Mi az elektrolízis és hol használják?

A kérdés, hogy mi az elektrolízis, az iskolai fizikatanfolyamon foglalkozik, és a legtöbb ember számára ez nem titok. Egy másik dolog a fontossága és gyakorlati alkalmazása. Ezt az eljárást nagy haszonnal alkalmazzák a különböző iparágakban, és hasznos lehet az otthoni kézműves számára.

Mi az elektrolízis?

Az elektrolízis specifikus folyamatok komplexuma az elektródák és az elektrolit rendszerében, amikor egyenáram áramlik át rajta. Mechanizmusa egy ionáram fellépésén alapul. Az elektrolit 2-es típusú vezető (ionvezetőképesség), amelyben elektrolitikus disszociáció következik be. ionokra való bomlásával kapcsolatos pozitív (kation) és negatív (anion) díj.

Az elektrolizáló rendszer szükségszerűen tartalmaz egy pozitív (anód) és negatív (katód-) elektróda. Egyenáram alkalmazásakor a kationok a katód felé, az anionok pedig az anód felé mozognak. A kationok főként fémionok és hidrogén, az anionok pedig oxigén, klór. A katódon a kationok felesleges elektronokat kötnek magukhoz, ami biztosítja a redukciós reakció bekövetkezését Men+ + ne → Me (ahol n a fém vegyértéke). Ezzel szemben az anódnál egy elektron adományozódik az anionból oxidatív reakcióval.

Így a rendszerben redox folyamatot biztosítanak. Fontos figyelembe venni, hogy az áramlásához megfelelő energia szükséges. Külső áramforrásról kell gondoskodni.

Faraday elektrolízis törvényei

A nagy fizikus, M. Faraday kutatásaival nemcsak az elektrolízis természetének megértését tette lehetővé, hanem a megvalósításához szükséges számítások elvégzését is. 1832-ben jelentek meg törvényei, amelyek összekapcsolták a folyamatban lévő folyamatok főbb paramétereit.

Első törvény

Faraday első törvénye kimondja, hogy az anódon redukálódó anyag tömege egyenesen arányos az elektrolitban indukált elektromos töltéssel: m = kq = k*I*t, ahol q a töltés, k együttható vagy elektrokémiai ekvivalens az anyagból I az elektroliton átfolyó áram erőssége, t az áram áthaladási ideje.

Második törvény

Faraday második törvénye lehetővé tette a k arányossági együttható meghatározását. Ez így hangzik: bármely anyag elektrokémiai egyenértéke egyenesen arányos a moláris tömegével és fordítottan arányos a vegyértékével. A törvény a következőképpen fejeződik ki:

k = 1/F*A/z, ahol F a Faraday-állandó, A az anyag moláris tömege, z a kémiai vegyértéke.

Mindkét törvényt figyelembe véve levezethető a végső képlet az anyag elektródájára lerakódott tömeg kiszámításához: m = A*I*t/(n*F), ahol n az elektrolízisben részt vevő elektronok száma. Általában n az ion töltésének felel meg. Gyakorlati szempontból fontos az anyag tömege és az alkalmazott áram közötti kapcsolat, amely lehetővé teszi a folyamat szabályozását az erősségének változtatásával.

Olvadék elektrolízis

Az elektrolízis egyik lehetősége az olvadék elektrolitként történő felhasználása. Ebben az esetben csak olvadt ionok vesznek részt az elektrolízis folyamatában. Klasszikus példa erre az olvadt só NaCl elektrolízise (só). Negatív ionok rohannak az anódhoz, ami azt jelenti, hogy gáz szabadul fel (Cl). A fémredukció a katódon történik, azaz. tiszta Na lerakódása, amely pozitív ionokból keletkezett, amelyek többlet elektronokat vonzottak. Más fémek hasonló módon nyerhetők (K, Ca, Li stb.) a megfelelő sók lemészárlásából.

Az olvadékban történő elektrolízis során az elektródák nem oldódnak fel, hanem csak áramforrásként vesznek részt. Gyártásukban fémet, grafitot és néhány félvezetőt használhat. Fontos, hogy az anyag megfelelő vezetőképességgel rendelkezzen. Az egyik legelterjedtebb anyag a réz.

Az elektrolízis jellemzői oldatokban

A vizes oldat elektrolízise jelentősen eltér az olvadéktól. Három egymással versengő folyamat játszódik le itt: víz oxidációja oxigénfejlődéssel, anionos oxidáció és a fém anódos feloldása. A folyamatban részt vesznek a víz, az elektrolit és az anód ionjai.Ennek megfelelően a hidrogén, az elektrolitkationok és az anódfém redukciója történhet a katódon.

Ezen versengő folyamatok előfordulásának lehetősége a rendszer elektromos potenciáljainak nagyságától függ. Csak az a folyamat megy végbe, amely kevesebb külső energiát igényel. Következésképpen a maximális elektródpotenciálú kationok a katódon csökkennek, a legkisebb potenciálú anionok pedig oxidálódnak az anódon. A hidrogén elektródpotenciálját "0"-nak vesszük. Például a kálium esetében ez (-2,93V), nátrium - (-2,71V), vezet (-0,13V), míg az ezüstnek (+0,8 V).

Elektrolízis gázokban

A gáz csak ionizáló jelenlétében töltheti be az elektrolit szerepét. Ebben az esetben az ionizált közegen áthaladó áram előidézi a szükséges folyamatot az elektródákon. Faraday törvényei azonban nem vonatkoznak a gázelektrolízisre. A megvalósításhoz a következő feltételek szükségesek:

1. A gáz mesterséges ionizálása nélkül sem a nagyfeszültség, sem a nagy áram nem segít.
2. Elektrolízisre csak az oxigént nem tartalmazó, gáz halmazállapotú savak, illetve egyes gázok alkalmasak.

Fontos! A szükséges feltételek teljesülése esetén a folyamat a folyékony elektrolitban történő elektrolízishez hasonlóan megy végbe.

A katódon és az anódon végbemenő folyamatok jellemzői

Az elektrolízis gyakorlati alkalmazásához fontos megérteni, hogy mi történik mindkét elektródán elektromos áram alkalmazásakor. A tipikus folyamatok a következők:

1. Katód. Pozitív töltésű ionok rohannak rá. Itt a fémek redukciója vagy a hidrogén fejlődése megy végbe. A kationos aktivitás szerint a fémeknek több kategóriája van.Az olyan fémek, mint a Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al csak olvadt sókból redukálódnak jól. Ha oldatot használunk, akkor a víz elektrolízise következtében hidrogén szabadul fel. Oldatban redukciót lehet elérni, de megfelelő kationkoncentráció mellett a következő fémeknél - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. A folyamat legkönnyebben Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg esetén megy végbe.
2. Anód. A negatív töltésű ionok belépnek erre az elektródára. Oxidálva elektronokat vesznek el a fémből, ami anódos feloldódásukhoz vezet, pl. pozitív töltésű ionokká alakulnak át, amelyeket a katódra küldenek. Az anionokat aktivitásuk szerint is osztályozzák. Az ilyen anionok (PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F) csak olvadékból ürülhetnek ki, vizes oldatokban nem ezek, hanem a víz, oxigén felszabadulásával ürülnek ki. A legkönnyebben az OH, Cl, I, S, Br anionok reagálnak.

Az elektrolízis biztosításakor fontos figyelembe venni az elektróda anyagának oxidációs hajlamát. Ebből a szempontból kiemelkednek az inert és aktív anódok. Az inert elektródák grafitból, szénből vagy platinából készülnek, és nem vesznek részt az ionok ellátásában.

Az elektrolízis folyamatát befolyásoló tényezők

Az elektrolízis folyamata a következő tényezőktől függ:

1. Elektrolit összetétel. Különféle szennyeződések jelentős hatást fejtenek ki. 3 típusra oszthatók - kationokra, anionokra és szerves anyagokra. Az anyagok többé-kevésbé negatívak lehetnek, mint az alapfém, ami zavarja a folyamatot. A szerves szennyeződések közül kiemelkednek a szennyező anyagok (pl. olajok) és a felületaktív anyagok. Koncentrációjuk megengedett legnagyobb értékekkel rendelkezik.
2. pillanatnyi sűrűség. Faraday törvényeinek megfelelően a lerakódott anyag tömege az áramerősség növekedésével növekszik. Azonban kedvezőtlen körülmények merülnek fel - koncentrált polarizáció, megnövekedett feszültség, az elektrolit intenzív melegítése. Ezt szem előtt tartva minden egyes esetre megvannak az optimális áramsűrűség értékek.
3. elektrolit pH. A környezet savasságát is a fémek figyelembevételével választják ki. Például a cink elektrolit savasságának optimális értéke 140 g/cu.dm.
4. Elektrolit hőmérséklet. Kétértelmű hatása van. A hőmérséklet emelkedésével az elektrolízis sebessége nő, de a szennyeződések aktivitása is nő. Minden folyamathoz megvan az optimális hőmérséklet. Általában 38-45 fok között van.

Fontos! Az elektrolízist felgyorsíthatja vagy lelassíthatja különféle hatások és az elektrolit összetételének megválasztása. Minden alkalmazásnak megvan a maga rendje, amelyet szigorúan be kell tartani.

Hol használják az elektrolízist?

Az elektrolízist számos területen alkalmazzák. A gyakorlati eredmények eléréséhez több fő felhasználási terület létezik.

Galvanizálás

Vékony, tartós fémbevonat alkalmazható elektrolízissel. A bevonandó termék katód formájában kerül a fürdőbe, és az elektrolit a kívánt fém sóját tartalmazza. Így bevonhatja az acélt cinkkel, krómmal vagy ónnal.

Elektrofinomítás - rézfinomítás

Példa az elektromos tisztításra a következő lehetőség lehet: katód- - tiszta réz anód - réz szennyeződésekkel, elektrolit - réz-szulfát vizes oldata. Az anódból származó réz ionokká alakul, és már szennyeződések nélkül leülepedik a katódon.

Fémbányászat

A sókból fémek kinyeréséhez az olvadékba kerülnek, majd abban elektrolízist végeznek. Ez a módszer meglehetősen hatékony alumínium bauxitokból, nátriumból és káliumból történő előállítására.

Eloxálás

Ebben az eljárásban a bevonat nem fémes vegyületekből készül. Klasszikus példa az alumínium eloxálás. Az alumínium rész anódként van felszerelve. Az elektrolit kénsav oldata. Az elektrolízis eredményeként alumínium-oxid réteg rakódik le az anódon, amely védő és dekoratív tulajdonságokkal rendelkezik. Ezeket a technológiákat széles körben alkalmazzák a különböző iparágakban. A folyamatokat saját kezűleg is elvégezheti a biztonsági előírások betartásával.

Energia költségek

Az elektrolízis magas energiaköltséget igényel. Az eljárás akkor lesz gyakorlati értékű, ha az anódáram elegendő, ehhez pedig jelentős egyenáramot kell alkalmazni az áramforrásból. Ezenkívül, amikor végrehajtják, oldalsó feszültségveszteségek lépnek fel - anód és katód túlfeszültség, veszteség az elektrolitban az ellenállása miatt. A berendezés hatékonyságát úgy határozzuk meg, hogy az energiafogyasztás teljesítményét a kapott anyag hasznos tömegének egységéhez viszonyítjuk.

Az elektrolízist az iparban régóta és nagy hatékonysággal alkalmazzák. Az eloxált és galvanizált bevonatok mindennapossá váltak a mindennapi életben, és az anyagok bányászata és dúsítása sok fémet segít kinyerni az ércből. A folyamat főbb mintázatainak ismeretében tervezhető és számítható.

Hasonló cikkek: