Jautājums par to, kas ir elektrolīze, tiek aplūkots skolas fizikas kursā, un lielākajai daļai cilvēku tas nav noslēpums. Cita lieta ir tā nozīme un praktiskais pielietojums. Šis process ar lielu labumu tiek izmantots dažādās nozarēs un var būt noderīgs mājamatniekam.
Saturs
Kas ir elektrolīze?
Elektrolīze ir specifisku procesu komplekss elektrodu un elektrolīta sistēmā, kad caur to plūst tiešā elektriskā strāva. Tās mehānisms ir balstīts uz jonu strāvas rašanos. Elektrolīts ir 2. tipa vadītājs (jonu vadītspēja), kurā notiek elektrolītiskā disociācija. Tas ir saistīts ar sadalīšanos jonos ar pozitīvu (katjonu) un negatīvs (anjons) maksa.
Elektrolīzes sistēma obligāti satur pozitīvu (anods) un negatīvs (katods) elektrods. Kad tiek pielietota tiešā elektriskā strāva, katjoni sāk virzīties uz katodu, bet anjoni - pret anodu. Katjoni galvenokārt ir metālu joni un ūdeņradis, un anjoni ir skābeklis, hlors. Pie katoda katjoni piesaista sev liekos elektronus, kas nodrošina reducēšanās reakcijas Men+ + ne → Me (kur n ir metāla valence). Pie anoda, gluži pretēji, no anjona tiek nodots elektrons ar oksidatīvo reakciju.
Tādējādi sistēmā tiek nodrošināts redoksprocess. Ir svarīgi ņemt vērā, ka tā plūsmai ir nepieciešama atbilstoša enerģija. Tas jānodrošina no ārēja strāvas avota.
Faradeja elektrolīzes likumi
Lielais fiziķis M. Faradejs ar saviem pētījumiem ļāva ne tikai izprast elektrolīzes būtību, bet arī veikt nepieciešamos aprēķinus tās īstenošanai. 1832. gadā parādījās viņa likumi, kas saistīja notiekošo procesu galvenos parametrus.
Pirmais likums
Faradeja pirmais likums nosaka, ka pie anoda reducējamās vielas masa ir tieši proporcionāla elektrolītā inducētajam elektriskajam lādiņam: m = kq = k*I*t, kur q ir lādiņš, k ir koeficients vai elektroķīmiskais ekvivalents. vielas I ir caur elektrolītu plūstošās strāvas stiprums, t ir strāvas caurbraukšanas laiks.
Otrais likums
Faradeja otrais likums ļāva noteikt proporcionalitātes koeficientu k. Tas izklausās šādi: jebkuras vielas elektroķīmiskais ekvivalents ir tieši proporcionāls tās molārajai masai un apgriezti proporcionāls valencei. Likums ir izteikts šādi:
k = 1/F*A/z, kur F ir Faradeja konstante, A ir vielas molārā masa, z ir tās ķīmiskā valence.
Ņemot vērā abus likumus, ir iespējams iegūt galīgo formulu uz vielas elektroda nogulsnētās masas aprēķināšanai: m = A*I*t/(n*F), kur n ir elektrolīzē iesaistīto elektronu skaits. Parasti n atbilst jona lādiņam. No praktiskā viedokļa svarīga ir saikne starp vielas masu un pielietoto strāvu, kas ļauj kontrolēt procesu, mainot tā stiprumu.
Kausējuma elektrolīze
Viena no elektrolīzes iespējām ir kausējuma izmantošana kā elektrolīts. Šajā gadījumā elektrolīzes procesā piedalās tikai kausētie joni. Klasisks piemērs ir izkausēta sāls NaCl elektrolīze (sāls). Negatīvie joni steidzas uz anodu, kas nozīmē, ka izdalās gāze (Cl). Metāla reducēšana notiks pie katoda, t.i. tīra Na nogulsnēšanās, kas veidojas no pozitīvajiem joniem, kas ir piesaistījuši lieko elektronu. Citus metālus var iegūt līdzīgi (K, Ca, Li utt.) no atbilstošo sāļu slaktiņa.
Elektrolīzes laikā kausējumā elektrodi neizšķīst, bet piedalās tikai kā strāvas avots. To ražošanā varat izmantot metālu, grafītu, dažus pusvadītājus. Ir svarīgi, lai materiālam būtu pietiekama vadītspēja. Viens no visizplatītākajiem materiāliem ir varš.
Elektrolīzes iezīmes šķīdumos
Elektrolīze ūdens šķīdumā būtiski atšķiras no kausējuma. Šeit notiek trīs konkurējoši procesi: ūdens oksidēšana ar skābekļa izdalīšanos, anjonu oksidēšana un metāla anodiskā šķīdināšana. Procesā tiek iesaistīti ūdens, elektrolīta un anoda joni.Attiecīgi pie katoda var notikt ūdeņraža, elektrolītu katjonu un anoda metāla reducēšana.
Šo konkurējošo procesu iespējamība ir atkarīga no sistēmas elektrisko potenciālu lieluma. Turpināsies tikai process, kuram nepieciešams mazāk ārējās enerģijas. Līdz ar to pie katoda tiks samazināti katjoni ar maksimālo elektrodu potenciālu, un anodā tiks oksidēti anjoni ar zemāko potenciālu. Ūdeņraža elektrodu potenciāls tiek pieņemts kā "0". Piemēram, kālijam tas ir (-2,93V), nātrijs - (-2,71V), svins (-0,13V), savukārt sudrabam ir (+0,8 V).
Elektrolīze gāzēs
Gāze var pildīt elektrolīta lomu tikai jonizatora klātbūtnē. Šajā gadījumā strāva, kas iet caur jonizēto vidi, izraisa nepieciešamo procesu uz elektrodiem. Tomēr Faradeja likumi neattiecas uz gāzes elektrolīzi. Lai to īstenotu, ir nepieciešami šādi nosacījumi:
- Bez mākslīgas gāzes jonizācijas nepalīdzēs ne augsts spriegums, ne liela strāva.
- Elektrolīzei ir piemērotas tikai skābes, kas nesatur skābekli un ir gāzveida stāvoklī, kā arī dažas gāzes.
Svarīgs! Kad ir izpildīti nepieciešamie nosacījumi, process notiek līdzīgi kā elektrolīze šķidrā elektrolītā.
Katodā un anodā notiekošo procesu iezīmes
Elektrolīzes praktiskai pielietošanai ir svarīgi saprast, kas notiek pie abiem elektrodiem, kad tiek pielietota elektriskā strāva. Tipiski procesi ir:
- Katods. Uz to steidzas pozitīvi lādēti joni. Šeit notiek metālu reducēšanās vai ūdeņraža evolūcija. Saskaņā ar katjonu aktivitāti ir vairākas metālu kategorijas.Tādi metāli kā Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al ir labi reducēti tikai no izkausētiem sāļiem. Ja izmanto šķīdumu, ūdens elektrolīzes rezultātā izdalās ūdeņradis. Reducēšanu šķīdumā, bet ar pietiekamu katjonu koncentrāciju iespējams panākt šādiem metāliem - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Visvieglāk process norit Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anods. Šajā elektrodā iekļūst negatīvi lādēti joni. Oksidēti, tie paņem elektronus no metāla, kas noved pie to anodiskās izšķīšanas, t.i. pāreja uz pozitīvi lādētiem joniem, kas tiek nosūtīti uz katodu. Anjonus klasificē arī pēc to aktivitātes. Šādus anjonus PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F var izvadīt tikai no kausējumiem.Ūdens šķīdumos elektrolīzi veic nevis tie, bet gan ūdens ar skābekļa izdalīšanos. Visvieglāk reaģē tādi anjoni kā OH, Cl, I, S, Br.
Nodrošinot elektrolīzi, ir svarīgi ņemt vērā elektroda materiāla tendenci oksidēties. Šajā sakarā izceļas inertie un aktīvie anodi. Inertie elektrodi ir izgatavoti no grafīta, oglekļa vai platīna un nepiedalās jonu piegādē.
Faktori, kas ietekmē elektrolīzes procesu
Elektrolīzes process ir atkarīgs no šādiem faktoriem:
- Elektrolītu sastāvs. Būtiska ietekme ir dažādiem piemaisījumiem. Tos iedala 3 veidos – katjonos, anjonos un organiskajos. Vielas var būt vairāk vai mazāk negatīvas nekā parastais metāls, kas traucē procesu. Starp organiskajiem piemaisījumiem izceļas piesārņotāji (piemēram, eļļas) un virsmaktīvās vielas. To koncentrācijai ir maksimālās pieļaujamās vērtības.
- strāvas blīvums. Saskaņā ar Faradeja likumiem nogulsnētās vielas masa palielinās, palielinoties strāvas stiprumam. Taču rodas nelabvēlīgi apstākļi - koncentrēta polarizācija, paaugstināts spriegums, intensīva elektrolīta uzkarsēšana. Paturot to prātā, katram konkrētajam gadījumam ir optimālas strāvas blīvuma vērtības.
- elektrolīta pH. Arī vides skābums tiek izvēlēts, ņemot vērā metālus. Piemēram, elektrolīta skābuma optimālā vērtība cinkam ir 140 g/cu.dm.
- Elektrolīta temperatūra. Tam ir neviennozīmīga ietekme. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās elektrolīzes ātrums, bet palielinās arī piemaisījumu aktivitāte. Katram procesam ir optimāla temperatūra. Parasti tas ir 38-45 grādu robežās.
Svarīgs! Elektrolīzi var paātrināt vai palēnināt dažādas ietekmes un elektrolītu sastāva izvēle. Katrai lietošanai ir savs režīms, kas ir stingri jāievēro.
Kur tiek izmantota elektrolīze?
Elektrolīzi izmanto daudzās jomās. Praktisku rezultātu iegūšanai ir vairākas galvenās izmantošanas jomas.
Galvanizācija
Plānu, izturīgu metāla pārklājumu var uzklāt ar elektrolīzi. Pārklājamais produkts ir uzstādīts vannā katoda veidā, un elektrolīts satur vajadzīgā metāla sāli. Tātad jūs varat pārklāt tēraudu ar cinku, hromu vai alvu.
Elektrorafinēšana - vara attīrīšana
Elektriskās tīrīšanas piemērs var būt šāda iespēja: katods - tīrs varš anods - varš ar piemaisījumiem, elektrolīts - vara sulfāta ūdens šķīdums. Varš no anoda pāriet jonos un nosēžas katodā jau bez piemaisījumiem.
Metāla ieguve
Lai iegūtu metālus no sāļiem, tie tiek pārnesti uz kausējumu, un pēc tam tajā tiek nodrošināta elektrolīze. Šāda metode ir diezgan efektīva alumīnija iegūšanai no boksītiem, nātrija un kālija.
Anodēšana
Šajā procesā pārklājums ir izgatavots no nemetāliskiem savienojumiem. Klasisks piemērs ir alumīnija anodēšana. Alumīnija daļa ir uzstādīta kā anods. Elektrolīts ir sērskābes šķīdums. Elektrolīzes rezultātā uz anoda tiek nogulsnēts alumīnija oksīda slānis, kam ir aizsargājošas un dekoratīvas īpašības. Šīs tehnoloģijas tiek plaši izmantotas dažādās nozarēs. Jūs varat veikt procesus ar savām rokām, ievērojot drošības noteikumus.
Enerģijas izmaksas
Elektrolīze prasa lielas enerģijas izmaksas. Procesam būs praktiska vērtība, ja anoda strāva ir pietiekama, un šim nolūkam no strāvas avota ir jāpieliek ievērojama līdzstrāva. Turklāt, to veicot, rodas sānu sprieguma zudumi - anoda un katoda pārspriegums, zudumi elektrolītā tā pretestības dēļ. Iekārtas efektivitāti nosaka, attiecinot enerģijas patēriņa jaudu uz iegūtās vielas lietderīgās masas vienību.
Elektrolīze rūpniecībā tiek izmantota ilgu laiku un ar augstu efektivitāti. Anodēti un galvanizēti pārklājumi ir kļuvuši par ierastu lietu ikdienas dzīvē, un materiālu ieguve un ieguve palīdz no rūdas iegūt daudzus metālus. Procesu var plānot un aprēķināt, zinot tā galvenos modeļus.
Līdzīgi raksti:
