Ce este electroliza și unde se utilizează?

Întrebarea ce este electroliza este luată în considerare în cursul de fizică școlară, iar pentru majoritatea oamenilor nu este un secret. Un alt lucru este importanța și aplicarea sa practică. Acest proces este folosit cu mare beneficiu în diverse industrii și poate fi util pentru meșterul de acasă.

Ce este electroliza?

Electroliza este un complex de procese specifice în sistemul de electrozi și electroliți atunci când trece un curent electric continuu prin el. Mecanismul său se bazează pe apariția unui curent ionic. Electrolitul este un conductor de tip 2 (conductivitate ionică) în care are loc disocierea electrolitică. Este asociat cu descompunerea în ioni cu pozitiv (cation) și negativ (anion) taxa.

Sistemul de electroliză conține în mod necesar un pozitiv (anod) și negativ (catod) electrod. Când se aplică un curent electric continuu, cationii încep să se miște spre catod, iar anionii - spre anod. Cationii sunt în principal ioni metalici și hidrogen, iar anionii sunt oxigen, clor. La catod, cationii ataseaza electronii in exces la ei insisi, ceea ce asigura aparitia reactiei de reducere Men+ + ne → Me (unde n este valența metalului). La anod, dimpotrivă, un electron este donat de la anion având loc o reacție oxidativă.

Astfel, în sistem este prevăzut un proces redox. Este important de luat în considerare că pentru curgerea sa este nevoie de energie adecvată. Acesta trebuie să fie furnizat de o sursă de curent externă.

Legile lui Faraday ale electrolizei

Marele fizician M. Faraday, prin cercetările sale, a făcut posibil nu numai înțelegerea naturii electrolizei, ci și efectuarea calculelor necesare pentru implementarea acesteia. În 1832, au apărut legile sale, care leagă principalii parametri ai proceselor în desfășurare.

Prima lege

Prima lege a lui Faraday spune că masa substanței care se reduce la anod este direct proporțională cu sarcina electrică indusă în electrolit: m = kq = k*I*t, unde q este sarcina, k este coeficientul sau echivalentul electrochimic. a substanței, I este puterea curentului care trece prin electrolit, t este timpul de trecere a curentului.

A doua lege

A doua lege a lui Faraday a făcut posibilă determinarea coeficientului de proporționalitate k. Sună așa: echivalentul electrochimic al oricărei substanțe este direct proporțional cu masa sa molară și invers proporțional cu valența. Legea se exprimă astfel:

k = 1/F*A/z, unde F este constanta Faraday, A este masa molară a substanței, z este valența sa chimică.

Luând în considerare ambele legi, este posibil să se obțină formula finală pentru calcularea masei depuse pe electrodul substanței: m = A*I*t/(n*F), unde n este numărul de electroni implicați în electroliză. De obicei n corespunde sarcinii ionului. Din punct de vedere practic, este importantă legătura dintre masa unei substanțe și curentul aplicat, ceea ce face posibilă controlul procesului prin modificarea puterii acestuia.

Electroliza topiturii

Una dintre opțiunile de electroliză este utilizarea topiturii ca electrolit. În acest caz, numai ionii de topire participă la procesul de electroliză. Un exemplu clasic este electroliza sării topite NaCl (sare). Ionii negativi se îndreaptă spre anod, ceea ce înseamnă că gazul este eliberat (Cl). Reducerea metalului va avea loc la catod, i.e. depunerea de Na pur format din ioni pozitivi care au atras electroni în exces. Alte metale pot fi obținute în mod similar (K, Ca, Li etc.) din masacrul sărurilor corespunzătoare.

În timpul electrolizei într-o topitură, electrozii nu se dizolvă, ci participă doar ca sursă de curent. În fabricarea lor, puteți folosi metal, grafit, niște semiconductori. Este important ca materialul să aibă o conductivitate suficientă. Unul dintre cele mai comune materiale este cuprul.

Caracteristicile electrolizei în soluții

Electroliza într-o soluție apoasă diferă semnificativ de o topitură. Aici au loc trei procese concurente: oxidarea apei cu degajare de oxigen, oxidarea anionică și dizolvarea anodică a metalului. Ionii de apă, electrolit și anod sunt implicați în proces.În consecință, la catod poate avea loc reducerea hidrogenului, a cationilor electroliților și a metalului anodic.

Posibilitatea ca aceste procese concurente să apară depinde de mărimea potențialelor electrice ale sistemului. Doar procesul care necesită mai puțină energie externă va continua. In consecinta, cationii cu potentialul maxim al electrodului vor fi redusi la catod, iar anionii cu potentialul cel mai scazut vor fi oxidati la anod. Potențialul electrodului de hidrogen este considerat „0”. De exemplu, pentru potasiu este (-2,93V), sodiu - (-2,71V), conduce (-0,13V), în timp ce argintul are (+0,8 V).

Electroliza în gaze

Gazul poate juca rolul unui electrolit numai în prezența unui ionizator. În acest caz, curentul care trece prin mediul ionizat determină procesul necesar asupra electrozilor. Cu toate acestea, legile lui Faraday nu se aplică electrolizei cu gaz. Pentru implementarea acestuia sunt necesare următoarele condiții:

1. Fără ionizarea artificială a gazului, nici tensiunea ridicată și nici curentul ridicat nu vor ajuta.
2. Doar acizii care nu conțin oxigen și sunt în stare gazoasă, iar unele gaze sunt potrivite pentru electroliză.

Important! Când sunt îndeplinite condițiile necesare, procesul se desfășoară în mod similar cu electroliza într-un electrolit lichid.

Caracteristicile proceselor care au loc la catod și anod

Pentru aplicarea practică a electrolizei, este important să înțelegem ce se întâmplă la ambii electrozi atunci când este aplicat un curent electric. Procesele tipice sunt:

1. Catod. Ionii încărcați pozitiv se grăbesc spre el. Aici are loc reducerea metalelor sau degajarea hidrogenului. Există mai multe categorii de metale în funcție de activitatea cationică.Metalele precum Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al sunt bine reduse numai din sărurile topite. Dacă se folosește o soluție, atunci hidrogenul este eliberat din cauza electrolizei apei. Este posibil să se realizeze reducerea în soluție, dar cu o concentrație suficientă de cationi, pentru următoarele metale - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Procesul decurge cel mai ușor pentru Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anod. Ionii încărcați negativ intră în acest electrod. Oxidați, ei preiau electroni din metal, ceea ce duce la dizolvarea lor anodică, adică. trecerea în ioni încărcați pozitiv, care sunt trimiși la catod. Anionii sunt de asemenea clasificați în funcție de activitatea lor. Astfel de anioni PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F pot fi evacuați numai din topituri.În soluții apoase, nu ei sunt supuși electrolizei, ci apa cu eliberare de oxigen. Anionii precum OH, Cl, I, S, Br reacţionează cel mai uşor.

Atunci când se asigură electroliza, este important să se țină cont de tendința materialului electrodului de a se oxida. În acest sens, anozii inerți și activi se remarcă. Electrozii inerți sunt fabricați din grafit, carbon sau platină și nu participă la furnizarea de ioni.

Factorii care afectează procesul de electroliză

Procesul de electroliză depinde de următorii factori:

1. Compoziția electroliților. Diverse impurități au un efect semnificativ. Ele sunt împărțite în 3 tipuri - cationi, anioni și organice. Substanțele pot fi mai mult sau mai puțin negative decât metalul de bază, care interferează cu procesul. Dintre impuritățile organice se remarcă poluanții (de exemplu, uleiurile) și agenții tensioactivi. Concentrația lor are valori maxime admise.
2. densitatea curentă. În conformitate cu legile lui Faraday, masa substanței depuse crește odată cu creșterea puterii curentului. Cu toate acestea, apar circumstanțe nefavorabile - polarizare concentrată, tensiune crescută, încălzire intensă a electrolitului. Având în vedere acest lucru, există valori optime ale densității de curent pentru fiecare caz specific.
3. pH-ul electrolitului. Aciditatea mediului este, de asemenea, selectată ținând cont de metale. De exemplu, valoarea optimă a acidității electrolitului pentru zinc este de 140 g/dm cu.
4. Temperatura electrolitului. Are un efect ambiguu. Odată cu creșterea temperaturii, viteza de electroliză crește, dar crește și activitatea impurităților. Există o temperatură optimă pentru fiecare proces. De obicei este în intervalul 38-45 de grade.

Important! Electroliza poate fi accelerată sau încetinită de diverse influențe și de alegerea compoziției electroliților. Fiecare aplicație are propriul regim, care trebuie respectat cu strictețe.

Unde se folosește electroliza?

Electroliza este folosită în multe domenii. Există mai multe domenii principale de utilizare pentru obținerea rezultatelor practice.

Galvanizarea

O placare subțire și durabilă de metal poate fi aplicată prin electroliză. Produsul de acoperit se instalează în baie sub formă de catod, iar electrolitul conține o sare a metalului dorit. Deci puteți acoperi oțelul cu zinc, crom sau cositor.

Electrorafinare - rafinarea cuprului

Un exemplu de curățare electrică poate fi următoarea opțiune: catod - cupru pur anod - cupru cu impurități, electrolit - o soluție apoasă de sulfat de cupru. Cuprul din anod trece în ioni și se depune în catod deja fără impurități.

Exploatarea metalelor

Pentru a obține metale din săruri, acestea sunt transferate în topitură, iar apoi se asigură electroliza în ea. O astfel de metodă este destul de eficientă pentru obținerea aluminiului din bauxite, sodiu și potasiu.

Anodizare

În acest proces, acoperirea este realizată din compuși nemetalici. Un exemplu clasic este anodizarea aluminiului. Piesa de aluminiu este instalată ca anod. Electrolitul este o soluție de acid sulfuric. Ca urmare a electrolizei, pe anod se depune un strat de oxid de aluminiu, care are proprietăți protectoare și decorative. Aceste tehnologii sunt utilizate pe scară largă în diverse industrii. Puteți efectua procesele cu propriile mâini, în conformitate cu reglementările de siguranță.

Costurile energiei

Electroliza necesită costuri mari de energie. Procesul va avea valoare practică dacă curentul anodic este suficient, iar pentru aceasta este necesar să se aplice un curent continuu semnificativ de la sursa de alimentare. În plus, atunci când este efectuată, apar pierderi de tensiune laterale - supratensiune anodică și catodică, pierderi în electrolit datorită rezistenței sale. Eficiența instalației este determinată prin raportarea puterii consumului de energie la o unitate de masă utilă a substanței obținute.

Electroliza a fost folosită în industrie de mult timp și cu eficiență ridicată. Acoperirile anodizate și galvanizate au devenit obișnuite în viața de zi cu zi, iar exploatarea și valorificarea materialelor ajută la extragerea multor metale din minereu. Procesul poate fi planificat și calculat, cunoscându-i principalele modele.

Articole similare: