Pitanje što je elektroliza razmatra se u školskom kolegiju fizike, a za većinu ljudi to nije tajna. Druga stvar je njegova važnost i praktična primjena. Ovaj se proces s velikom koristi koristi u raznim industrijama i može biti koristan za kućne majstore.
Sadržaj
Što je elektroliza?
Elektroliza je kompleks specifičnih procesa u sustavu elektroda i elektrolita kada kroz njega teče istosmjerna električna struja. Njegov mehanizam temelji se na pojavi ionske struje. Elektrolit je provodnik tipa 2 (ionska vodljivost) u kojem dolazi do elektrolitičke disocijacije. Povezan je s razgradnjom na ione s pozitivnim (kation) i negativno (anion) naboj.
Sustav elektrolize nužno sadrži pozitivnu (anoda) i negativno (katoda) elektroda. Kada se primijeni istosmjerna električna struja, kationi se počinju kretati prema katodi, a anioni - prema anodi. Kationi su uglavnom metalni ioni i vodik, a anioni kisik, klor. Na katodi kationi vežu višak elektrona na sebe, što osigurava pojavu reakcije redukcije Men+ + ne → Me (gdje je n valencija metala). Na anodi se, naprotiv, od aniona donira elektron uz odvijanje oksidativne reakcije.
Tako se u sustavu osigurava redoks proces. Važno je uzeti u obzir da je za njegov protok potrebna odgovarajuća energija. Mora biti osiguran vanjskim izvorom struje.
Faradayevi zakoni elektrolize
Veliki fizičar M. Faraday svojim je istraživanjem omogućio ne samo razumijevanje prirode elektrolize, već i izradu potrebnih proračuna za njezinu provedbu. Godine 1832. pojavili su se njegovi zakoni koji su povezivali glavne parametre tekućih procesa.
Prvi zakon
Prvi Faradayev zakon kaže da je masa tvari koja se smanjuje na anodi izravno proporcionalna električnom naboju induciranom u elektrolitu: m = kq = k*I*t, gdje je q naboj, k je koeficijent ili elektrokemijski ekvivalent tvari, I je jačina struje koja teče kroz elektrolit, t je vrijeme prolaska struje.
Drugi zakon
Drugi Faradayev zakon omogućio je određivanje koeficijenta proporcionalnosti k. Zvuči ovako: elektrokemijski ekvivalent bilo koje tvari izravno je proporcionalan njezinoj molarnoj masi i obrnuto proporcionalan valenciji. Zakon se izražava kao:
k = 1/F*A/z, gdje je F Faradayeva konstanta, A molarna masa tvari, z njezina kemijska valencija.
Uzimajući u obzir oba zakona, moguće je izvesti konačnu formulu za izračunavanje mase taložene na elektrodi tvari: m = A*I*t/(n*F), gdje je n broj elektrona uključenih u elektrolizu. Obično n odgovara naboju iona. S praktične točke gledišta važna je veza između mase tvari i primijenjene struje, što omogućuje upravljanje procesom promjenom njegove snage.
Elektroliza taline
Jedna od opcija za elektrolizu je korištenje taline kao elektrolita. U tom slučaju u procesu elektrolize sudjeluju samo ioni taline. Klasičan primjer je elektroliza rastaljene soli NaCl (sol). Negativni ioni jure na anodu, što znači da se plin oslobađa (Cl). Na katodi će doći do redukcije metala, t.j. taloženje čistog Na formiranog od pozitivnih iona koji su privukli višak elektrona. Slično se mogu dobiti i drugi metali (K, Ca, Li itd.) od pokolja odgovarajućih soli.
Tijekom elektrolize u talini, elektrode se ne otapaju, već sudjeluju samo kao izvor struje. U njihovoj proizvodnji možete koristiti metal, grafit, neke poluvodiče. Važno je da materijal ima dovoljnu vodljivost. Jedan od najčešćih materijala je bakar.
Značajke elektrolize u otopinama
Elektroliza u vodenoj otopini značajno se razlikuje od taline. Ovdje se odvijaju tri konkurentna procesa: oksidacija vode s razvojem kisika, anionska oksidacija i anodno otapanje metala. U proces su uključeni ioni vode, elektrolita i anode.Sukladno tome, na katodi može doći do redukcije vodika, kationa elektrolita i anodnog metala.
Mogućnost nastanka ovih kompetitivnih procesa ovisi o veličini električnih potencijala sustava. Nastavit će se samo proces koji zahtijeva manje vanjske energije. Posljedično, kationi s najvećim elektrodnim potencijalom će se reducirati na katodi, a anioni s najmanjim potencijalom oksidirati na anodi. Potencijal elektrode vodika uzima se kao "0". Na primjer, za kalij je (-2,93 V), natrij - (-2,71 V), voditi (-0,13 V), dok srebro ima (+0,8 V).
Elektroliza u plinovima
Plin može igrati ulogu elektrolita samo u prisutnosti ionizatora. U tom slučaju struja koja prolazi kroz ionizirani medij uzrokuje nužni proces na elektrodama. Međutim, Faradayevi zakoni ne vrijede za plinsku elektrolizu. Za njegovu provedbu potrebni su sljedeći uvjeti:
- Bez umjetne ionizacije plina neće pomoći ni visoki napon ni jaka struja.
- Za elektrolizu su prikladne samo kiseline koje ne sadrže kisik i koje su u plinovitom stanju, a neki plinovi.
Važno! Kada su ispunjeni potrebni uvjeti, proces se odvija slično kao elektroliza u tekućem elektrolitu.
Značajke procesa koji se odvijaju na katodi i anodi
Za praktičnu primjenu elektrolize važno je razumjeti što se događa na obje elektrode kada se primijeni električna struja. Tipični procesi su:
- Katoda. Pozitivno nabijeni ioni hrle na njega. Ovdje se događa redukcija metala ili evolucija vodika. Postoji nekoliko kategorija metala prema kationskoj aktivnosti.Metali kao što su Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al dobro se redukuju samo iz rastaljenih soli. Ako se koristi otopina, tada se vodik oslobađa zbog elektrolize vode. Moguće je postići redukciju u otopini, ali uz dovoljnu koncentraciju kationa, za sljedeće metale - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Proces se najlakše odvija za Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anoda. Negativno nabijeni ioni ulaze u ovu elektrodu. Oksidirani uzimaju elektrone iz metala, što dovodi do njihovog anodnog otapanja, t.j. prijelaz u pozitivno nabijene ione, koji se šalju na katodu. Anioni se također klasificiraju prema njihovoj aktivnosti. Takvi anioni PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F mogu se isprazniti samo iz talina.U vodenim otopinama ne podliježu elektrolizi oni, već voda s oslobađanjem kisika. Najlakše reagiraju anioni poput OH, Cl, I, S, Br.
Prilikom osiguravanja elektrolize važno je uzeti u obzir sklonost materijala elektrode oksidaciji. U tom pogledu ističu se inertne i aktivne anode. Inertne elektrode izrađene su od grafita, ugljika ili platine i ne sudjeluju u opskrbi ionima.
Čimbenici koji utječu na proces elektrolize
Proces elektrolize ovisi o sljedećim čimbenicima:
- Sastav elektrolita. Značajan učinak imaju razne nečistoće. Dijele se u 3 vrste - katione, anione i organske. Tvari mogu biti manje ili više negativne od osnovnog metala, što ometa proces. Među organskim nečistoćama ističu se onečišćujuće tvari (npr. ulja) i tenzidi. Njihova koncentracija ima najveće dopuštene vrijednosti.
- gustoća struje. U skladu s Faradayevim zakonima, masa deponirane tvari raste s povećanjem jakosti struje. Međutim, pojavljuju se nepovoljne okolnosti - koncentrirana polarizacija, povećan napon, intenzivno zagrijavanje elektrolita. Imajući to na umu, postoje optimalne vrijednosti gustoće struje za svaki pojedinačni slučaj.
- pH elektrolita. Kiselost okoliša također se odabire uzimajući u obzir metale. Primjerice, optimalna vrijednost kiselosti elektrolita za cink je 140 g/cu.dm.
- Temperatura elektrolita. Ima dvosmislen učinak. S povećanjem temperature, brzina elektrolize se povećava, ali se povećava i aktivnost nečistoća. Za svaki proces postoji optimalna temperatura. Obično je u rasponu od 38-45 stupnjeva.
Važno! Elektroliza se može ubrzati ili usporiti raznim utjecajima i izborom sastava elektrolita. Svaka primjena ima svoj režim, koji se mora strogo poštivati.
Gdje se koristi elektroliza?
Elektroliza se koristi u mnogim područjima. Postoji nekoliko glavnih područja upotrebe za dobivanje praktičnih rezultata.
Galvanizacija
Tanka, izdržljiva metalna ploča može se nanijeti elektrolizom. Proizvod koji se oblaže ugrađuje se u kadu u obliku katode, a elektrolit sadrži sol željenog metala. Dakle, čelik možete prekriti cinkom, kromom ili kositrom.
Elektrorafinacija - rafiniranje bakra
Primjer električnog čišćenja može biti sljedeća opcija: katoda - čisti bakar anoda - bakar s nečistoćama, elektrolit - vodena otopina bakrenog sulfata. Bakar iz anode prelazi u ione i taloži se u katodi već bez nečistoća.
Rudarstvo metala
Za dobivanje metala iz soli, oni se prenose u taljevinu, a zatim se u njoj provodi elektroliza. Takva metoda je prilično učinkovita za dobivanje aluminija iz boksita, natrija i kalija.
Anodiziranje
U tom se postupku premaz izrađuje od nemetalnih spojeva. Klasičan primjer je eloksiranje aluminija. Aluminijski dio je ugrađen kao anoda. Elektrolit je otopina sumporne kiseline. Kao rezultat elektrolize, na anodu se taloži sloj aluminijevog oksida koji ima zaštitna i dekorativna svojstva. Ove tehnologije se široko koriste u raznim industrijama. Postupke možete izvesti vlastitim rukama u skladu sa sigurnosnim propisima.
Troškovi energije
Elektroliza zahtijeva visoke troškove energije. Proces će imati praktičnu vrijednost ako je anodna struja dovoljna, a za to je potrebno primijeniti značajnu istosmjernu struju iz izvora napajanja. Osim toga, kada se provodi, javljaju se bočni gubici napona - prenapon anode i katode, gubici u elektrolitu zbog njegovog otpora. Učinkovitost instalacije određuje se povezivanjem snage potrošnje energije s jedinicom korisne mase dobivene tvari.
Elektroliza se u industriji koristi dugo i s visokom učinkovitošću. Anodizirani i galvanizirani premazi postali su uobičajeni u svakodnevnom životu, a rudarenje i obogaćivanje materijala pomaže u izdvajanju mnogih metala iz rude. Proces se može planirati i izračunati, poznavajući njegove glavne obrasce.
Slični članci:
