Τι είναι η ηλεκτρόλυση και πού χρησιμοποιείται;

Το ερώτημα τι είναι η ηλεκτρόλυση εξετάζεται στο μάθημα της σχολικής φυσικής και για τους περισσότερους δεν είναι μυστικό. Ένα άλλο πράγμα είναι η σημασία και η πρακτική εφαρμογή του. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται με μεγάλο όφελος σε διάφορες βιομηχανίες και μπορεί να είναι χρήσιμη για τον οικιακό τεχνίτη.

Τι είναι η ηλεκτρόλυση;

Η ηλεκτρόλυση είναι ένα σύμπλεγμα ειδικών διεργασιών στο σύστημα των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη όταν ένα συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτό. Ο μηχανισμός του βασίζεται στην εμφάνιση ιοντικού ρεύματος. Ο ηλεκτρολύτης είναι αγωγός τύπου 2 (ιοντική αγωγιμότητα) στην οποία συμβαίνει ηλεκτρολυτική διάσταση. Συνδέεται με την αποσύνθεση σε ιόντα με θετική (κατιόν) και αρνητικό (ανιόν) χρέωση.

Το σύστημα ηλεκτρόλυσης περιέχει απαραίτητα θετικό (άνοδος) και αρνητικό (κάθοδος) ηλεκτρόδιο. Όταν εφαρμόζεται άμεσο ηλεκτρικό ρεύμα, τα κατιόντα αρχίζουν να κινούνται προς την κάθοδο και τα ανιόντα προς την άνοδο. Τα κατιόντα είναι κυρίως ιόντα μετάλλων και υδρογόνο και τα ανιόντα είναι οξυγόνο, χλώριο. Στην κάθοδο, τα κατιόντα προσαρτούν περίσσεια ηλεκτρονίων στον εαυτό τους, γεγονός που εξασφαλίζει την εμφάνιση της αντίδρασης αναγωγής Men+ + ne → Me (όπου n είναι το σθένος του μετάλλου). Στην άνοδο, αντίθετα, ένα ηλεκτρόνιο δίνεται από το ανιόν με μια οξειδωτική αντίδραση.

Έτσι, παρέχεται μια διεργασία οξειδοαναγωγής στο σύστημα. Είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη ότι για τη ροή του, χρειάζεται κατάλληλη ενέργεια. Πρέπει να παρέχεται από εξωτερική πηγή ρεύματος.

Οι νόμοι της ηλεκτρόλυσης του Faraday

Ο μεγάλος φυσικός M. Faraday, με την έρευνά του, έδωσε τη δυνατότητα όχι μόνο να κατανοήσουμε τη φύση της ηλεκτρόλυσης, αλλά και να κάνουμε τους απαραίτητους υπολογισμούς για την υλοποίησή της. Το 1832 εμφανίστηκαν οι νόμοι του που συνδέουν τις κύριες παραμέτρους των συνεχιζόμενων διαδικασιών.

Πρώτος νόμος

Ο πρώτος νόμος του Faraday δηλώνει ότι η μάζα της ουσίας που μειώνεται στην άνοδο είναι ευθέως ανάλογη με το ηλεκτρικό φορτίο που προκαλείται στον ηλεκτρολύτη: m = kq = k*I*t, όπου q είναι το φορτίο, k είναι ο συντελεστής ή το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο της ουσίας, I είναι η ισχύς του ρεύματος που διαρρέει τον ηλεκτρολύτη, t είναι ο χρόνος διέλευσης του ρεύματος.

Δεύτερος νόμος

Ο δεύτερος νόμος του Faraday κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό του συντελεστή αναλογικότητας k. Ακούγεται κάπως έτσι: το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο οποιασδήποτε ουσίας είναι ευθέως ανάλογο με τη μοριακή μάζα της και αντιστρόφως ανάλογο με το σθένος. Ο νόμος εκφράζεται ως εξής:

k = 1/F*A/z, όπου F είναι η σταθερά Faraday, A είναι η μοριακή μάζα της ουσίας, z είναι το χημικό της σθένος.

Λαμβάνοντας υπόψη και τους δύο νόμους, είναι δυνατό να εξαχθεί ο τελικός τύπος για τον υπολογισμό της μάζας που εναποτίθεται στο ηλεκτρόδιο της ουσίας: m = A*I*t/(n*F), όπου n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στην ηλεκτρόλυση. Συνήθως το n αντιστοιχεί στο φορτίο του ιόντος. Από πρακτική άποψη, η σύνδεση μεταξύ της μάζας μιας ουσίας και του εφαρμοζόμενου ρεύματος είναι σημαντική, γεγονός που καθιστά δυνατό τον έλεγχο της διαδικασίας αλλάζοντας την ισχύ της.

Ηλεκτρόλυση τήγματος

Μία από τις επιλογές για ηλεκτρόλυση είναι η χρήση ενός τήγματος ως ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, μόνο ιόντα τήγματος συμμετέχουν στη διαδικασία ηλεκτρόλυσης. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η ηλεκτρόλυση τετηγμένου άλατος NaCl (άλας). Τα αρνητικά ιόντα ορμούν προς την άνοδο, πράγμα που σημαίνει ότι απελευθερώνεται αέριο (Cl). Η αναγωγή μετάλλου θα συμβεί στην κάθοδο, δηλ. εναπόθεση καθαρού Na που σχηματίζεται από θετικά ιόντα που έχουν προσελκύσει περίσσεια ηλεκτρονίων. Άλλα μέταλλα μπορούν να ληφθούν με παρόμοιο τρόπο (K, Ca, Li, κ.λπ.) από τη σφαγή των αντίστοιχων αλάτων.

Κατά την ηλεκτρόλυση σε τήγμα, τα ηλεκτρόδια δεν υφίστανται διάλυση, αλλά συμμετέχουν μόνο ως πηγή ρεύματος. Στην κατασκευή τους, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μέταλλο, γραφίτη, μερικούς ημιαγωγούς. Είναι σημαντικό το υλικό να έχει επαρκή αγωγιμότητα. Ένα από τα πιο κοινά υλικά είναι ο χαλκός.

Χαρακτηριστικά της ηλεκτρόλυσης σε διαλύματα

Η ηλεκτρόλυση σε ένα υδατικό διάλυμα διαφέρει σημαντικά από ένα τήγμα. Τρεις ανταγωνιστικές διεργασίες λαμβάνουν χώρα εδώ: οξείδωση νερού με έκλυση οξυγόνου, οξείδωση ανιόντων και ανοδική διάλυση του μετάλλου. Τα ιόντα του νερού, του ηλεκτρολύτη και της ανόδου εμπλέκονται στη διαδικασία.Κατά συνέπεια, η αναγωγή του υδρογόνου, των κατιόντων ηλεκτρολυτών και του μετάλλου της ανόδου μπορεί να συμβεί στην κάθοδο.

Η πιθανότητα να συμβούν αυτές οι ανταγωνιστικές διαδικασίες εξαρτάται από το μέγεθος των ηλεκτρικών δυναμικών του συστήματος. Μόνο η διαδικασία που απαιτεί λιγότερη εξωτερική ενέργεια θα προχωρήσει. Κατά συνέπεια, τα κατιόντα με το μέγιστο δυναμικό ηλεκτροδίου θα μειωθούν στην κάθοδο και τα ανιόντα με το χαμηλότερο δυναμικό θα οξειδωθούν στην άνοδο. Το δυναμικό ηλεκτροδίου του υδρογόνου λαμβάνεται ως "0". Για παράδειγμα, για το κάλιο είναι (-2,93V), νάτριο - (-2,71V), οδηγω (-0,13V), ενώ το ασήμι έχει (+0,8 V).

Ηλεκτρόλυση σε αέρια

Το αέριο μπορεί να παίξει το ρόλο ενός ηλεκτρολύτη μόνο με την παρουσία ενός ιονιστή. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα που διέρχεται από το ιονισμένο μέσο προκαλεί την απαραίτητη διαδικασία στα ηλεκτρόδια. Ωστόσο, οι νόμοι του Faraday δεν ισχύουν για την ηλεκτρόλυση αερίου. Για την εφαρμογή του απαιτούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:

1. Χωρίς τεχνητό ιονισμό του αερίου, ούτε η υψηλή τάση ούτε το υψηλό ρεύμα θα βοηθήσουν.
2. Μόνο τα οξέα που δεν περιέχουν οξυγόνο και είναι σε αέρια κατάσταση και ορισμένα αέρια είναι κατάλληλα για ηλεκτρόλυση.

Σπουδαίος! Όταν πληρούνται οι απαραίτητες προϋποθέσεις, η διαδικασία προχωρά παρόμοια με την ηλεκτρόλυση σε υγρό ηλεκτρολύτη.

Χαρακτηριστικά των διεργασιών που συμβαίνουν στην κάθοδο και την άνοδο

Για την πρακτική εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τι συμβαίνει και στα δύο ηλεκτρόδια όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τυπικές διαδικασίες είναι:

1. Κάθοδος. Θετικά φορτισμένα ιόντα σπεύδουν σε αυτό. Εδώ γίνεται η αναγωγή μετάλλων ή η εξέλιξη του υδρογόνου. Υπάρχουν διάφορες κατηγορίες μετάλλων ανάλογα με την κατιονική δραστηριότητα.Μέταλλα όπως Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al είναι καλά ανηγμένα μόνο από τηγμένα άλατα. Εάν χρησιμοποιηθεί διάλυμα, τότε απελευθερώνεται υδρογόνο λόγω της ηλεκτρόλυσης του νερού. Είναι δυνατό να επιτευχθεί αναγωγή στο διάλυμα, αλλά με επαρκή συγκέντρωση κατιόντων, για τα ακόλουθα μέταλλα - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Η διαδικασία προχωρά πιο εύκολα για Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Ανοδος. Αρνητικά φορτισμένα ιόντα εισέρχονται σε αυτό το ηλεκτρόδιο. Οξειδωμένοι παίρνουν ηλεκτρόνια από το μέταλλο, γεγονός που οδηγεί στην ανοδική διάλυσή τους, δηλ. μετάβαση σε θετικά φορτισμένα ιόντα, τα οποία αποστέλλονται στην κάθοδο. Τα ανιόντα ταξινομούνται επίσης ανάλογα με τη δραστηριότητά τους. Τέτοια ανιόντα PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F μπορούν να εκκενωθούν μόνο από τα τήγματα. Στα υδατικά διαλύματα δεν υφίστανται ηλεκτρόλυση, αλλά το νερό με την απελευθέρωση οξυγόνου. Ανιόντα όπως OH, Cl, I, S, Br αντιδρούν πιο εύκολα.

Κατά τη διασφάλιση της ηλεκτρόλυσης, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη η τάση του υλικού του ηλεκτροδίου να οξειδώνεται. Από αυτή την άποψη, οι αδρανείς και ενεργές άνοδοι ξεχωρίζουν. Τα αδρανή ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από γραφίτη, άνθρακα ή πλατίνα και δεν συμμετέχουν στην παροχή ιόντων.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης

Η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:

1. Σύνθεση ηλεκτρολυτών. Διάφορες ακαθαρσίες έχουν σημαντική επίδραση. Χωρίζονται σε 3 τύπους - κατιόντα, ανιόντα και οργανικά. Οι ουσίες μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο αρνητικές από το βασικό μέταλλο, γεγονός που παρεμβαίνει στη διαδικασία. Μεταξύ των οργανικών ακαθαρσιών ξεχωρίζουν οι ρύποι (π.χ. λάδια) και οι επιφανειοδραστικές ουσίες. Η συγκέντρωσή τους έχει μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές.
2. τωρινή πυκνότητα. Σύμφωνα με τους νόμους του Faraday, η μάζα της εναποτιθέμενης ουσίας αυξάνεται με την αύξηση της ισχύος του ρεύματος. Ωστόσο, προκύπτουν δυσμενείς συνθήκες - συγκεντρωμένη πόλωση, αυξημένη τάση, έντονη θέρμανση του ηλεκτρολύτη. Έχοντας αυτό υπόψη, υπάρχουν βέλτιστες τιμές πυκνότητας ρεύματος για κάθε συγκεκριμένη περίπτωση.
3. pH ηλεκτρολύτη. Η οξύτητα του περιβάλλοντος επιλέγεται επίσης λαμβάνοντας υπόψη τα μέταλλα. Για παράδειγμα, η βέλτιστη τιμή της οξύτητας του ηλεκτρολύτη για τον ψευδάργυρο είναι 140 g/cu.dm.
4. Θερμοκρασία ηλεκτρολύτη. Έχει ένα διφορούμενο αποτέλεσμα. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο ρυθμός ηλεκτρόλυσης αυξάνεται, αλλά αυξάνεται και η δραστηριότητα των ακαθαρσιών. Υπάρχει η βέλτιστη θερμοκρασία για κάθε διαδικασία. Συνήθως είναι στην περιοχή των 38-45 μοιρών.

Σπουδαίος! Η ηλεκτρόλυση μπορεί να επιταχυνθεί ή να επιβραδυνθεί από διάφορες επιρροές και την επιλογή της σύνθεσης του ηλεκτρολύτη. Κάθε εφαρμογή έχει το δικό της σχήμα, το οποίο πρέπει να τηρείται αυστηρά.

Πού χρησιμοποιείται η ηλεκτρόλυση;

Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται σε πολλούς τομείς. Υπάρχουν αρκετοί κύριοι τομείς χρήσης για την απόκτηση πρακτικών αποτελεσμάτων.

Ηλεκτρική επιμετάλλωση

Μια λεπτή, ανθεκτική επένδυση από μέταλλο μπορεί να εφαρμοστεί με ηλεκτρόλυση. Το προϊόν που πρόκειται να επικαλυφθεί εγκαθίσταται στο λουτρό με τη μορφή καθόδου και ο ηλεκτρολύτης περιέχει ένα άλας του επιθυμητού μετάλλου. Έτσι μπορείτε να καλύψετε το ατσάλι με ψευδάργυρο, χρώμιο ή κασσίτερο.

Ηλεκτροδιύλιση - διύλιση χαλκού

Ένα παράδειγμα ηλεκτρικού καθαρισμού μπορεί να είναι η ακόλουθη επιλογή: κάθοδος - καθαρός χαλκός άνοδος - χαλκός με ακαθαρσίες, ηλεκτρολύτη - υδατικό διάλυμα θειικού χαλκού. Ο χαλκός από την άνοδο περνά σε ιόντα και εγκαθίσταται στην κάθοδο ήδη χωρίς ακαθαρσίες.

Εξόρυξη μετάλλων

Για να ληφθούν μέταλλα από άλατα, μεταφέρονται στο τήγμα και στη συνέχεια παρέχεται ηλεκτρόλυση σε αυτό. Μια τέτοια μέθοδος είναι αρκετά αποτελεσματική για τη λήψη αλουμινίου από βωξίτες, νάτριο και κάλιο.

Ανοδίωση

Σε αυτή τη διαδικασία, η επίστρωση γίνεται από μη μεταλλικές ενώσεις. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η ανοδίωση αλουμινίου. Το τμήμα αλουμινίου τοποθετείται ως άνοδος. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα θειικού οξέος. Ως αποτέλεσμα της ηλεκτρόλυσης, ένα στρώμα οξειδίου του αλουμινίου εναποτίθεται στην άνοδο, το οποίο έχει προστατευτικές και διακοσμητικές ιδιότητες. Αυτές οι τεχνολογίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους κλάδους. Μπορείτε να εκτελέσετε τις διαδικασίες με τα χέρια σας σύμφωνα με τους κανονισμούς ασφαλείας.

Κόστος ενέργειας

Η ηλεκτρόλυση απαιτεί υψηλό ενεργειακό κόστος. Η διαδικασία θα έχει πρακτική αξία εάν το ρεύμα ανόδου είναι επαρκές και για αυτό είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί ένα σημαντικό συνεχές ρεύμα από την πηγή ισχύος. Επιπλέον, όταν εκτελείται, συμβαίνουν απώλειες πλευρικής τάσης - υπέρταση ανόδου και καθόδου, απώλειες στον ηλεκτρολύτη λόγω της αντίστασής του. Η απόδοση της εγκατάστασης προσδιορίζεται συνδέοντας την ισχύ της κατανάλωσης ενέργειας με μια μονάδα ωφέλιμης μάζας της λαμβανόμενης ουσίας.

Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται στη βιομηχανία εδώ και πολύ καιρό και με υψηλή απόδοση. Οι ανοδιωμένες και επιμεταλλωμένες επιστρώσεις έχουν γίνει συνηθισμένες στην καθημερινή ζωή και η εξόρυξη και ο εμπλουτισμός υλικών βοηθούν στην εξαγωγή πολλών μετάλλων από το μετάλλευμα. Η διαδικασία μπορεί να προγραμματιστεί και να υπολογιστεί, γνωρίζοντας τα κύρια μοτίβα της.

Παρόμοια άρθρα: