Elektrolýza — princip účinku, účel a použití

Elektrolytické procesy

Elektrolýza je rozšířena v metalurgii neželezných kovů a v řadě chemických odvětví. Kovy jako hliník, zinek, hořčík se získávají především elektrolýzou. Kromě toho se elektrolýza používá k rafinaci (čištění) mědi, niklu, olova a také k výrobě vodíku, kyslíku, chlóru a řady dalších chemikálií.

Podstatou elektrolýzy je oddělení částic látky od elektrolytu při průchodu stejnosměrného proudu elektrolytickou lázní a jejich usazování na elektrodách ponořených do lázně (elektroextrakce) nebo při přenosu látek z jedné elektrody přes elektrolyt na druhou ( elektrolytická rafinace). V obou případech je cílem procesů získat co nejčistší látky, které nejsou kontaminovány nečistotami.

V porovnání elektronická vodivost kovů v elektrolytech (roztoky solí, kyselin a zásad ve vodě a v některých dalších rozpouštědlech a také v roztavených sloučeninách), je pozorována iontová vodivost.

Elektrolyty jsou vodiče druhé třídy.V těchto roztocích a taveninách dochází k elektrolytické disociaci — rozpadu kladně a záporně nabitých iontů.

Pokud jsou elektrody napojené na zdroj elektrické energie umístěny v nádobě s elektrolytem - elektrolyzérem, pak v ní začne proudit iontový proud a na katodu se přesunou kladně nabité ionty - kationty (jedná se především o kovy a vodík ) a záporně nabité ionty — anionty (chlór, kyslík) — k anodě.

Na anodě se anionty vzdávají svého náboje a stávají se neutrálními částicemi, které se usazují na elektrodě. Na katodě kationty odebírají elektrony z elektrody a také se neutralizují, usazují se na ní a plyny uvolněné na elektrodách v podobě bublin stoupají vzhůru.

Rýže. 1. Procesy při elektrolýze. Obvod elektrické lázně: 1 — lázeň, 2 — elektrolyt, 3 — anoda, 4 — katoda, 5 — napájení

Elektrický proud ve vnějším obvodu je pohyb elektronů od anody ke katodě (obr. 1). V tomto případě je roztok vyčerpán, a aby byla zachována kontinuita procesu elektrolýzy, musí být obohacen. Takto se z elektrolytu extrahují určité látky (elektroextrakce).

Pokud se anoda může rozpouštět v elektrolytu, když je elektrolyt vyčerpán, pak jeho částice, rozpouštějící se v elektrolytu, získávají kladný náboj a jsou směrovány ke katodě, na které se ukládají, čímž přenášejí materiál z anody na katodu. . Protože proces probíhá tak, že se nečistoty obsažené v kovu anody nepřenášejí na katodu, nazývá se tento proces elektrolytická rafinace.

Pokud je elektroda umístěna v roztoku s ionty stejné látky, ze které je vyrobena, pak se při určitém potenciálu mezi elektrodou a roztokem elektroda nerozpustí ani se na ni látka z roztoku neukládá.

Tento potenciál se nazývá normální potenciál látky. Pokud je na elektrodu přiveden zápornější potenciál, pak na ní začne uvolňování látky (katodický proces), pokud je však pozitivnější, pak začne její rozpouštění (anodický proces).

Hodnota normálních potenciálů závisí na koncentraci iontů a teplotě. Obecně se uznává, že normální potenciál vodíku je nulový. Tabulka 1 ukazuje normální elektrodové potenciály některých vodných roztoků látek při +25 °C.

Tabulka 1. Normální elektrodové potenciály při + 25 °C

Pokud elektrolyt obsahuje ionty různých kovů, pak se na katodě nejprve oddělí ionty s nižším negativním normálním potenciálem (měď, stříbro, olovo, nikl); Nejobtížněji se izolují kovy alkalických zemin. Kromě toho jsou ve vodných roztocích vždy vodíkové ionty, které se uvolní dříve než všechny kovy se záporným normálním potenciálem, takže při elektrolýze těchto kovů je značná nebo dokonce většina energie vynaložena na uvolňování vodíku. .

Pomocí speciálních opatření je možné zabránit vývoji vodíku v určitých mezích, ale kovy s normálním potenciálem menším než 1 V (například hořčík, hliník, kovy alkalických zemin) nelze získat elektrolýzou z vodný roztok. Získávají se rozkladem roztavených solí těchto kovů.

Normální elektrodové potenciály látek uvedené v tabulce.1, jsou minimální, při kterých proces elektrolýzy začíná, v praxi jsou pro vývoj procesu vyžadovány velké hodnoty potenciálu.

Rozdíl mezi skutečným potenciálem elektrody během elektrolýzy a jejím normálním potenciálem se nazývá přepětí. Zvyšuje energetické ztráty při elektrolýze.

Na druhé straně zvýšení přepětí pro vodíkové ionty znesnadňuje jeho uvolnění na katodě, což umožňuje získat elektrolýzou z vodných roztoků řadu kovů, které jsou negativnější než vodík, jako je olovo, cín, nikl , kobalt, chrom a dokonce i zinek. Toho je dosaženo prováděním procesu při zvýšených proudových hustotách na elektrodách a také zavedením určitých látek do elektrolytu.

Průběh katodických a anodických reakcí při elektrolýze je určen následujícími dvěma Faradayovými zákony.

1. Hmotnost látky md uvolněné při elektrolýze na katodě nebo přecházející z anody do elektrolytu je úměrná množství elektřiny prošlé elektrolytem Azτ: me = α/τ, zde a je elektrochemický ekvivalent látky. , g/C.

2. Hmotnost látky uvolněné při elektrolýze se stejným množstvím elektřiny je přímo úměrná atomové hmotnosti látky A a nepřímo úměrná její mocenství n: mNS = A / 96480n, zde 96480 je Faradayovo číslo, C x mol. -1.

Tímto způsobem elektrochemický ekvivalent látky α= A / 96480n představuje hmotnost látky v gramech uvolněnou jednotkovým množstvím elektřiny procházející elektrolytickou lázní — coulombem (ampérsekunda).

Pro měď A = 63,54, n = 2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g / C, pro nikl α = 0,000304 g / C, pro zinek α = 0,00034 g / C

Ve skutečnosti je hmotnost uvolňované látky vždy menší, než je uvedeno, což se vysvětluje řadou vedlejších procesů probíhajících v lázni (například uvolňování vodíku na katodě), únikem proudu a zkratem mezi elektrodami.

Poměr hmotnosti skutečně uvolněné látky k její hmotnosti, která se měla uvolnit podle Faradayova zákona, se nazývá aktuální výtěžek látky η1.

Proto pro reálný proces mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Samozřejmě vždy η1

Proudová účinnost je výrazně závislá na proudové hustotě elektrody. S rostoucí hustotou proudu elektrody se zvyšuje proudová účinnost a zvyšuje se účinnost procesu.

Napětí Uel, které musí být do elektrolyzéru přivedeno, se skládá z: průrazného napětí Ep (potenciální rozdíl anodické a katodické reakce), součtu anodických a katodických přepětí, úbytku napětí v elektrolytu Ep, úbytku napětí v elektrolytu. Ue = IRep (Rep — elektrolytický odpor), pokles napětí v pneumatikách, kontaktech, elektrodách Uc = I(Rw +Rto +RNS). Dostaneme: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

Energie spotřebovaná během elektrolýzy se rovná: Rel = IUmail = I (Ep + Ep + Ue + Uc)

Z tohoto výkonu je pouze první složka využita pro vedení reakcí, zbytek jsou tepelné ztráty procesu. Pouze při elektrolýze roztavených solí se část tepla uvolněného v IUe elektrolytu s výhodou využije, protože se spotřebuje na roztavení solí nabitých v elektrolyzéru.

Účinnost elektrolýzní lázně lze odhadnout podle hmotnosti látky v gramech uvolněné na 1 J spotřebované elektřiny.Tato hodnota se nazývá energetický výtěžek látky, lze ji zjistit výrazem qe = (αη1) /Uel100, zde α — elektrochemický ekvivalent látky, g / C, η1 — proudový výkon, Uemail — napětí elektrolytu buňka, V.