeus kasvaa, mutta myös epäpuhtauksien aktiivisuus kasvaa. Jokaiselle prosessille on olemassa optimaalinen lämpötila. Yleensä se on välillä 38-45 astetta.
Tärkeä! Elektrolyysiä voidaan nopeuttaa tai hidastaa erilaisilla vaikutuksilla ja elektrolyyttikoostumuksen valinnalla. Jokaisella sovelluksella on oma ohjelmansa, jota on noudatettava tarkasti.
Missä elektrolyysiä käytetään?
Elektrolyysiä käytetään monilla aloilla. Käytännön tulosten saavuttamiseen on useita pääkäyttöalueita.
Galvanointi
Ohut, kestävä metallipinnoite voidaan levittää elektrolyysillä. Pinnoitettava tuote asennetaan kylpyyn katodin muodossa ja elektrolyytti sisältää halutun metallin suolaa. Voit siis peittää teräksen sinkillä, kromilla tai tinalla.
Sähköjalostus - kuparin jalostus
Esimerkki sähköpuhdistuksesta voi olla seuraava vaihtoehto: katodi - puhdasta kuparia anodi - kupari, jossa on epäpuhtauksia, elektrolyyttiä - kuparisulfaatin vesiliuos. Anodista tuleva kupari siirtyy ioneiksi ja laskeutuu katodiin jo ilman epäpuhtauksia.
Metallin louhinta
Metallien saamiseksi suoloista ne siirretään sulatteeseen, ja sitten siihen suoritetaan elektrolyysi. Tällainen menetelmä on varsin tehokas alumiinin saamiseksi bauksiiteista, natriumista ja kaliumista.
Anodisointi
Tässä prosessissa pinnoite valmistetaan ei-metallisista yhdisteistä. Klassinen esimerkki on alumiinin anodisointi. Alumiiniosa on asennettu anodina. Elektrolyytti on rikkihapon liuos. Elektrolyysin seurauksena anodille kerrostuu alumiinioksidikerros, jolla on suojaavia ja koristeellisia ominaisuuksia. Näitä tekniikoita käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla. Voit suorittaa prosessit omin käsin turvallisuusmääräyksiä noudattaen.
Energiakustannukset
Elektrolyysi vaatii korkeita energiakustannuksia. Prosessilla on käytännön arvoa, jos anodivirta on riittävä, ja tätä varten on tarpeen syöttää merkittävää tasavirtaa virtalähteestä. Lisäksi, kun se suoritetaan, tapahtuu sivujännitehäviöitä - anodin ja katodin ylijännite, häviöt elektrolyytissä sen vastuksen vuoksi. Laitoksen tehokkuus määritetään suhteuttamalla energiankulutuksen teho saadun aineen hyötymassan yksikköön.
Elektrolyysiä on käytetty teollisuudessa pitkään ja tehokkaasti. Anodisoidut ja galvanoidut pinnoitteet ovat yleistyneet jokapäiväisessä elämässä, ja materiaalien louhinta ja rikastus auttaa uuttamaan monia metalleja malmista. Prosessi voidaan suunnitella ja laskea, kun tiedetään sen päämallit.
Samanlaisia artikkeleita:
