Электролитические процессы

Выход по току – отношение количества теоритически необходимого для получения того или иного количества электричества (по закону Фарадея) к практически затраченному количеству электричества. С целью уменьшения затрат электроэнергии на побочные электрохимические реакции и повышения по току стремятся проводить электролиз в таких условиях, при которых затруднено разложение растворителя, т.е. велика поляризация при окислении или восстановлении растворителя (например перенапряжение кислорода или водорода). Это достигается повышением плотности тока, изменением температуры электролита, подбором материала электролита и т. д.

 Выход по веществу  – это отношение количества  полученного в результате электрохимических  реакций продукта к тому количеству, которое должно образоваться теоритически, исходя из данной загрузки исходного продукта. КПД использования электроэнергии (выход по энергии) – это отношение теоритически необходимого для получения единицы количества вещества электроэнергии к практически израсходованному. Теоретически необходимое количество электроэнергии – то количество ее, которое было бы необходимым для получения единицы количества вещества, если бы процесс происходил со 100% выходом по току и при напряжении, равном напряжению разложения. Следовательно, выход по энергии может быть определен по формуле:  
 
η_э=W_п/N=η_тока * η_напр 

 
Выход по току η_тока и по веществу, а также коэффициент полезного действия использования электроэнергии η_напр обычно измеряют в процентах. Расход электроэнергии обычно относят к единице произведенного количества продукта измеряют в вт ч/кг или квт ч/т. Для расчета расхода электроэнергии постоянного тока на 1т произведенного электролизом продукта можно воспользоваться следующей формулой: 
 
W=1*10⁶*U/k η_тока *1000 
 
где: W – расход электроэнергии постоянного тока кВтч/т; U – напряжение на электролизере, В; k элктрохимический эквивалент, грамм/а*r; η_тока – выход по току, доли единицы; 1000 – коэффициент для перевода вт*ч в квт*ч. Расход электроэнергии переменного тока на единицу произведенного продукта может быть определен делением расхода электроэнергии постоянного тока на то же количество коэффициента при образовании переменного тока в постоянный.

Между временем пропускания  через раствор или расплав  электролита электрического тока (количеством  электричества) и количеством образующегося и расходуемого вещества имеются строгие количественные соотношения, определяемые законами Фарадея.

 

 Диафрагма

 

В тех случаях, когда  необходимо исключить взаимодействие продуктов электролиза, образующихся на аноде и катоде, в электролизёр вводится пористая перегородка – диафрагма, разделяющая его минимум на два электродных пространства – анодное и катодное. Раствор, заливаемый в анодное пространство, называется анолитом, в катодное – католитом. Диафрагмы бывают погружённые и фильтрующие. Погружённые диафрагмы должны иметь диффузионное сопротивление и быть селективно проницаемы лишь для ионов электролита, но задерживать продукты электролиза. Фильтрующие диафрагмы, обладающие низким диффузионным сопротивлением применяют в тех случаях, когда, электролиз проводят в противоположном направлении – электролит перетекает через диафрагму из одного электродного пространства в другое, навстречу движению ионов, обуславливающих электропроводность раствора.

Диафрагмы характеризуются  объёмной пористостью, протекаемостью, электрическим сопротивлением. Объёмная пористость диафрагмы, характеризуемая долей объёма пор к общему объёму диафрагмы, определяется уравнением:

g=1-d_каж/d_ист

 

где d_каж -- кажущаяся плотность диафрагмы, d_ист – истинная плотность. Объёмная пористость измеряется в долях единицы или процентах. Протекаемость диафрагмы p зависит от площади диафрагмы, поверхности диафрагмы (S м²), толщины (δ см), гидростатическое давление h (см. вод. ст.), вязкости η (спуаз) и времени протекания r (час).

p=kShr/δ η

где k – коэффициент протекаемости, величина, характерная для данного вида диафрагмы. Электрическое сопротивление диафрагмы R может быть определено из сдедующего соотношения:

R=ρδβ²/gS

 
где – β – коэффициент извилистости пор, показывающий, во сколько раз длина поры превышает длину диафрагмы.

Диафрагмы должны обладать хорошей химической стойкостью в условиях электролиза и достаточной механической прочностью. Материалом для изготовления диафрагмы служат асбест, керамика, пластмассы. В некоторых случаях, например при электролиз расплавов, применяют металлические диафрагмы. В последние годы в процессе электролиза получают распространение ионитовые диафрагмы, проницаемые только для ионов одного заряда (катионы или анионы) не только препятствует взаимодействию продуктов электролиза, но и позволяют предотвратить или существенно уменьшить образование окисления или восстановления этих продуктов на электродах. В этом случае применяют либо погруженные диафрагмы, либо ионитовые.

 

 

Количественное  описание электролитических процессов.

 

Электролиз связан с  наложением определённого электрического поля, под действием которого в электролите могут возникать некоторые характерные процессы. Электро-кинетические процессы происходят в тех случаях, когда одна фаза диспергированна в другой; к их числу относится электрофорез – движение взвешенных твёрдых частиц внутри жидкости. При наложении электрического поля наблюдается явление электроосмоса – движение жидкости относительно твердого тела.

Аппарат для электролиза  называется электролизёром или электролитической ванной. Простейшая схема электролизёра представлена на рис. 1. Корпус электролизёра изготовляют из стали, керамики, пластмассы, стекла. Для защиты от коррозии и действия высоких температур корпус электролизёра иногда изнутри гумлеируют, выкладывают пластмассой, огнеупорным кирпичём или коррозионностойкими в данной среде металлами. Для поддержания определённого теплого режима в некоторых случаях снабжают теплоизоляцией.

Для изготовления катодов  применяют сталь, многие цветные  металлы, ртуть, свинец, платину, цинк, олово, медь, алюминий, сплавы металлов, уголь или графит. Аноды бывают растворимые и нерастворимые. Растворимые аноды изготавливают из вышеупомянутых цветных металлов, углеродной стали, некоторых других сплавов, нерастворимые аноды – из платины, графита или угля, никеля, нержавеющей стали, двуокиси свинца, двуокиси марганца, магнетита., в некоторых случаях используют биометаллические аноды, у которых тонкий слой драгоценного металла, например платины, наносится на токопроводящую основу из другого металла, инертного в данном электролите и в данных условиях. Материал для электрода выбирается с учётом многих факторов – природы исходного и конечного продуктов электролиза, природы электролита, условий проведения процесса и т.д.

Электролитами могут  быть минеральные или органические кислоты, соли и их смеси. В некоторых случаях электролит одновременно является исходным веществом для получения того или иного продукта электрохимического окисления или восстановления, в других случаях – лишь токопроводящей добавкой. Растворителями для электролитов служат вода, спирты, пиридин, диметилформальдегид, ацетонитрил и некоторые другие органические соеденения или их смеси. Электролиз можно проводить и без растворителя, в расплаве электролита или смеси электролитов.

 

 

 

 

Применение в промышленности

 

Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и  щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.

В цветной металлургии  электролиз используется для рафинирования  металлов, для извлечения металлов из руд. Металлы, которые не могут быть выделены из водных растворов вследствие высокого отрицательного потенциала получают в цветной металлургии электролизом расплавленных сред, в качестве которых служат соли этих металлов, содержащие добавки различных соединений, вводимые с целью понижения температуры плавления расплава, повышения электропроводности и т.д. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся аллюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металов.

Электролиз применяют  во многих отрослях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металических копий.

В основу классификации  промышленных ванн могут быть положены различные признаки. Например, по типу полярности ванны могут быть монополярными,биполярными и комбинировнными.

       В  промышленных ваннах применяются  различные типы катодов: неподвижные  цельнометаллические, подвижные цельнометаллические(лента),  неподвижные пористые неметаллические, насыпные металлические и т.д.

       Аноды  же могут быть расходуемые(вступающие  в химическую реакцию),

растворимые твердые, растворимые  жидкие, нерастворимые твердые  и  пористые, нерастворимые.

       Сочетание  вышеперечисленных типов анодов и катодов с учетом целей электролиза приводит к следующим типам электролизеров: горизонтальные с жидким ртутным катодом, с вертикальными катодами и фильтруюшей диафрагмой, с горизонтальной диафрагмой, с проточным электролитом, с движущимися электродами, с насыпными электродами и т.д.

       Для  электролиза могут быть использованы  следующие типы электролитов: водные  растворы солей, кислот, оснований;  неводные растворы в неорганических растворителях; неводные растворы в органических растворителях ; расплавленные соли; твердые электролиты; газы.

       К  лучшим материалам для нерастворимых  анодов относятся специальные  сорта графита, двуокись свинца, магнетит, композиции на основе  тантала и титана.

       Несмотря  на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

       При  проектировании любого электрохимического  производства необходимо выяснить все возможности оптимизации элетролизных процессов. Оптимизация условий электролиза имеет большое значение как при составлении энергетического баланса, так и при определении капиталовложений.

       Оптимизации  должны быть подвергнуты число  ванн, способы очистки электролита,  конструкции ванн, материалы электродов, типы электродов. Кроме того очень важно оценить оптимальные значения силы тока, сопротивления электролизной ячейки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наблюдения

1. На аноде  интенсивное  выделение газа, на катоде образование  бурого окрашивания. Почувтсвовали характерный запах йода. После добавления крахмала раствор окрасился в синий цвет, что еще раз доказало присутствие йода.

 

2. На аноде образование свинца плоскими лепестками, на катоде выделение газа. 

3. На обоих электродах  выделение газа, на катоде процесс  газообразования идет интенсивнее. Это связано с тем, что на катоде выделяется водород, количество которого 2 моль, а на аноде кислород с количеством 1 моль. 

4. На обоих электродах  выделение газа, почувствовали характерный  запах хлора. На катоде образовался  белый налет металлического цвета. 

Объяснения:

Продукты электролиза  зависят от электродного потенциала окислительно-восстановительных реакций, протекающих при электролизе.

На катоде восстанавливаются, в первую очередь те элементы, потенциал  которых наибольший.

По восстановительной активности все металлы можно разделить на три группы. 

1 группа. (Cu, Ag, Au) – малоактивные металлы (φ>0).

Т.к. катионы этих металлов обладают более высокой окислительной  спосбностью, чем ионы водорода Н⁺, на катоде при электролизе водных растворов соответсвующих солей осаждаются только эти металлы.

 

2 группа. (Mn, Zn, Fe, Sn) – металлы восстановление которых на катоде сопровождается выделением водорода. (-1< φ <0).

 

3 группа. (Ca, Na, Mg, Al) – металлы которые не могут быть восстановлены на катоде электролизом водных растворов их солей (φ<-1). При этом на катоде выделяется водород.

 

На аноде окисляются, в первую очередь те элементы, потенциал  которых наименьший.

Ионы S^2-, J^-, Br^-, Cl^- окисляются в указанной последовательности в первую очередь, а затем кислород из воды.

Анион F^- и анионы кислородсодержащих кислот в котрых центральный атом имеет высшую степень окисления: ((S0₄^2-), (NO₃^-), (CO₃^-), (PO₄^3-), (MnO₄^-), (ClO₄^-)) не окисляются. Вместо них на аноде окисляется растворитель – вода.

 

 Заключение

 

Анализ научной и научно-популярной литературы свидетельствует о том, что процессы электролиза растворов и расплавов интересуют ученых и технологов в настоящее время, то есть данная тема не потеряла своей актуальности и практической значимости.

Электролиз широко используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей, хлора, водорода.

Аллюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, берилий, титан получают только электролизом расплавов, т.к. потенциалы их выделения из водных ратворов более отрицательны, чем потенциал выделения водорода.

Очистку меди, никеля, свинца проводят целиком электрохимическим  методом. Производство фтора основано на электролизе расплавленной смеси фторида калия и фтороводородной кислоты, хлора – при электролизе водных ратворов или расплавов хлоридов. Водород и кислород высокой степени чистоты получают электролизом водных растворов щелочей. Таким образом, с помощью электролиза удается осуществлять реакции окисления и восстановления с большим выходом и высокой селективностью, которые в обычных химических процессах трудно достижимы.