Klausimas, kas yra elektrolizė, svarstomas mokyklos fizikos kurse, ir daugumai žmonių tai nėra paslaptis. Kitas dalykas – jo svarba ir praktinis pritaikymas. Šis procesas yra labai naudingas įvairiose pramonės šakose ir gali būti naudingas namų meistrui.
Turinys
Kas yra elektrolizė?
Elektrolizė yra specifinių procesų kompleksas elektrodų ir elektrolito sistemoje, kai ja teka nuolatinė elektros srovė. Jo mechanizmas pagrįstas joninės srovės atsiradimu. Elektrolitas yra 2 tipo laidininkas (joninis laidumas), kurioje vyksta elektrolitinė disociacija. Jis susijęs su skilimu į jonus, turinčius teigiamą (katijonas) ir neigiamas (anijonas) mokestis.
Elektrolizės sistemoje būtinai yra teigiama (anodas) ir neigiamas (katodas) elektrodas. Kai veikia nuolatinė elektros srovė, katijonai pradeda judėti link katodo, o anijonai - link anodo. Katijonai daugiausia yra metalo jonai ir vandenilis, o anijonai yra deguonis, chloras. Prie katodo katijonai prie savęs prijungia elektronų perteklių, o tai užtikrina redukcijos reakcijos atsiradimą Men+ + ne → Me (kur n yra metalo valentingumas). Priešingai, anode iš anijono paaukojamas elektronas su vykstančia oksidacine reakcija.
Taigi sistemoje numatytas redokso procesas. Svarbu atsižvelgti į tai, kad jo srautui reikia atitinkamos energijos. Jis turi būti tiekiamas iš išorinio srovės šaltinio.
Faradėjaus elektrolizės dėsniai
Didysis fizikas M. Faradėjus savo tyrimais leido ne tik suprasti elektrolizės prigimtį, bet ir atlikti reikiamus skaičiavimus jai įgyvendinti. 1832 metais pasirodė jo dėsniai, susiejantys pagrindinius vykstančių procesų parametrus.
Pirmasis įstatymas
Pirmasis Faradėjaus dėsnis teigia, kad prie anodo redukuojamos medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga elektrolite sukeltam elektros krūviui: m = kq = k*I*t, kur q – krūvis, k – koeficientas arba elektrocheminis ekvivalentas. medžiagos I – srovės, tekančios per elektrolitą, stipris, t – srovės praėjimo laikas.
Antrasis įstatymas
Antrasis Faradėjaus dėsnis leido nustatyti proporcingumo koeficientą k. Tai skamba taip: bet kurios medžiagos elektrocheminis ekvivalentas yra tiesiogiai proporcingas jos molinei masei ir atvirkščiai proporcingas valentiškumui. Įstatymas išreiškiamas taip:
k = 1/F*A/z, kur F yra Faradėjaus konstanta, A yra medžiagos molinė masė, z yra jos cheminis valentingumas.
Atsižvelgiant į abu dėsnius, galima gauti galutinę formulę, pagal kurią apskaičiuojama masė, nusėdusi ant medžiagos elektrodo: m = A*I*t/(n*F), kur n yra elektrolizėje dalyvaujančių elektronų skaičius. Paprastai n atitinka jono krūvį. Praktiniu požiūriu svarbus ryšys tarp medžiagos masės ir naudojamos srovės, kuri leidžia valdyti procesą keičiant jo stiprumą.
Lydymosi elektrolizė
Viena iš elektrolizės galimybių yra lydalo kaip elektrolito naudojimas. Šiuo atveju elektrolizės procese dalyvauja tik lydieji jonai. Klasikinis pavyzdys yra išlydytos druskos NaCl elektrolizė (druskos). Neigiami jonai veržiasi į anodą, o tai reiškia, kad išsiskiria dujos (Cl). Prie katodo vyks metalo redukcija, t.y. gryno Na nusėdimas, susidaręs iš teigiamų jonų, pritraukusių elektronų perteklių. Kitus metalus galima gauti panašiai (K, Ca, Li ir kt.) nuo atitinkamų druskų žudynių.
Elektrolizės metu elektrodai netirpsta, o dalyvauja tik kaip srovės šaltinis. Jų gamyboje galite naudoti metalą, grafitą, kai kuriuos puslaidininkius. Svarbu, kad medžiaga būtų pakankamai laidi. Viena iš labiausiai paplitusių medžiagų yra varis.
Elektrolizės ypatumai tirpaluose
Elektrolizė vandeniniame tirpale labai skiriasi nuo lydalo. Čia vyksta trys konkuruojantys procesai: vandens oksidacija su deguonies išsiskyrimu, anijonų oksidacija ir anodinis metalo tirpimas. Procese dalyvauja vandens, elektrolito ir anodo jonai.Atitinkamai prie katodo gali įvykti vandenilio, elektrolito katijonų ir metalo anodo redukcija.
Šių konkuruojančių procesų atsiradimo galimybė priklauso nuo sistemos elektrinių potencialų dydžio. Vyks tik mažiau išorinės energijos reikalaujantis procesas. Vadinasi, katijonai, turintys didžiausią elektrodo potencialą, katode sumažės, o mažiausią potencialą turintys anijonai oksiduosis prie anodo. Vandenilio elektrodo potencialas laikomas "0". Pavyzdžiui, kaliui tai yra (-2,93V), natrio - (-2,71V), vadovauti (-0,13V), o sidabras turi (+0,8 V).
Elektrolizė dujose
Dujos gali atlikti elektrolito vaidmenį tik esant jonizatoriui. Šiuo atveju srovė, einanti per jonizuotą terpę, sukelia reikiamą procesą ant elektrodų. Tačiau Faradėjaus dėsniai netaikomi dujų elektrolizei. Jo įgyvendinimui būtinos šios sąlygos:
- Be dirbtinės dujų jonizacijos nepadės nei aukšta įtampa, nei didelė srovė.
- Elektrolizei tinka tik deguonies neturinčios ir dujinės būsenos rūgštys bei kai kurios dujos.
Svarbu! Kai tenkinamos būtinos sąlygos, procesas vyksta panašiai kaip elektrolizė skystame elektrolite.
Katode ir anode vykstančių procesų ypatumai
Praktiniam elektrolizės pritaikymui svarbu suprasti, kas nutinka abiejuose elektroduose, kai veikia elektros srovė. Tipiški procesai yra šie:
- Katodas. Prie jo veržiasi teigiamai įkrauti jonai. Čia vyksta metalų redukcija arba vandenilio išsiskyrimas. Pagal katijoninį aktyvumą yra keletas metalų kategorijų.Tokie metalai kaip Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al gerai redukuojami tik iš išlydytų druskų. Jei naudojamas tirpalas, dėl vandens elektrolizės išsiskiria vandenilis. Galima pasiekti redukciją tirpale, bet esant pakankamai katijonų koncentracijai, šiems metalams - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Lengviausiai procesas vyksta naudojant Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anodas. Į šį elektrodą patenka neigiamo krūvio jonai. Oksiduodami jie paima iš metalo elektronus, dėl to jie ištirpsta anodiškai, t.y. pereina į teigiamo krūvio jonus, kurie siunčiami į katodą. Anijonai taip pat klasifikuojami pagal jų aktyvumą. Tokie anijonai PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F gali išsiskirti tik iš lydalų. Vandeniniuose tirpaluose elektrolizuojami ne jie, o vanduo, išskirdamas deguonį. Lengviausiai reaguoja tokie anijonai kaip OH, Cl, I, S, Br.
Užtikrinant elektrolizę, svarbu atsižvelgti į elektrodo medžiagos polinkį oksiduotis. Šiuo atžvilgiu išsiskiria inertiški ir aktyvūs anodai. Inertiniai elektrodai yra pagaminti iš grafito, anglies arba platinos ir nedalyvauja tiekiant jonus.
Veiksniai, turintys įtakos elektrolizės procesui
Elektrolizės procesas priklauso nuo šių veiksnių:
- Elektrolitų sudėtis. Didelę įtaką turi įvairios priemaišos. Jie skirstomi į 3 tipus – katijoninius, anijoninius ir organinius. Medžiagos gali būti daugiau ar mažiau neigiamos nei netaurieji metalai, o tai trukdo procesui. Tarp organinių priemaišų išsiskiria teršalai (pvz., alyvos) ir aktyviosios paviršiaus medžiagos. Jų koncentracija turi didžiausias leistinas vertes.
- srovės tankis. Pagal Faradėjaus dėsnius, nusėdusios medžiagos masė didėja didėjant srovės stiprumui. Tačiau susidaro nepalankios aplinkybės – koncentruota poliarizacija, padidėjusi įtampa, intensyvus elektrolito kaitinimas. Atsižvelgiant į tai, kiekvienu konkrečiu atveju yra optimalios srovės tankio vertės.
- elektrolito pH. Aplinkos rūgštingumas taip pat parenkamas atsižvelgiant į metalus. Pavyzdžiui, optimali cinko elektrolito rūgštingumo reikšmė yra 140 g/cu.dm.
- Elektrolito temperatūra. Jis turi dviprasmišką poveikį. Kylant temperatūrai, elektrolizės greitis didėja, tačiau didėja ir priemaišų aktyvumas. Kiekvienam procesui yra optimali temperatūra. Paprastai jis yra 38-45 laipsnių diapazone.
Svarbu! Elektrolizę gali pagreitinti arba sulėtinti įvairios įtakos ir elektrolitų sudėties pasirinkimas. Kiekviena programa turi savo režimą, kurio reikia griežtai laikytis.
Kur naudojama elektrolizė?
Elektrolizė naudojama daugelyje sričių. Praktiniams rezultatams gauti yra keletas pagrindinių naudojimo sričių.
Galvanizavimas
Plona, patvari metalo danga gali būti padengta elektrolizės būdu. Dengiamas gaminys įmontuojamas į vonią katodo pavidalu, o elektrolite yra norimo metalo druska. Taigi galite padengti plieną cinku, chromu ar alavu.
Elektrovalymas – vario rafinavimas
Elektrinio valymo pavyzdys gali būti tokia parinktis: katodas - grynas varis anodas - varis su priemaišomis, elektrolitas - vandeninis vario sulfato tirpalas. Varis iš anodo pereina į jonus ir jau be priemaišų nusėda katode.
Metalo kasyba
Norint gauti metalus iš druskų, jie perkeliami į lydalą, o tada jame atliekama elektrolizė. Toks metodas yra gana efektyvus aliuminiui gauti iš boksitų, natrio ir kalio.
Anodavimas
Šiame procese danga gaminama iš nemetalinių junginių. Klasikinis pavyzdys yra aliuminio anodavimas. Aliuminio dalis montuojama kaip anodas. Elektrolitas yra sieros rūgšties tirpalas. Dėl elektrolizės ant anodo nusėda aliuminio oksido sluoksnis, turintis apsaugines ir dekoratyvines savybes. Šios technologijos plačiai naudojamos įvairiose pramonės šakose. Procesus galite atlikti savo rankomis, laikydamiesi saugos taisyklių.
Energijos sąnaudos
Elektrolizė reikalauja didelių energijos sąnaudų. Procesas turės praktinę vertę, jei pakanka anodo srovės, o tam būtina iš maitinimo šaltinio duoti didelę nuolatinę srovę. Be to, jį atliekant, atsiranda šoniniai įtampos nuostoliai – anodo ir katodo viršįtampis, nuostoliai elektrolite dėl jo varžos. Įrenginio efektyvumas nustatomas susiejant energijos suvartojimo galią su gautos medžiagos naudingosios masės vienetu.
Elektrolizė pramonėje naudojama ilgą laiką ir labai efektyviai. Anoduotos ir galvanizuotos dangos tapo įprasta kasdieniame gyvenime, o medžiagų gavyba ir gerinimas padeda išgauti daugybę metalų iš rūdos. Procesą galima planuoti ir apskaičiuoti, žinant pagrindinius jo modelius.
Panašūs straipsniai:
