Электрохимиялық үрдістер

Электрохимиялық үрдістер

Электролиз (электро... және грек. lysіs – еру, ыдырау) – еріген немесе балқыған электролитке батырылған электродтарда электр тогы әсерінен жүретін химиялық реакция. Электролиттер арқылы өткен электр тогы химиялық энергияға айналады. Электролиз электролитпен толтырылған ыдысқа екі электрод орналастырып, оларды тұрақты ток көзінің полюстеріне жалғастыру нәтижесінде өтеді. Электролиз аппараттарын электролизерлер, электролиттік ванналар деп атайды. Электролизерлер корпусы болат, керамика, пластмасса, шыныдан жасалады. Коррозия мен жоғары температурадан сақтау үшін корпустың ішкі беті гуммирланады, пластмасса, отқа төзімді кірпіш немесе коррозияға берік материалмен қапталады. Катодтар дайындау үшін болат, түсті металдар (сынап, қорғасын, платина, т.б.), металдар қорытпасы, көмір немесе графит қолданылады. Анодтар еритін және ерімейтін болады. Еритін анодтар жоғарыда аталған түсті металдан, көміртекті болаттан, кейбір қорытпалардан, ерімейтін анодтар платина, графит немесе көмір, никель және қорғасын, марганец қос тотығы, магнетиттен жасалады. Ерімейтін анод Электролиз кезінде бүлінбейді. Электр өрісінің әсерінен электролиттердегі зарядталған бөлшектердің – иондардың ретсіз қозғалысы белгілі бір бағытқа келеді: катиондар катодта, аниондар анодта зарядсызданады, яғни катиондар катодтан жетіспейтін электрондарын қосып алып тотықсызданады, аниондар анодқа артық электрондарын беріп тотығады. Балқыған натрий хлоридін NaCl электролиздегенде электролитте катион Na+ және анион Cl- болатындықтан, Na+ катодтан жетпейтін электронын қосып алып, яғни тотықсызданып, натрий металл күйінде бөлінеді. Cl- иондары анодқа артық электрондарын беріп, яғни тотығып газ түрінде Cl2 бөлінеді. Бұл мысалда анод хлор әсерінен бүлінбейтін төзімді материалдардан (платина, графит) дайындалады. Натрий хлоридінің (NaCl) судағы ерітіндісін электролиздегенде катодта бөлінген металл сумен әрекеттесіп сутек және сілті 2Na+2H2O=H2+2NaOH, анодта бөлінетін хлор сумен әрекеттесіп тұз қышқылы мен хлорлылау қышқылын Cl2+H2O=HCl+HClO түзеді. Су ерітіндісінде электролиттің диссоциалануынан түзіін иондардан басқа, судың диссоциациялануынан сутек катионы мен гидроксил анионы болады, сондықтан катодта зарядсыздана алатын металл иондары және сутек катиондары болады. Қандай ионның зарядсыздануы олардың активтік қатардағы орнына, иондар концентрациясы мен электрод материалына байланысты. Оңай зарядсызданатын металдар активтік қатардың соңында, қиын зарядсызданатын металдар активтік қатардың бас жағында орналасқан. Электролиз процесі нәтижесінде бөлінетін заттың мөлшері сол заттың табиғаты мен электролиттен өткен ток мөлшеріне байланысты (Фарадей заңдарын қараңыз). Электролиз процесі лабороторияда, ғылыми-зерттеу жұмыстарында, өндірісте кеңінен қолданылады. Өндірістерде электролиз арқылы көптеген металдар, сілтілер, хлор, сутек, оттек, ауыр су, көптеген органик. заттар, тағы басқалары алынады. Электролиз техникада бедерлі заттардың көшірмесін металл бетіне түсіру, металл жалату, металдарды электролиттік тазалау, тағы басқаларықолданылады. Тез және өте жоғары дәлдікпен анықтайтын аналитикеалық әдістер де электролиз процесіне негізделген.

Электролиз теориясы

Электролиз тұрақты токтың жүргізу энергиясы және электродтардағы химиялық айналымдардан бөлінетін энергия арқасында жүреді. Сондықтан, электролиз тек электр тогы жүретін орталарда өте алады. Электр тогының өткізгіштеріне назар аударайық. Электролит деп, ерітіндісі арқылы өтетін токтың нәтижесінде жүретін химиялық процесті айтамыз. Электр тогының өткізгіштеріне мыналар жатады: тұздардың, қышқылдардың, негіздердің сулы ерітінділері. Электр тогын өткізетін заттар мен ерітінділер электролит деген атқа ие болды. Сонымен қышқылдар, негіздер және тұздар электролит болып табылады. Токтың нашар өткізгіштері болып дистильднеген су, қанттың, спирттің, глицериннің сулы ерітінділері, сонымен қатар, қалыпты осмотикалық қысымды ерітінділер, соның ішінде, қышқылдар, тұздар мен негіздердің басқа сұйықтардағы ерітінділері жатады. Құрғақ тұздар және сусыз қышқылдар мен негіздер (қатты түрде) ток өткізбейді.

Электролиз кезіндегі энергия мақсатты өнімдердің қалыптасуы процессі жүйесінің гиббстік энергиясын арттруға жұмсалады және электролизер және электр жүйенің басқа аудандарындағы кедергі нәтижесінде болатын біртіндеп жылу ретінде ыдырайды. Электролиз нәтижесінде катодта жаңа өнімдердің пайда болуымен электролит молекулалары мен иондарының тотығуы жүреді. Катиондар электрондарды қабылдап, тотықсызданудың төмен дәрежелі иондарға немесе атомдарға айналады. Электролиз нәтижесінде анодта анод материалына жататын немесе электролитте болатын иондар немесе молекулалардың тотықсыздануы жүреді (анод ыдырайды немесе тотықсызданады). Сол әдіспен, электролиздердің бастапқы өнімдері қышқылдар, негіздер және тұздардың алмасу реакциясы кезіндегі бөлшектері болып табылады, олар өзгермейді, бір заттан екіншісіне ауысады. Электродтан бөлінетін өнімдерді зерттей отырып, қышқылдар, негіздер және тұздардың электролизі кезінде катодта әрқашан металл мен сутегі, ал анодта қышқыл қалдықтары мен кейін өзгерістерге ұшырайтын гидроксильді топтар бөлінетіні анықталды.

Өндірісте электролиздің қолданылуы

Шаруашылықтың барлық салаларында және өндірісте электролиз барлық жақты қолданылады. Электролиздің тұсті металлургияда қолданылуы: металдардың рафинирлеуі, рудалардан металды бөліп алу үшін. Балқыланған орталардан электролиз арқылы алынған металдар қатарына аллюминий, магний, цирконий, титан, уран, берилий және басқа металдардың қатары. Сулы ерітінділерден бөлініп ала алмайтын металдарды жоғары теріс потенциал нәтижесінде түсті металлургияда балқыған орталадың электролизі нәтижесінде алады. Бұл балқыған орталар болып әртүрлі қоспалардың қосындысынан тұратын тұздар болады. Олар балқыманың балқу температурасын төмендету, электрөткізгіштікті мақсатында жоғарылату үшін қолданылады. Химиялық өндірісте электролиз арқылы хлорат және перхлорат, персульфат, калий перманганаты, хлор және сілтілер, органикалық қосылыстар, химиялық таза сутегі, оттегі фтор және басқа да маңызды өнімдерді алуға болады. Машина жасау, радиотехника,полиграфты қндіріс салаларында электролизді металдар немесе бұйымдар бетіне жұқа жабылғы салу үшін қолданады, оның себебі бұл пленка коррозиядан сақтайды және декоротивті түрге келтіреді, ыстыққа төзімді болады. өндірістік ванналардың классификация негізіне әт.рлі белгілер жатқызылуы мүмкін. Мысалы, ванналардың полярлығы бойынша түрлері полярлы, биополярлы және комбинирленген болады. Анодтардың типтері: шығынды (химиялық реакцияға кірісетін), қатты еритін, сұйық еритін, көпіршікті қатты ерімейтін және ерімейтін. Ерімейтін анодтар үшін ең жақсы материал болып, тантал мен титан қоспалары, графит, манетит. Электроит, электрод, электролизерлердің алуан түрлігіне қарамастан, техникалық электролиздің көптеген проблемалары болады. Оған зарядтардың, жылудың, массаның алмастырылуын, электр өрістерінің орналасуын жатқызуға болады. Электродтық процесстер шекті токтарының өлшенуімен қадағалана алады. Электролиттік реакциялардың мақсаттарына қарай, катод және анодтардың түрлі типтерін қолданады: горизонтальді сұйық сынапты катодпен, верикальды катодпен және фильтрлейтін диафрагмамен, горизонтальды диафрагмамен өткізгішті электролитпен, қозғалыстағы электродтармен және т.б. Электролиз үшін келесі электролит типтері қолдана алады: тұздар, қышқыл, негіздердің сулы ерітінділері; бейорганикалық еріткіштердегі сулы емес ерітінділері, органикалық еріткіштердегі сусыз ерітінділер; балқыған тұздар, қатты электролиттер. Қорытынды. Жасалынған жұмыстың негізінде қорытындылар мынада жатыр: Біріншіден электролиз процесстерінің зерттеу облыстарында әзірге дейін өзінің актуалдығын жоғалтқан жоқ, осған орай бұл күрделі физико химиялық құбылыстың теориялық базасы үнемі толтырылып жатады. Екіншіден, бұл зерттеулер бұл процесстерді қолданудың перспективалы бағдарларын анықтауға мүмкіндік береді. Ол экономикалық тиімді және берілген сапаның алуымен мақсатымен. Электролиз шаруашылықта кең қолданылады. Электролиздің ең маңызды қасиеті металдарды тазарту және бөліп алу, сілтілер, хлор, сутегінің алынуы болып табылады. Ерітінділер электролизі немесе электролиттердің балқымаларының ерекшелігі химиялық тотығу тотықсыздану реакциямен бәсекелес жүретін электродтарды өту қабілеті болып табылады. Электролиз өнімдері мен электрод материалдарына әсерін тигізеді. Қола, никель, қорғасынның тазартылуын толығымен электрохимиялық әдіспен ғана алады. Фтор өндірісі калий фторид қоспасының балқыған электролизінде және фторсутекті қышқылда электролизі негізінде, ал хлор, хлоридтер балқымасы немесе сулы ерітінділер электролизі кезінде алынады. Аллюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, берилий, титан тек балқымалардың электролизі арқылы алынады. өйткені олардың сулы ерітіндіден бөліну потенциалы сутектікіне қарағанда теріс болады. Жоғары дәрежелі таза оттегі мен сутегін сілтілердің сулы ерітінділері электролизі арқылы алады. Сол арқылы электролиз көмегімен тотығу тотықсыздану реакцияларының үлкен өнімділігімен жоғары селективті жүргізуге болады, олар қарапайым химиялық процестерде күрделі жолмен алынады. Электролиз қолданудың маңызды саласы болып металдарды коррозиядан сақтау болып келеді: осындай электрохимиялық әдіспен бір металл бұйымының бетіне коррозияға төзімді басқа металл қабаты жабылады. Сулы электролит ерітінділері электролизі кезінде анодтағы және катодтағы тотығу тотықсыздану процесстері катиондардың тотығу қабілеті мен электролит анионының сипатына тәуелді болады. Катодтағы және анодтағы тотығу тотықсыздану процесстері электролиттік процестерге бөлшектердің электродты потенциал мәнімен анықталады.