Spørgsmålet om, hvad elektrolyse er, overvejes i skolens fysikkursus, og for de fleste er det ikke en hemmelighed. En anden ting er dens betydning og praktiske anvendelse. Denne proces bruges med stor fordel i forskellige brancher og kan være nyttig for hjemmehåndværkeren.
Indhold
Hvad er elektrolyse?
Elektrolyse er et kompleks af specifikke processer i systemet af elektroder og elektrolyt, når en jævn elektrisk strøm løber gennem det. Dens mekanisme er baseret på forekomsten af en ionstrøm. Elektrolytten er en type 2 leder (ionisk ledningsevne), hvor elektrolytisk dissociation forekommer. Det er forbundet med nedbrydning til ioner med positive (kation) og negativ (anion) opladning.
Elektrolysesystemet indeholder nødvendigvis en positiv (anode) og negativ (katode) elektrode. Når en jævnstrøm påføres, begynder kationer at bevæge sig mod katoden, og anioner - mod anoden. Kationerne er hovedsageligt metalioner og brint, og anionerne er oxygen, klor. Ved katoden binder kationer overskydende elektroner til sig selv, hvilket sikrer forekomsten af reduktionsreaktionen Men+ + ne → Me (hvor n er metallets valens). Ved anoden derimod doneres en elektron fra anionen med en oxidativ reaktion, der finder sted.
Der er således tilvejebragt en redoxproces i systemet. Det er vigtigt at overveje, at der kræves passende energi for dets flow. Den skal leveres af en ekstern strømkilde.
Faradays love for elektrolyse
Den store fysiker M. Faraday gjorde det med sin forskning muligt ikke kun at forstå elektrolysens natur, men også at foretage de nødvendige beregninger til dens gennemførelse. I 1832 dukkede hans love op, der forbinder de vigtigste parametre for de igangværende processer.
Første lov
Faradays første lov siger, at massen af stoffet, der reduceres ved anoden, er direkte proportional med den elektriske ladning induceret i elektrolytten: m = kq = k*I*t, hvor q er ladningen, k er koefficienten eller elektrokemisk ækvivalent af stoffet er I styrken af den strøm, der løber gennem elektrolytten, t er den aktuelle passagetid.
Anden lov
Faradays anden lov gjorde det muligt at bestemme proportionalitetskoefficienten k. Det lyder sådan her: den elektrokemiske ækvivalent af ethvert stof er direkte proportional med dets molære masse og omvendt proportional med valens. Loven er udtrykt som:
k = 1/F*A/z, hvor F er Faraday-konstanten, A er stoffets molære masse, z er dets kemiske valens.
Under hensyntagen til begge love er det muligt at udlede den endelige formel til beregning af massen aflejret på stoffets elektrode: m = A*I*t/(n*F), hvor n er antallet af elektroner involveret i elektrolyse. Normalt svarer n til ladningen af ionen. Fra et praktisk synspunkt er sammenhængen mellem et stofs masse og den påførte strøm vigtig, hvilket gør det muligt at styre processen ved at ændre dens styrke.
Smelteelektrolyse
En af mulighederne for elektrolyse er brugen af en smelte som en elektrolyt. I dette tilfælde deltager kun smelteioner i elektrolyseprocessen. Et klassisk eksempel er elektrolyse af smeltet salt NaCl (salt). Negative ioner skynder sig til anoden, hvilket betyder, at der frigives gas (Cl). Metalreduktion vil ske ved katoden, dvs. aflejring af rent Na dannet af positive ioner, der har tiltrukket overskydende elektroner. Andre metaller kan opnås på samme måde (K, Ca, Li osv.) fra massakren af de tilsvarende salte.
Under elektrolyse i en smelte undergår elektroderne ikke opløsning, men deltager kun som strømkilde. I deres fremstilling kan du bruge metal, grafit, nogle halvledere. Det er vigtigt, at materialet har tilstrækkelig ledningsevne. Et af de mest almindelige materialer er kobber.
Egenskaber ved elektrolyse i opløsninger
Elektrolyse i en vandig opløsning adskiller sig væsentligt fra en smelte. Tre konkurrerende processer finder sted her: vandoxidation med oxygenudvikling, anionoxidation og anodisk opløsning af metallet. Ionerne af vand, elektrolyt og anode er involveret i processen.Følgelig kan reduktion af hydrogen, elektrolytkationer og anodemetal forekomme ved katoden.
Muligheden for at disse konkurrerende processer opstår afhænger af størrelsen af systemets elektriske potentialer. Kun den proces, der kræver mindre ekstern energi, vil fortsætte. Følgelig vil kationer med det maksimale elektrodepotentiale blive reduceret ved katoden, og anioner med det laveste potentiale vil blive oxideret ved anoden. Elektrodepotentialet for brint tages som "0". For eksempel er det for kalium (-2,93V), natrium - (-2,71V), at føre (-0,13V), mens sølv har (+0,8 V).
Elektrolyse i gasser
Gas kan kun spille rollen som en elektrolyt i nærværelse af en ionisator. I dette tilfælde forårsager strømmen, der passerer gennem det ioniserede medium, den nødvendige proces på elektroderne. Faradays love gælder dog ikke for gaselektrolyse. For dens gennemførelse er følgende betingelser nødvendige:
- Uden kunstig ionisering af gassen hjælper hverken højspænding eller højstrøm.
- Kun syrer, der ikke indeholder ilt og er i gasform, og nogle gasser er velegnede til elektrolyse.
Vigtig! Når de nødvendige betingelser er opfyldt, forløber processen på samme måde som elektrolyse i en flydende elektrolyt.
Funktioner ved de processer, der forekommer ved katoden og anoden
For den praktiske anvendelse af elektrolyse er det vigtigt at forstå, hvad der sker ved begge elektroder, når en elektrisk strøm påføres. Typiske processer er:
- Katode. Positivt ladede ioner skynder sig til det. Her sker reduktionen af metaller eller udviklingen af brint. Der er flere kategorier af metaller i henhold til kationisk aktivitet.Metaller såsom Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al er godt reduceret kun fra smeltede salte. Hvis der anvendes en opløsning, frigives brint på grund af elektrolyse af vand. Det er muligt at opnå reduktion i opløsning, men med en tilstrækkelig koncentration af kationer, for følgende metaller - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Processen forløber lettest for Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anode. Negativt ladede ioner kommer ind i denne elektrode. Oxideret tager de elektroner fra metallet, hvilket fører til deres anodiske opløsning, dvs. overgang til positivt ladede ioner, som sendes til katoden. Anioner klassificeres også efter deres aktivitet. Sådanne anioner PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F kan kun udledes fra smelter.I vandige opløsninger er det ikke dem, der gennemgår elektrolyse, men vand med frigivelse af ilt. Anioner såsom OH, Cl, I, S, Br reagerer lettest.
Når man sikrer elektrolyse, er det vigtigt at tage højde for elektrodematerialets tendens til at oxidere. I denne henseende skiller inerte og aktive anoder sig ud. Inerte elektroder er lavet af grafit, kulstof eller platin og deltager ikke i tilførslen af ioner.
Faktorer, der påvirker elektrolyseprocessen
Elektrolyseprocessen afhænger af følgende faktorer:
- Elektrolytsammensætning. Forskellige urenheder har en betydelig effekt. De er opdelt i 3 typer - kationer, anioner og organiske stoffer. Stoffer kan være mere eller mindre negative end basismetallet, hvilket forstyrrer processen. Blandt organiske urenheder skiller forurenende stoffer (f.eks. olier) og overfladeaktive stoffer sig ud. Deres koncentration har maksimalt tilladte værdier.
- strømtæthed. I overensstemmelse med Faradays love stiger massen af det aflejrede stof med stigende strømstyrke. Imidlertid opstår ugunstige omstændigheder - koncentreret polarisering, øget spænding, intens opvarmning af elektrolytten. Med dette i tankerne er der optimale strømtæthedsværdier for hvert enkelt tilfælde.
- elektrolyt pH. Surhedsgraden i miljøet vælges også under hensyntagen til metaller. For eksempel er den optimale værdi af elektrolytsyre for zink 140 g/cu.dm.
- Elektrolyttemperatur. Det har en tvetydig effekt. Med en stigning i temperaturen øges elektrolysehastigheden, men aktiviteten af urenheder øges også. Der er en optimal temperatur for hver proces. Normalt er det i intervallet 38-45 grader.
Vigtig! Elektrolyse kan accelereres eller bremses af forskellige påvirkninger og valg af elektrolytsammensætning. Hver applikation har sit eget regime, som skal overholdes nøje.
Hvor bruges elektrolyse?
Elektrolyse bruges på mange områder. Der er flere hovedanvendelsesområder for at opnå praktiske resultater.
Galvanisering
En tynd, holdbar plettering af metal kan påføres ved elektrolyse. Produktet, der skal coates, installeres i badet i form af en katode, og elektrolytten indeholder et salt af det ønskede metal. Så du kan dække stålet med zink, krom eller tin.
Elektroraffinering - kobberraffinering
Et eksempel på elektrisk rengøring kan være følgende mulighed: katode - rent kobber anode - kobber med urenheder, elektrolyt - en vandig opløsning af kobbersulfat. Kobber fra anoden går over i ioner og sætter sig i katoden allerede uden urenheder.
Metaludvinding
For at opnå metaller fra salte overføres de til smelten, og derefter leveres elektrolyse i den. En sådan metode er ret effektiv til at opnå aluminium fra bauxit, natrium og kalium.
Anodisering
I denne proces er belægningen lavet af ikke-metalliske forbindelser. Et klassisk eksempel er aluminiumanodisering. Aluminiumsdelen monteres som anode. Elektrolytten er en opløsning af svovlsyre. Som et resultat af elektrolyse aflejres et lag af aluminiumoxid på anoden, som har beskyttende og dekorative egenskaber. Disse teknologier er meget udbredt i forskellige industrier. Du kan udføre processerne med dine egne hænder i overensstemmelse med sikkerhedsbestemmelserne.
Energiomkostninger
Elektrolyse kræver høje energiomkostninger. Processen vil være af praktisk værdi, hvis anodestrømmen er tilstrækkelig, og for dette er det nødvendigt at anvende en betydelig jævnstrøm fra strømkilden. Når det udføres, opstår der desuden sidespændingstab - anode- og katodeoverspænding, tab i elektrolytten på grund af dens modstand. Anlæggets effektivitet bestemmes ved at relatere energiforbrugets effekt til en enhed af nyttig masse af det opnåede stof.
Elektrolyse har været brugt i industrien i lang tid og med høj effektivitet. Anodiserede og elektropletterede belægninger er blevet almindelige i hverdagen, og minedrift og udnyttelse af materialer hjælper med at udvinde mange metaller fra malm. Processen kan planlægges og beregnes ved at kende dens hovedmønstre.
Lignende artikler:
