Электролиз

Процессы, протекающие при электролизе

ЭлектролизЭлектролиз получил обширное распространение в металлургии цветных металлов и в ряде хим производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают приемущественно методом электролиза. Не считая того, электролиз употребляется для рафинирования (чистки) меди, никеля, свинца, также для получения водорода, кислорода, хлора и ряда других хим веществ.

Суть электролиза заключается в выделении из электролита при протекании через электролитическую ванну неизменного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в ванну электродах (электроэкстракция) либо в переносе веществ с 1-го электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование). В обоих случаях цель процессов — получение может быть более незапятнанных незагрязненных примесями веществ.

В отличие от электрической электропроводности металлов в электролитах (смесях солей, кислот и оснований в воде и в неких других растворителях, также в расплавленных соединениях) наблюдается ионная электропроводность.

Электролиты являются проводниками второго рода. В этих смесях и расплавах имеет место электролитическая диссоциация — распад на положительно и негативно заряженные ионы.

Если в сосуд с электролитом — электролизер поместить электроды, присоединенные к электронному источнику энергии, то в нем начнет протекать ионный ток, при этом положительно заряженные ионы — катионы будут двигаться к катоду (это в главном металлы и водород), а негативно заряженные ионы — анионы (хлор, кислород) — к аноду.

У анода анионы отдают собственный заряд и преобразуются в нейтральные частички, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем, при этом выделяющиеся на электродах газы в виде пузырьков подымаются наверх.

Процессы, протекающие при электролизе. Схема электролизной ванны

Рис. 1. Процессы, протекающие при электролизе. Схема электролизной ванны: 1 — ванна, 2 — электролит, 3 — анод, 4 — катод, 5 — источник питания

Электронный ток во наружной цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду (рис. 1). При всем этом раствор обедняется, и для поддержания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать. Так производят извлечение тех либо других веществ из электролита (электроэкстракцию).

ЭлектролизЕсли же анод может растворяться в электролите по мере обеднения последнего, то частички его, растворяясь в электролите, получают положительный заряд и направляются к катоду, на котором осаждаются, тем осуществляется перенос материала с анода на катод. Потому что при всем этом процесс ведут так, чтоб находящиеся в металле анода примеси не переносились на катод, таковой процесс именуется электролитическим рафинированием.

Если электрод поместить в раствор с ионами такого же вещества, из которого он сделан, то при неком потенциале меж электродом и веществом не происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из раствора.

Таковой потенциал именуется обычным потенциалом вещества. Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то на нем начнется выделение вещества (катодный процесс), если же более положительный, то начнется его растворение (анодный процесс).

Значение обычных потенциалов находится в зависимости от концентрации ионов и температуры. Принято считать обычный потенциал водорода за нуль. В табл. 1 даны обычные электродные потенциалы неких аква смесей веществ при +25° С.

Таблица 1. Обычные электродные потенциалы при +25° С

Обычные электродные потенциалы при +25° С

Если в электролите имеются ионы различных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие наименьший отрицательный обычный потенциал (медь, серебро, свинец, никель), щелочноземельные металлы выделить сложнее всего. Не считая того, в аква смесях всегда имеются ионы водорода, которые будут выделяться ранее, чем все металлы, имеющие отрицательный обычный потенциал, потому при электролизе последних значимая либо даже большая часть энергии затрачивается на выделение водорода.

Методом особых мер можно воспрепятствовать в узнаваемых границах выделению водорода, но металлы с обычным потенциалом меньше 1 В (к примеру, магний, алюминий, щелочноземельные металлы) получить электролизом из аква раствора не удается. Их получают разложением расплавленных солей этих металлов.

Обычные электродные потенциалы веществ, обозначенные в табл. 1, являются наименьшими, при их начинается процесс электролиза, фактически требуются огромные значения потенциала для развития процесса.


Разность меж реальным потенциалом электрода при электролизе и обычным для него потенциалом именуют перенапряжением. Оно наращивает энергопотери при электролизе.

С другой стороны, увеличивая перенапряжение для ионов водорода, можно затруднить его выделение на катоде, что позволяет получить электролизом из аква смесей ряд таких более отрицательных по сопоставлению с водородом металлов, как свинец, олово, никель, кобальт, хром и даже цинк. Это достигается ведением процесса при завышенных плотностях тока на электродах, также введением в электролит неких веществ.

Течение катодных и анодных реакций при электролизе определяется последующими 2-мя законами Фарадея.

1. Масса вещества mэ, выделившегося при электролизе на катоде либо перешедшего с анода в электролит, пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества Iτ: mэ = α/τ,тут а — химический эквивалент вещества, г/Кл.

2. Масса выделенного при электролизе вещества одним и этим же количеством электричества прямо пропорциональна атомной массе вещества А и назад пропорциональна его валентности n: mэ = А / 96480n, тут 96480 — число Фарадея, Кл х моль-1.

Таким макаром, химический эквивалент вещества α= А / 96480n представляет собой массу вещества в граммах, выделяемую единицей проходящего через электролитическую ванну количества электричества — кулоном (ампер-секундой).

Для меди А = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 г/Кл, для никеля α =0,000304 г/Кл, для цинка α=0,00034 г/Кл.

ЭлектролизВ реальности масса выделившегося вещества всегда меньше обозначенной, что разъясняется рядом побочных процессов, проходящих в ванне (к примеру, выделением водорода на катоде), утечками тока и маленькими замыканиями меж электродами.

Отношение массы практически выделившегося вещества к массе его, которая должна была бы выделиться по закону Фарадея, носит заглавие выхода вещества по току η1.

Как следует, для реального процесса mэ = η1 х (А / 96480n) х It

Естественно, всегда η1<1.

Выход по току значительно находится в зависимости от плотности тока на электроде. С повышением плотности тока на электроде выход по току вырастает и увеличивается эффективность процесса.

Напряжение Uэл, которое нужно подвести к электролизеру, состоит из: напряжения разложения Ер (разность потенциалов анодной и катодной реакций), суммы анодного и катодного перенапряжений падения напряжения в электролите Еп, падения напряжения в электролите Uэ = IRэп (Rэп — сопротивление электролита), падения напряжения в шинах, контактах, электродах Uс = I(Rш+Rк+Rэ). Получаем: Uэл = Ер + Еп + Uэ + Uс.

Мощность, потребляемая при электролизе, равна: Рэл = IUэл = I(Ер + Еп + Uэ + Uс)

Из этой мощности только 1-ая составляющая расходуется на проведение реакций, другие являются теплопотерями процесса. Только при электролизе расплавленных солей часть теплоты, выделяющейся в электролите IUэ, употребляется полезно, потому что расходуется на расплавление загружаемых в электролизер солей.

Эффективность работы электролизной ванны, может быть оценена массой вещества в граммах, выделяемого на 1 Дж затраченной электроэнергии. Данная величина носит заглавие выхода вещества по энергии.Ее можно отыскать по выражению qэ = (αη1)/Uэл100, тут α — химический эквивалент вещества, г/Кл, η1 — выход по току, Uэл — напряжение на электролизере, В.

Школа для электрика

Электротехнологические установки