Elektrolizátor. Fajok és típusok

Az elektrolizáló egy speciális eszköz, amelyet arra terveztek, hogy egy vegyület vagy oldat komponenseit elektromos áram segítségével leválasztja. Ezeket az eszközöket széles körben használják az iparban, például aktív fémkomponensek ércből való kinyerésére, fémek tisztítására, fémbevonatok felvitelére a termékekre. A mindennapi életben ritkán használják, de megtalálhatók is. Különösen otthoni használatra kínálnak olyan eszközöket, amelyek lehetővé teszik a víz szennyezettségének meghatározását vagy az úgynevezett "élő" víz megszerzését.

A készülék működésének alapja az elektrolízis elve, melynek felfedezőjének a híres külföldi tudóst, Faradayt tartják. Az első vízelektrolizátort azonban 30 évvel Faraday előtt egy Petrov nevű orosz tudós alkotta meg. A gyakorlatban bebizonyította, hogy a víz katód vagy anód állapotban is dúsítható. Ezen igazságtalanság ellenére munkája nem volt hiábavaló, és a technológia fejlődését szolgálta. Jelenleg számos típusú eszközt találtak fel és alkalmaztak sikeresen, amelyek az elektrolízis elvén működnek.

Mi az

Az elektrolizátor egy külső áramforrásnak köszönhetően működik, amely elektromos áramot szolgáltat. Leegyszerűsítve, az egység ház formájában készül, amelyben két vagy több elektróda van felszerelve. A ház belsejében elektrolit található. Elektromos áram alkalmazásakor az oldat a szükséges komponensekre bomlik. Egy anyag pozitív töltésű ionjait egy negatív töltésű elektródára irányítják, és fordítva.

Az ilyen egységek fő jellemzője a teljesítmény. Vagyis ez az az oldat vagy anyag mennyisége, amelyet a berendezés egy bizonyos időn belül képes feldolgozni. Ez a paraméter a modellnévben van feltüntetve. Azonban más mutatók is befolyásolhatják: áramerősség, feszültség, elektrolit típusa stb.

Fajok és típusok

Az anód kialakítása és az áramvezető elhelyezkedése szerint az elektrolizátor háromféle lehet, ezek az egységek:

1. Préselt sült anódok.
2. Folyamatos önsütő anód, valamint oldalvezető.
3. Folyamatos önsütő anód, valamint a felső vezető.

A megoldásokhoz használt elektrolizátor a tervezési jellemzők szerint a következőkre osztható:

• Száraz.
• Folyó.
• Membrán.
• Diafragma.

Eszköz

Az egységek kialakítása eltérő lehet, de mindegyik az elektrolízis elvén működik.

Az eszköz a legtöbb esetben a következő elemekből áll:

• Elektromosan vezető test.
• Katód.
• Anód.
• Elágazó csövek elektrolit-bevitelre, valamint a reakció során nyert anyagok kimenetére.

Az elektródák tömítettek. Általában hengerek formájában jelennek meg, amelyek fúvókák segítségével kommunikálnak a külső környezettel. Az elektródák speciális vezetőképes anyagokból készülnek. A katódra fém rakódik le, vagy a leválasztott gáz ionjait irányítják rá (a víz hasítása során).

A színesfém-iparban gyakran használnak speciális elektrolízis egységeket. Ezek összetettebb telepítések, amelyek saját jellemzőkkel rendelkeznek. Tehát a magnézium és klór kivonására szolgáló elektrolizátorhoz vég- és hosszanti falakból álló fürdőre van szükség. Tűzálló téglával és egyéb anyagokkal van bélelve, és egy válaszfal osztja fel egy elektrolízisrekeszre és egy cellára, amelyben a végtermékeket gyűjtik.

Az ilyen berendezések minden típusának tervezési jellemzői csak olyan speciális problémák megoldását teszik lehetővé, amelyek a felszabaduló anyagok minőségének biztosításához, a reakció sebességéhez, a telepítés energiaintenzitásához stb.

Működési elve

Az elektrolízis készülékekben csak az ionos vegyületek vezetik az elektromosságot. Ezért amikor az elektródákat leengedik az elektrolitba, és bekapcsolják az elektromos áramot, ionos áram kezd folyni benne. Pozitív részecskéket kationok formájában küldenek a katódra, például hidrogént és különféle fémeket. Anionok, azaz negatív töltésű ionok áramlanak az anódhoz (oxigén, klór).

Az anódhoz közeledve az anionok elveszítik töltésüket és semleges részecskékké válnak. Ennek eredményeként az elektródán telepednek le. Hasonló reakciók mennek végbe a katódon: a kationok elektronokat vesznek el az elektródáról, ami semlegesítésükhöz vezet. Ennek eredményeként kationok ülepednek az elektródán. Például a víz felhasadásakor hidrogén képződik, amely buborékok formájában emelkedik fel. Ennek a gáznak az összegyűjtésére speciális csöveket építenek a katód felett. Rajtuk keresztül a hidrogén bejut a szükséges tartályba, majd a rendeltetésszerűen használható.

A működési elve a különböző eszközök kialakításában általában hasonló, de bizonyos esetekben előfordulhatnak bizonyos sajátosságok. Tehát a membránegységekben szilárd elektrolitot használnak membrán formájában, amelynek polimer bázisa van. Az ilyen eszközök fő jellemzője a membrán kettős célja. Ez a közbenső réteg protonokat és ionokat szállíthat, beleértve az elválasztó elektródákat és az elektrolízis végtermékeit.

Membrános eszközöket olyan esetekben alkalmaznak, amikor az elektrolízis végtermékeinek diffúziója nem engedhető meg. Erre a célra porózus membránt használnak, amely üvegből, azbesztből vagy kerámiából készül. Bizonyos esetekben polimer szálak vagy üveggyapot használható ilyen membránként.

Alkalmazás

Az elektrolizátort széles körben használják különféle iparágakban. De az egyszerű kialakítás ellenére különféle verziókkal és funkciókkal rendelkezik. Ezt a berendezést a következőkre használják:

• Színesfémek (magnézium, alumínium) bányászata.
• Kémiai elemek kinyerése (víz oxigénre és hidrogénre bomlása, klór előállítása).
• Szennyvízkezelés (sótalanítás, fertőtlenítés, fertőtlenítés fémionoktól).
• Különféle termékek feldolgozása (tej demineralizálása, hús sózása, élelmiszer-folyadékok elektroaktiválása, nitrátok és nitritek kinyerése növényi termékekből, fehérje kinyerése algákból, gombákból és halhulladékokból).

Az orvostudományban az intenzív terápiában az emberi szervezet méregtelenítésére, azaz nagy tisztaságú nátrium-hipoklorit oldatok előállítására használják az egységeket. Ehhez titán elektródákkal ellátott átfolyó eszközt használnak.

Az elektrolízis- és elektrodializáló berendezéseket széles körben használják környezeti problémák megoldására és vízsótalanításra. De ezeket az egységeket hiányosságaik miatt ritkán használják: ez a tervezés és működésük összetettsége, a háromfázisú áram szükségessége és az elektródák időszakos cseréjének követelménye azok feloldódása miatt.

Az ilyen berendezéseket a mindennapi életben is használják, például „élő” víz megszerzésére, valamint annak tisztítására. A jövőben lehetőség nyílik miniatűr üzemek létrehozására, amelyeket autókban használnak fel a vízből történő biztonságos hidrogén előállítására. A hidrogén energiaforrássá válik, és az autót meg lehet tölteni közönséges vízzel.

Az elektrontranszferrel () kísért kémiai reakciók két típusra oszthatók: spontán reakciókra és olyan reakciókra, amelyek akkor jönnek létre, amikor az áram áthalad az oldaton vagy olvad. .

Az elektrolit oldatot vagy olvadékot egy speciális tartályba helyezzük - elektrolit fürdő .

Elektromosság - ez töltött részecskék - ionok, elektronok stb. - rendezett mozgása külső elektromos tér hatására. Elektrolit oldatban vagy olvadékban elektromos tér jön létre elektródák .

elektródák- Ezek általában elektromos áramot vezető anyagból készült rudak. Oldatba vagy olvadékba helyezik elektrolit, és egy áramforrással ellátott elektromos áramkörhöz csatlakozik.

Ebben az esetben a negatív töltésű elektróda katód- vonzza a pozitív töltésű ionokat kationok. pozitív töltésű elektróda ( anód) vonzza a negatív töltésű részecskéket ( anionok). A katód redukálószerként, az anód pedig oxidálószerként működik.

Megkülönböztetni az elektrolízist és aktívés inert elektródák. Aktív (oldható) elektródák kémiai átalakuláson mennek keresztül az elektrolízis során. Általában rézből, nikkelből és más fémekből készülnek. Inert (oldhatatlan) elektródák nem esnek át kémiai átalakuláson. Inaktív fémekből készülnek, pl. platina, vagy grafit .

Oldatos elektrolízis

Az elektrolízis megkülönböztetése megoldás vagy olvad vegyi anyag. Egy további vegyszer van jelen az oldatban - víz, amely részt vehet a redox reakciókban.

katódos folyamatok

megoldásban sók a katód vonzza a fémkationokat. A fémkationok úgy viselkedhetnek oxidálószerek. A fémionok oxidációs képessége eltérő. A fémek redox képességének felmérésére használják elektrokémiai feszültségsorok :

Minden fémet az elektrokémiai potenciál értékével jellemeznek. Minél kevesebb potenciál , témák több helyreállító tulajdonság fém és témák kevésbé oxidáló tulajdonságokkal rendelkezik ennek a fémnek a megfelelő ionja. A különböző ionok ennek a potenciálnak a különböző értékeinek felelnek meg. Az elektrokémiai potenciál relatív érték. Feltételezzük, hogy a hidrogén elektrokémiai potenciálja nulla.

A katód közelében molekulák is találhatók víz H2O. A víz tartalmaz egy oxidálószert, a H + iont.

A sóoldatok katódon történő elektrolízise során a következő törvényszerűségeket figyeljük meg:

1. Ha a fém sóban van - aktív (Al 3+-ig, beleértve a feszültségtartományt ), akkor a katódon lévő fém helyett helyreáll (kisült) hidrogén, mert a hidrogén potenciálja sokkal nagyobb. A molekuláris hidrogén vízből történő redukciója folytatódik, OH - ionok képződésével a katód közelében lévő környezet lúgos:

2H 2O + 2ē → H 2 + 2OH -

Például, oldat elektrolízise során nátrium-klorid a katódon csak a vízből származó hidrogén nyerhető vissza.

2. Ha a fém sóban van - átlagos aktivitás (között Al 3+ és H+), akkor a katód helyreáll ( kisült) és fém, és hidrogén, mivel az ilyen fémek potenciálja összemérhető a hidrogén potenciáljával:

Me n+ + nē → Én 0

Például, a vas(II)-szulfát oldatának elektrolízise során a katódon redukálódik ( kisülés) valamint vas és hidrogén:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2H + 2O + 2ē → H20 + 2OH -

3. Ha a fém sóban van - inaktív (a hidrogén után a szabványos elektrokémiai fémek sorozatában) , akkor az ilyen fém ionja erősebb oxidálószer, mint a hidrogénion, és csak fém:

Me n+ + nē → Én 0

Például, oldatos elektrolízis soránréz(II)-szulfátA réz redukálódik a katódon:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Ha eltalálják a katódot hidrogén kationok H+ , majd molekuláris hidrogénné redukálódnak:

2H + + 2ē → H 2 0

Anód folyamatok

A pozitív töltésű anód vonzza az anionokat és a vízmolekulákat. Az anód oxidálószer. Redukálószerként vagy savas maradékok anionjait, vagy vízmolekulákat (az oxigén miatt -2-es oxidációs állapotban) fejtem ki: H 2 O -2).

Sóoldatok elektrolízisénél az anódnál a következő minták figyelhetők meg:

1. Ha az anód kap oxigénmentes savmaradék , majd szabad állapotba oxidálódik (0 oxidációs állapotba):

neMe n- – nē = neMe 0

Például: nátrium-klorid oldat elektrolízise során az anódon kloridionok oxidálódnak:

2Cl - - 2ē \u003d Cl 2 0

Valóban, ha visszaemlékezünk a periódusos törvényre: egy nemfém elektronegativitásának növekedésével redukáló tulajdonságai csökkennek. Az oxigén a második legelektronegatívabb elem. Így szinte minden nemfémet könnyebb oxidálni, mint az oxigént. Igaz, van egy kivétel. Valószínűleg már sejtette. Természetesen fluor. Végül is a fluor elektronegativitása nagyobb, mint az oxigéné. Ily módon a fluorid oldatok elektrolízise során a vízmolekulák oxidálódnak, nem a fluoridionok :

2H2O-2 – 4° → O 2 0 + 4H +

2. Ha az anód kap oxigéntartalmú savmaradék, vagy fluoridion , majd a víz oxidáción megy keresztül molekuláris oxigén felszabadulásával:

2H2O-2 – 4° → O 2 0 + 4H +

3. Ha az anód kap hidroxid ion,majd oxidálódik és molekuláris oxigén szabadul fel:

4 O-2H-– 4° → O 2 0 + 2H 2 O

4. Az oldatok elektrolízisében karbonsavak sói oxidáción megy keresztül a karboxilcsoport szénatomja,szén-dioxid és a megfelelő alkán szabadul fel.

Például, az oldatok elektrolízisében acetátok szén-dioxid és etán szabadul fel:

2CH 3 C + 3 OO – – 2ē → 2C +4O2 + CH3-CH3

Az elektrolízis teljes folyamatai

Tekintsük a különféle sók oldatainak elektrolízisét.

Például, oldatos elektrolízis rézszulfát. A katódon a rézionok redukálódnak:

Katód (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

az anódnál a molekulák oxidálódnak víz:

Anód (+): 2H 2O-2 – 4° → O 2 + 4H +

A szulfátionok nem vesznek részt a folyamatban. Felírjuk őket a végső egyenletbe kénsav formájában lévő hidrogénionokkal:

2 Cu 2+ SO 4+ 2H2 O-2→ 2 Cu 0 + 2H 2SO 4 + O 2 0

Oldatos elektrolízis nátrium-klorid így néz ki:

A katódon felépülve hidrogén:

Katód (-):

az anódnál oxidálódnak kloridionok:

Anód (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

A nátriumionok nem vesznek részt az elektrolízis folyamatában. Ezeket hidroxid anionokkal írjuk be a teljes oldatelektrolízis egyenletbe nátrium-klorid:

2H + 2O + 2NaCl - → H20 + 2NaOH + Cl 2 0

Következő példa Kálium-karbonát.

A katódon felépülve hidrogén tól től víz:

Katód (-): 2H + 2O + 2ē → H20 + 2OH -

az anódnál oxidálódnak vízmolekulák molekulárisra oxigén:

Anód (+): 2H 2O-2 – 4° → O 2 0 + 4H +

Így at , káliumionok és karbonátionok nem vesznek részt a folyamatban. Víz elektrolízis történik:

2H2+O-2 → 2H 2 0 + O 2 0

Egy másik példa: vizes oldat elektrolízis réz(II)-klorid.

A katódon felépülve réz:

Katód (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

az anódnál oxidálódnak kloridionok molekulárisra klór:

Anód (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

Így, at kálium-karbonát oldat elektrolízise víz elektrolízise megy végbe

Cu2+ Cl2– → Cu 0 + Cl 2 0

Még néhány példa: nátrium-hidroxid oldat elektrolízise.

A katódon felépülve hidrogén a vízből:

Katód (-): 2H + 2O + 2ē → H20 + 2OH -

az anódnál oxidálódnak hidroxid ionok molekulárisra oxigén:

Anód (+): 4O-2H-– 4° → O 2 0 + 2H 2 O

Így, at nátrium-hidroxid oldat elektrolízise a víz lebomlik, a nátriumkationok nem vesznek részt a folyamatban:

2H2+O-2 → 2H 2 0 + O 2 0

Olvadék elektrolízis

Az olvadék elektrolízise során az anódon savas maradékok anionjai oxidálódnak, a katódon a fémkationok redukálódnak. A rendszerben nincsenek vízmolekulák.

Például: olvadék elektrolízis nátrium-klorid. A katódon a nátriumkationok helyreállnak:

Katód (-): Na + + ē → Na 0

az anódnál az anionok oxidálódnak klór:

Anód (+): 2Cl – – 2ē → Cl 2 0

nátrium-klorid olvadék:

2Na+Cl – → 2Na 0 + Cl 2 0

Egy másik példa: olvadék elektrolízis nátrium-hidroxid. A katódon a nátriumkationok csökkentek:

Katód (-): Na + + ē → Na 0

az anódnál oxidálódnak hidroxid ionok:

Anód (+): 4OH – – 4° → O 2 0+ 2H2O

A teljes elektrolízis egyenlet nátrium-hidroxid olvadék:

4Na+Ó – → 4Na 0 + O 2 0 + 2H2O

Sok fémet az iparban állítanak elő olvadékok elektrolízisével.

Például , alumínium oldat elektrolízisével nyerik alumínium-oxid a kriolit olvadékban. Kriolit- A Na 3 alacsonyabb hőmérsékleten (1100 o C) olvad, mint az alumínium-oxid (2050 o C). Az alumínium-oxid pedig tökéletesen oldódik az olvadt kriolitban.

Kriolit oldatban az alumínium-oxid ionokra bomlik:

Al 2 O 3 \u003d Al 3+ + AlO 3 3-

A katódon az alumínium kationok mennyisége csökken:

Katód (-): Al 3+ + 3ē → Al 0

az anódnál oxidálódnak aluminát ionok:

Anód (+): 4AlO 3 3 – – 12ē → 2Al 2 O 3 + 3O 2 0

Az alumínium-oxid oldat kriolit olvadékban történő elektrolízisének általános egyenlete a következő:

2Al 2 O 3 \u003d 4Al 0 + 3O 2 0

Az iparban az alumínium-oxid elektrolízisénél grafitrudakat használnak elektródákként. Ebben az esetben az elektródák részben oxidálódnak (kiégnek) a felszabaduló oxigénben:

C0 + O 2 0 \u003d C +4 O 2 -2

Elektrolízis oldható elektródákkal

Ha az elektróda anyaga ugyanabból a fémből készül, amely só formájában van jelen az oldatban, vagy egy aktívabb fémből, akkor kisülés az anódon nem vízmolekulák vagy anionok, hanem a fémrészecskék oxidálódnak az elektródán belül.

Például, vegyük figyelembe a réz(II)-szulfát oldatának rézelektródákkal történő elektrolízisét.

A katódon ionok kisülnek réz megoldásból:

Katód (-): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

az anódnál a rézrészecskék oxidálódnak elektróda :

Anód (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+

Az elektrolízis során fellépő folyamatok

Az elektrolízis széles körben elterjedt a színesfémek kohászatában és számos vegyiparban. Fémeket, például alumíniumot, cinket, magnéziumot főként elektrolízissel nyernek. Ezenkívül az elektrolízist réz, nikkel, ólom finomítására (tisztítására), valamint hidrogén, oxigén, klór és számos más vegyi anyag előállítására használják.

Az elektrolízis lényege az, hogy az egyenáramú elektrolitfürdőn átáramló anyag részecskéit leválasztják az elektrolitról, és lerakják őket a fürdőbe merített elektródákra (elektroextrakció), vagy az anyagok egyik elektródáról az elektroliton keresztül történő átvitelében. másikra (elektrolitikus finomítás). Mindkét esetben a folyamatok célja a lehető legtisztább, szennyeződésmentes anyagok beszerzése.

A fémektől eltérően az elektrolitokban (sók, savak és bázisok vízben és néhány más oldószerben, valamint olvadt vegyületekben készült oldatai) ionos elektromos vezetőképesség figyelhető meg.

Az elektrolitok a második típusú vezetők. Ezekben az oldatokban és olvadékokban elektrolitikus disszociáció megy végbe - bomlás pozitív és negatív töltésű ionokká.

Ha az elektromos energiaforráshoz csatlakoztatott elektródákat egy elektrolittal ellátott edénybe helyezzük - egy elektrolizátor, akkor ionáram kezd folyni benne, és a pozitív töltésű ionok - kationok a katód felé mozognak (ezek főleg fémek és hidrogének ), és negatív töltésű ionokat - anionokat (klór, oxigén) - az anódhoz.

Az anódon az anionok feladják töltésüket, és semleges részecskékké alakulnak, amelyek az elektródán ülepednek. A katódon a kationok elektronokat vesznek el az elektródáról, és szintén semlegesítik, leülepednek rajta, és az elektródákra felszabaduló gázok buborékok formájában felfelé emelkednek.

Rizs. 1. Az elektrolízis során fellépő folyamatok. Az elektrolizáló fürdő vázlata: 1 - fürdő, 2 - elektrolit, 3 - anód, 4 - katód, 5 - tápegység

Az elektromos áram a külső áramkörben az elektronok mozgása az anódról a katódra (1. ábra). Ebben az esetben az oldat kimerül, és az elektrolízis folyamatának folyamatossága érdekében dúsítani kell. Így vonnak ki bizonyos anyagokat az elektrolitból (elektroextrakció).

Ha az anód fel tud oldódni az elektrolitban, amikor az utóbbi kimerül, akkor az elektrolitban oldódó részecskéi pozitív töltést kapnak, és a katódra kerülnek, amelyen lerakódnak, ezáltal az anyag az anódról a katódra kerül. Mivel az eljárást úgy hajtják végre, hogy az anódfémben lévő szennyeződések ne kerüljenek át a katódra, ezt a folyamatot elektrolitikus finomításnak nevezik.

Ha az elektródát olyan oldatba helyezzük, amelynek ionjai ugyanolyan anyagból készülnek, mint amiből készült, akkor az elektróda és az oldat közötti bizonyos potenciálnál sem az elektróda nem oldódik ki, sem az anyag nem rakódik le rá az oldatból.

Ezt a potenciált az anyag normál potenciáljának nevezzük. Ha az elektródára negatívabb potenciál kerül, akkor egy anyag felszabadulása (katódfolyamat) indul meg rajta, ha pozitívabb, akkor megindul az oldódása (anódos folyamat).

A normálpotenciálok értéke az ionkoncentrációtól és a hőmérséklettől függ. A hidrogén normálpotenciálját szokás nullának tekinteni. táblázatban. Az 1. ábra egyes anyagok vizes oldatainak normál elektródpotenciálját mutatja +25°C-on.

1. táblázat: Normál elektródpotenciálok +25° С-on

Ha az elektrolitban különböző fémek ionjai vannak, akkor a katódon először a kisebb negatív normálpotenciálú ionok (réz, ezüst, ólom, nikkel) szabadulnak fel, az alkáliföldfémeket a legnehezebb elkülöníteni. Ezenkívül a vizes oldatok mindig tartalmaznak hidrogénionokat, amelyek korábban szabadulnak fel, mint az összes negatív normálpotenciálú fém, ezért az utóbbi elektrolízise során az energia jelentős, vagy akár nagy része a hidrogén felszabadulására fordítódik.

Különleges intézkedésekkel bizonyos határokon belül meg lehet akadályozni a hidrogénfejlődést, azonban az 1 V-nál kisebb normálpotenciálú fémek (például magnézium, alumínium, alkáliföldfémek) nem nyerhetők elektrolízissel vizesoldat. Ezeket a fémek olvadt sóinak lebontásával nyerik.

táblázatban feltüntetett anyagok normál elektródpotenciáljai. 1 minimálisak, amelyeknél az elektrolízis folyamat megkezdődik, a gyakorlatban a potenciál nagy értékei szükségesek a folyamat fejlődéséhez.

Az elektróda elektrolízis közbeni tényleges potenciálja és a normál potenciál közötti különbséget túlfeszültségnek nevezzük. Növeli az energiaveszteséget az elektrolízis során.

Másrészt a hidrogénionok túlfeszültségének növelésével akadályozható a katódon való felszabadulás, ami lehetővé teszi, hogy vizes oldatokból elektrolízissel számos, a hidrogénnél negatívabb fémet nyerjünk ki, mint például az ólom, ón, nikkel, kobalt, króm és még cink is. Ezt úgy érik el, hogy a folyamatot megnövelt áramsűrűség mellett hajtják végre az elektródákon, valamint bizonyos anyagokat juttatnak az elektrolitba.

Az elektrolízis során a katódos és anódos reakciók lefolyását a következő két Faraday-törvény határozza meg.

1. A katódon az elektrolízis során felszabaduló vagy az anódról az elektrolitra átvitt m e anyag tömege arányos az általam az elektroliton átvezetett elektromosság mennyiségével. τ : m e \u003d α / τ, itt a az anyag elektrokémiai megfelelője, g / C.

2. Az elektrolízis során azonos mennyiségű elektromossággal felszabaduló anyag tömege egyenesen arányos az A anyag atomtömegével és fordítottan arányos n vegyértékével: m e \u003d A / 96480n, itt 96480 a Faraday-szám, C x mol -1.

Így egy anyag elektrokémiai megfelelője α \u003d A / 96480n az anyag tömege grammban, amelyet az elektrolitikus fürdőn áthaladó elektromosság - egy függesztő - egység bocsát ki (amper-másodperc).

A réz esetében A = 63,54, n = 2, α = 63,54 / 96480 -2 \u003d 0,000329 g / C, nikkelnél α \u003d 0,000304 g / C, cink esetében α \u003d 0,00034 g/C.

A valóságban a felszabaduló anyag tömege mindig kisebb a jelzettnél, ami a fürdőben számos mellékfolyamattal magyarázható (például hidrogénfejlődés a katódon), áramszivárgás és az elektródák közötti rövidzárlat.

A ténylegesen felszabaduló anyag tömegének arányát annak tömegéhez, amelynek Faraday törvénye szerint fel kellett volna szabadítania, az anyag áramteljesítményének η1 nevezzük.

Ezért egy valós folyamathoz m e = η1 x ( A / 96480n) x It

Természetesen mindig η1

Az áramkimenet lényegében az elektródánál mért áramsűrűségtől függ. Az elektróda áramsűrűségének növekedésével az áramkimenet nő, és a folyamat hatékonysága nő.

Feszültség Az U el, amelyet az elektrolizátorba kell táplálni, a következőkből áll: az Ep bomlási feszültség (az anódos és a katódos reakciók közötti potenciálkülönbség), az anódos és a katódos túlfeszültségek összegéből, az Ep elektrolit feszültségeséséből, az Ep feszültségesésből. az elektrolit U e \u003d IR ep (R ep az elektrolit ellenállása), feszültségesések a gumiabroncsokban, érintkezőkben, elektródákban U c \u003d I (R w + R k + R e). A következőt kapjuk: U el \u003d Ep + En + U e + U s.

Az elektrolízis során felvett teljesítmény egyenlő: Rel \u003d IU el \u003d I (Ep + En + U e + U s)

Ebből az erőből csak az első komponenst fordítják reakciókra, a többi a folyamat hővesztesége. Csak az olvadt sók elektrolízise során hasznosul az IU e elektrolitban felszabaduló hő egy része, mivel azt az elektrolizátorba töltött sók olvasztására fordítják.

Az elektrolizáló fürdő hatásfoka megbecsülhető a felszabaduló anyag grammokban kifejezett tömegével 1 J elfogyasztott villamos energiára. Ezt az értéket egy anyag energiahozamának nevezzük. Megtalálható a q e = (αη1)/ kifejezéssel U el100, itt α egy anyag elektrokémiai ekvivalense, g/C, η1 az áram hatásfoka, U email- feszültség az elektrolizátoron, V.

Elektrolízis

Az elektrolízis során végbemenő folyamatok ellentétesek a galvánelem működése során fellépő folyamatokkal. Ha a galvánelem működése során egy spontán lezajló redox reakció energiája elektromos energiává alakul, akkor az elektrolízis során az elektromos áram energiája miatt kémiai reakció megy végbe.

Az elektrolízis egy redox folyamat, amely az elektródákon megy végbe, amikor elektromos áram áthalad egy elektrolit oldaton vagy olvadékon.

Az elektrolízist elektrolizátorokban végzik, amelyek fő alkotóelemei két ionvezetőbe (elektrolitba) merített elektróda, amelyek egyenáramú forrás kivezetéseihez vannak csatlakoztatva.

Az áramforrás negatív pólusára csatlakoztatott elektródát nevezzük katód,és pozitívan anód.

Feszültség alkalmazásakor a katódon redukciós folyamatok, az anódon pedig oxidációs folyamatok mennek végbe.

Az anódok oldhatatlanok (szénből, grafitból, platinából és irídiumból) és oldhatók (rézből, ezüstből, cinkből, kadmiumból és nikkelből). Az oldható anód oxidáción megy keresztül, azaz. elektronokat küld egy külső áramkörbe.

Az olvadék elektrolízise a következő séma szerint megy végbe:

1. Az elektrolit olvadása során keletkező anionok elektródpotenciáljaik növekvő sorrendjében (j 0)

2. A kationok a katódon redukálódnak j 0 -uk csökkenő sorrendjében.

Például 2NaCl ® 2Na + Cl 2 K (-) 2Na + + 2e = 2Na 0

olvadék A (+) 2Cl - - 2e \u003d Cl 2

Az elektrolitok vizes oldatainak elektrolízis termékeinek meghatározásakor figyelembe kell venni a vízmolekulák redoxreakcióiban való részvétel lehetőségét, az anód anyagát, az ionok természetét és az elektrolízis körülményeit.

3. táblázat - Az elektrolízis egyenletek felírásának általános szabályai

elektrolitok vizes oldatai

1. NaCl-oldat elektrolízise (inert anód)

K (-): Na+; H2O

H 2 O + 2e ® H 2 + 2OH -

A (+): Cl-; H2O

2 Cl - - 2e ® Cl2

2H 2O + 2 NaCl email jelenlegi H 2 + Cl 2 + 2NaOH

Ennek eredményeként a katódon H 2, az anódon Cl 2 szabadul fel, és a NaOH felhalmozódik az elektrolizátor katódterében.

2. ZnSO 4 oldat elektrolízise (inert anód)

K (-): Zn2+; H2O

Zn 2+ + 2e ® Zn 0

2H 2 O + 2e ® H 2 + 2OH -

A (+): 2H20-4e® O2 + 4H+

Zn 2+ +4H 2 O ® Zn + H 2 + O 2 + 2OH - + 4H +

A H 2 O molekulák redukálása és az egyenlet mindkét oldalához SO 4 2- ionok hozzáadása után megkapjuk a molekuláris elektrolízis egyenletet:

ZnSO 4 + 2H 2 O email jelenlegi Zn + H 2 + O 2 + H 2 SO 4

3. K 2 SO 4 oldat elektrolízise (inert anód)

K (-): K+; H2O

H 2 O + 2e ® H 2 + 2OH -

A (+): S042-; H2O

2H 2O-4e® O 2 + 4H+

2H 2O + 2e email jelenlegi O 2 + 2H 2

azok. kálium-szulfát oldatának elektrolízise a víz bomlására redukálódik. A só koncentrációja az oldatban nő.

4. ZnSO 4 oldat elektrolízise cink anóddal.

K (-): Zn2+; H2O

Zn 2+ + 2e ® Zn 0

2H 2 O + 2e ® H 2 + 2OH -

A(+): Zn0; H2O

Zn 0 -2e ® Zn 2+

Zn 0 + Zn 2+ ® Zn 2+ + Zn 0

Azok. ZnSO 4 oldatának cink-anóddal végzett elektrolízise a cinknek az anódról a katódra történő átvitelére redukálódik.

Az elektrolízis során az elektródákon felszabaduló anyag mennyisége, az oldaton áthaladó elektromosság mennyisége és az elektrolízis ideje között a Faraday-törvény által kifejezett függőségek vannak.

Faraday első törvénye: az elektródákon felszabaduló vagy oldott anyag tömege egyenesen arányos az oldaton áthaladó elektromosság mennyiségével:

m = --------- ; ahol m az elektródákon felszabaduló anyag tömege,

FM E - az anyag egyenértékének moláris tömege, g / mol,

I - áramerősség, A;

t - elektrolízis idő, másodperc;

F Faraday állandója (96500 C/mol).

Faraday második törvénye: az oldaton áthaladó bizonyos mennyiségű elektromosság esetén a reagált anyagok tömegének aránya megegyezik kémiai ekvivalenseik moláris tömegének arányával:

Const

ÉN 1 ÉN 2 ÉN 3

Bármely anyag 1 mólekvivalens felszabadításához vagy feloldásához ugyanannyi, 96 500 C-nak megfelelő elektromosságot kell átvezetni egy oldaton vagy olvadékon. Ezt az értéket hívják Faraday állandó.

Az 1 C elektromos áram áthaladása során az elektródán felszabaduló anyag mennyiségét nevezzük elektrokémiai egyenérték (ε ).

ε = . ------- , ahol ε - elektrokémiai

F megfelelője

Me - moláris tömegegyenérték

elem (anyag); , g/mol

F a Faraday-állandó, C/mol.

4. táblázat - Egyes elemek elektrokémiai megfelelői

kation	Én, g/mol	ε, mg	Anion	Én, g/mol	ε, mg
Ag + Al 3+ Au3+ Ba 2+ Ca 2+ Cd 2+ Cr 3+ Cu 2+ Fe 2+ Fe 3+ H + K + Li + Mg 2+ Mn 2+ Na + Ni 2+ Pb 2+ Sn 2+ Sr2+ Zn2+	107,88 8,99 65,70 58,70 20,04 56,20 17,34 31,77 27,92 18,61 1,008 39,10 6,94 12,16 27,47 22,90 29,34 103,60 59,40 43,80 32,69	1,118 0,93 0,681 0,712 0,208 0,582 0,179 0,329 0,289 0,193 0,0105 0,405 0,072 0,126 0,285 0,238 0,304 1,074 0,616 0,454 0,339	Br - BrO 3 - Cl - ClO 3 - HCOO - CH 3 COO - CN - CO 3 2 - C 2 O 4 2 - CrO 4 2 - F - I - NO 3 - IO 3 - OH - S 2 - SO 4 2 -Se 2- SiO 3 2-	79,92 127,92 35,46 83,46 45,01 59,02 26,01 30,00 44,50 58,01 19,00 126,42 174,92 62,01 17,00 16,03 48,03 39,50 38,03	0,828 1,326 0,368 0,865 0,466 0,612 0,270 0,311 0,456 0,601 0,197 1,315 1,813 0,643 0,177 0,170 0,499 0,411 0,395

Az oxidációs és redukciós folyamatok alapozzák meg az olyan kémiai energiaforrások működését, mint az akkumulátorok.

Az akkumulátorokat galvanikus celláknak nevezzük, amelyekben a töltés és a kisütés megfordítható folyamatai lehetségesek, a munkájukban részt vevő anyagok hozzáadása nélkül.

Az elhasznált vegyi energia helyreállítása érdekében az akkumulátort külső forrás áramának átvezetésével töltik fel. Ugyanakkor az elektródákon elektrokémiai reakciók mennek végbe, amelyek ellentétesek azokkal, amelyek az akkumulátor áramforrásként való használatakor zajlottak le.

Jelenleg a legelterjedtebbek az ólom-savas akkumulátorok, amelyekben a PbO 2 ólom-dioxid pozitív elektródaként, a fémes ólom Pb pedig negatív elektródaként szolgál.

Elektrolitként 25-30%-os kénsavoldatot használnak, ezért az ólom-savas akkumulátorokat savasnak is nevezik.

Az akkumulátor kisülése és töltése során fellépő folyamatok a következőképpen foglalhatók össze:

Pb 0 + Pb +4 O 2 + 4Н + + 2SO 4 2- « 2Pb 0 + 2SO 4 2- + 2H 2 O

Az ólomelem mellett a gyakorlatban alkáli elemeket használnak: nikkel-kadmium, nikkel-vas.

5. táblázat - Az akkumulátorok típusai