Apakah elektrolisis dan di mana ia digunakan?

Persoalan tentang apakah elektrolisis dipertimbangkan dalam kursus fizik sekolah, dan bagi kebanyakan orang ia bukan rahsia. Perkara lain ialah kepentingan dan aplikasi praktikalnya. Proses ini digunakan dengan manfaat yang besar dalam pelbagai industri dan boleh berguna untuk tukang rumah.

Apakah elektrolisis?

Elektrolisis ialah kompleks proses khusus dalam sistem elektrod dan elektrolit apabila arus elektrik terus mengalir melaluinya. Mekanismenya adalah berdasarkan kejadian arus ionik. Elektrolit ialah konduktor jenis 2 (kekonduksian ionik) di mana pemisahan elektrolitik berlaku. Ia dikaitkan dengan penguraian menjadi ion dengan positif (kation) dan negatif (anion) caj.

Sistem elektrolisis semestinya mengandungi positif (anod) dan negatif (katod) elektrod. Apabila arus elektrik terus dikenakan, kation mula bergerak ke arah katod, dan anion - ke arah anod. Kation adalah terutamanya ion logam dan hidrogen, dan anion adalah oksigen, klorin. Pada katod, kation melekatkan elektron berlebihan kepada diri mereka sendiri, yang memastikan berlakunya tindak balas pengurangan Men+ + ne → Me (di mana n ialah valensi logam). Di anod, sebaliknya, elektron didermakan daripada anion dengan tindak balas oksidatif berlaku.

Oleh itu, proses redoks disediakan dalam sistem. Adalah penting untuk mempertimbangkan bahawa untuk alirannya, tenaga yang sesuai diperlukan. Ia mesti disediakan oleh sumber arus luaran.

Hukum elektrolisis Faraday

Ahli fizik yang hebat M. Faraday, dengan penyelidikannya, memungkinkan bukan sahaja untuk memahami sifat elektrolisis, tetapi juga untuk membuat pengiraan yang diperlukan untuk pelaksanaannya. Pada tahun 1832, undang-undangnya muncul, menghubungkan parameter utama proses yang sedang berjalan.

Undang-undang pertama

Hukum pertama Faraday menyatakan bahawa jisim bahan yang dikurangkan di anod adalah berkadar terus dengan cas elektrik yang teraruh dalam elektrolit: m = kq = k*I*t, di mana q ialah cas, k ialah pekali atau setara elektrokimia. daripada bahan, I ialah kekuatan arus yang mengalir melalui elektrolit, t ialah masa laluan semasa.

Undang-undang kedua

Undang-undang kedua Faraday membolehkan untuk menentukan pekali perkadaran k. Bunyinya seperti ini: kesetaraan elektrokimia mana-mana bahan adalah berkadar terus dengan jisim molarnya dan berkadar songsang dengan valensi. Undang-undang dinyatakan sebagai:

k = 1/F*A/z, dengan F ialah pemalar Faraday, A ialah jisim molar bahan, z ialah valensi kimianya.

Dengan mengambil kira kedua-dua undang-undang, adalah mungkin untuk memperoleh formula akhir untuk mengira jisim yang didepositkan pada elektrod bahan: m = A*I*t/(n*F), dengan n ialah bilangan elektron yang terlibat dalam elektrolisis. Biasanya n sepadan dengan cas ion. Dari sudut pandangan praktikal, hubungan antara jisim bahan dan arus yang digunakan adalah penting, yang memungkinkan untuk mengawal proses dengan mengubah kekuatannya.

Elektrolisis cair

Salah satu pilihan untuk elektrolisis ialah penggunaan leburan sebagai elektrolit. Dalam kes ini, hanya ion cair yang mengambil bahagian dalam proses elektrolisis. Contoh klasik ialah elektrolisis garam cair NaCl (garam). Ion negatif menyerbu ke anod, yang bermaksud bahawa gas dibebaskan (Cl). Pengurangan logam akan berlaku pada katod, i.e. pemendapan Na tulen yang terbentuk daripada ion positif yang telah menarik elektron berlebihan. Logam lain boleh diperolehi dengan cara yang sama (K, Ca, Li, dsb.) daripada pembunuhan beramai-ramai garam yang sepadan.

Semasa elektrolisis dalam leburan, elektrod tidak mengalami pembubaran, tetapi mengambil bahagian hanya sebagai sumber arus. Dalam pembuatannya, anda boleh menggunakan logam, grafit, beberapa semikonduktor. Adalah penting bahawa bahan mempunyai kekonduksian yang mencukupi. Salah satu bahan yang paling biasa ialah tembaga.

Ciri-ciri elektrolisis dalam larutan

Elektrolisis dalam larutan akueus berbeza dengan ketara daripada leburan. Tiga proses bersaing berlaku di sini: pengoksidaan air dengan evolusi oksigen, pengoksidaan anion, dan pelarutan anodik logam. Ion air, elektrolit dan anod terlibat dalam proses tersebut.Oleh itu, pengurangan hidrogen, kation elektrolit, dan logam anod boleh berlaku di katod.

Kemungkinan proses bersaing ini berlaku bergantung pada magnitud potensi elektrik sistem. Hanya proses yang memerlukan kurang tenaga luaran akan diteruskan. Akibatnya, kation dengan potensi elektrod maksimum akan berkurangan di katod, dan anion dengan potensi terendah akan teroksida di anod. Keupayaan elektrod hidrogen diambil sebagai "0". Sebagai contoh, untuk kalium ia adalah (-2.93V), natrium - (-2.71V), plumbum (-0.13V), manakala perak mempunyai (+0.8 V).

Elektrolisis dalam gas

Gas boleh memainkan peranan sebagai elektrolit hanya dengan kehadiran pengion. Dalam kes ini, arus yang melalui medium terion menyebabkan proses yang diperlukan pada elektrod. Walau bagaimanapun, undang-undang Faraday tidak digunakan untuk elektrolisis gas. Untuk pelaksanaannya, syarat berikut diperlukan:

1. Tanpa pengionan tiruan gas, voltan tinggi mahupun arus tinggi tidak akan membantu.
2. Hanya asid yang tidak mengandungi oksigen dan berada dalam keadaan gas, dan sesetengah gas sesuai untuk elektrolisis.

Penting! Apabila syarat-syarat yang diperlukan dipenuhi, proses itu berjalan sama seperti elektrolisis dalam elektrolit cecair.

Ciri-ciri proses yang berlaku di katod dan anod

Untuk aplikasi praktikal elektrolisis, adalah penting untuk memahami apa yang berlaku pada kedua-dua elektrod apabila arus elektrik digunakan. Proses biasa ialah:

1. Katod. Ion bercas positif menyerbu ke sana. Di sini, pengurangan logam atau evolusi hidrogen berlaku. Terdapat beberapa kategori logam mengikut aktiviti kationik.Logam seperti Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al dikurangkan dengan baik hanya daripada garam cair. Jika larutan digunakan, maka hidrogen dibebaskan kerana elektrolisis air. Adalah mungkin untuk mencapai pengurangan dalam larutan, tetapi dengan kepekatan kation yang mencukupi, untuk logam berikut - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Proses berjalan paling mudah untuk Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anod. Ion bercas negatif memasuki elektrod ini. Teroksida, mereka mengambil elektron daripada logam, yang membawa kepada pembubaran anodik mereka, i.e. peralihan kepada ion bercas positif, yang dihantar ke katod. Anion juga dikelaskan mengikut aktiviti mereka. Anion tersebut PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F hanya boleh dilepaskan daripada leburan. Dalam larutan akueus, bukan mereka yang menjalani elektrolisis, tetapi air dengan pembebasan oksigen. Anion seperti OH, Cl, I, S, Br bertindak balas dengan paling mudah.

Apabila memastikan elektrolisis, adalah penting untuk mengambil kira kecenderungan bahan elektrod untuk mengoksida. Dalam hal ini, anod lengai dan aktif menonjol. Elektrod lengai diperbuat daripada grafit, karbon atau platinum dan tidak mengambil bahagian dalam pembekalan ion.

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses elektrolisis

Proses elektrolisis bergantung kepada faktor berikut:

1. Komposisi elektrolit. Pelbagai kekotoran mempunyai kesan yang ketara. Mereka dibahagikan kepada 3 jenis - kation, anion dan organik. Bahan boleh menjadi lebih kurang negatif daripada logam asas, yang mengganggu proses. Antara kekotoran organik, bahan pencemar (cth minyak) dan surfaktan menonjol. Kepekatan mereka mempunyai nilai maksimum yang dibenarkan.
2. ketumpatan arus. Selaras dengan undang-undang Faraday, jisim bahan termendap meningkat dengan peningkatan kekuatan arus. Walau bagaimanapun, keadaan yang tidak diingini timbul - polarisasi pekat, peningkatan voltan, pemanasan sengit elektrolit. Dengan ini, terdapat nilai ketumpatan semasa yang optimum untuk setiap kes tertentu.
3. pH elektrolit. Keasidan persekitaran juga dipilih dengan mengambil kira logam. Sebagai contoh, nilai optimum keasidan elektrolit untuk zink ialah 140 g/cu.dm.
4. Suhu elektrolit. Ia mempunyai kesan yang tidak jelas. Dengan peningkatan suhu, kadar elektrolisis meningkat, tetapi aktiviti kekotoran juga meningkat. Terdapat suhu optimum untuk setiap proses. Biasanya ia berada dalam julat 38-45 darjah.

Penting! Elektrolisis boleh dipercepatkan atau diperlahankan oleh pelbagai pengaruh dan pilihan komposisi elektrolit. Setiap permohonan mempunyai rejimen sendiri, yang mesti dipatuhi dengan ketat.

Di manakah elektrolisis digunakan?

Elektrolisis digunakan dalam banyak kawasan. Terdapat beberapa bidang penggunaan utama untuk mendapatkan hasil praktikal.

Penyaduran elektrik

Penyaduran logam yang nipis dan tahan lama boleh digunakan dengan elektrolisis. Produk yang akan disalut dipasang di dalam tab mandi dalam bentuk katod, dan elektrolit mengandungi garam logam yang dikehendaki. Jadi anda boleh menutup keluli dengan zink, kromium atau timah.

Penapisan elektro - penapisan tembaga

Contoh pembersihan elektrik boleh menjadi pilihan berikut: katod - tembaga tulen anod - tembaga dengan kekotoran, elektrolit - larutan akueus kuprum sulfat. Kuprum dari anod melepasi ion dan mengendap di katod sudah tanpa kekotoran.

Perlombongan logam

Untuk mendapatkan logam daripada garam, ia dipindahkan ke cair, dan kemudian elektrolisis disediakan di dalamnya. Kaedah sedemikian agak berkesan untuk mendapatkan aluminium daripada bauksit, natrium dan kalium.

Anodizing

Dalam proses ini, salutan dibuat daripada sebatian bukan logam. Contoh klasik ialah anodisasi aluminium. Bahagian aluminium dipasang sebagai anod. Elektrolit ialah larutan asid sulfurik. Hasil daripada elektrolisis, lapisan aluminium oksida didepositkan pada anod, yang mempunyai sifat pelindung dan hiasan. Teknologi ini digunakan secara meluas dalam pelbagai industri. Anda boleh menjalankan proses dengan tangan anda sendiri dengan mematuhi peraturan keselamatan.

Kos tenaga

Elektrolisis memerlukan kos tenaga yang tinggi. Proses ini akan menjadi nilai praktikal jika arus anod mencukupi, dan untuk ini perlu menggunakan arus terus yang ketara dari sumber kuasa. Di samping itu, apabila ia dijalankan, kehilangan voltan sampingan berlaku - anod dan katod overvoltage, kerugian dalam elektrolit kerana rintangannya. Kecekapan pemasangan ditentukan dengan mengaitkan kuasa penggunaan tenaga kepada unit jisim berguna bahan yang diperolehi.

Elektrolisis telah digunakan dalam industri untuk masa yang lama dan dengan kecekapan yang tinggi. Salutan anod dan saduran elektrik telah menjadi perkara biasa dalam kehidupan seharian, dan perlombongan dan benefisiasi bahan membantu mengekstrak banyak logam daripada bijih. Proses itu boleh dirancang dan dikira, mengetahui corak utamanya.

Artikel yang serupa: