Hva er elektrolyse og hvor brukes det?

Spørsmålet om hva elektrolyse er vurderes i skolens fysikkkurs, og for de fleste er det ingen hemmelighet. En annen ting er dens betydning og praktiske anvendelse. Denne prosessen brukes med stor nytte i ulike bransjer og kan være nyttig for hjemmehåndverkeren.

Hva er elektrolyse?

Elektrolyse er et kompleks av spesifikke prosesser i systemet med elektroder og elektrolytt når en likestrøm flyter gjennom den. Mekanismen er basert på forekomsten av en ionisk strøm. Elektrolytten er en type 2 leder (ionisk ledningsevne) hvor elektrolytisk dissosiasjon oppstår. Det er assosiert med dekomponering til ioner med positive (kation) og negativ (anion) lade.

Elektrolysesystemet inneholder nødvendigvis en positiv (anode) og negativ (katode) elektrode. Når en likestrøm påføres, begynner kationer å bevege seg mot katoden, og anioner - mot anoden. Kationene er hovedsakelig metallioner og hydrogen, og anionene er oksygen, klor. Ved katoden fester kationer overflødige elektroner til seg selv, noe som sikrer forekomsten av reduksjonsreaksjonen Men+ + ne → Me (hvor n er valensen til metallet). Ved anoden, tvert imot, doneres et elektron fra anionet med en oksidativ reaksjon som finner sted.

Dermed tilveiebringes en redoksprosess i systemet. Det er viktig å tenke på at det er nødvendig med passende energi for flyten. Den må leveres av en ekstern strømkilde.

Faradays lover for elektrolyse

Den store fysikeren M. Faraday, med sin forskning, gjorde det mulig ikke bare å forstå naturen til elektrolyse, men også å gjøre de nødvendige beregningene for implementeringen. I 1832 dukket lovene hans opp, som knyttet sammen hovedparametrene for de pågående prosessene.

Første lov

Faradays første lov sier at massen til stoffet som reduseres ved anoden er direkte proporsjonal med den elektriske ladningen indusert i elektrolytten: m = kq = k*I*t, hvor q er ladningen, k er koeffisienten eller elektrokjemisk ekvivalent av stoffet er I styrken til strømmen som flyter gjennom elektrolytten, t er strømpassasjetiden.

Andre lov

Faradays andre lov gjorde det mulig å bestemme proporsjonalitetskoeffisienten k. Det høres slik ut: den elektrokjemiske ekvivalenten til ethvert stoff er direkte proporsjonal med dens molare masse og omvendt proporsjonal med valens. Loven er uttrykt slik:

k = 1/F*A/z, hvor F er Faraday-konstanten, A er stoffets molare masse, z er dets kjemiske valens.

Ved å ta hensyn til begge lovene, er det mulig å utlede den endelige formelen for å beregne massen avsatt på stoffets elektrode: m = A*I*t/(n*F), hvor n er antall elektroner involvert i elektrolyse. Vanligvis tilsvarer n ladningen til ionet. Fra et praktisk synspunkt er sammenhengen mellom massen til et stoff og den påførte strømmen viktig, noe som gjør det mulig å kontrollere prosessen ved å endre dens styrke.

Smelteelektrolyse

Et av alternativene for elektrolyse er bruken av en smelte som en elektrolytt. I dette tilfellet deltar bare smelteioner i elektrolyseprosessen. Et klassisk eksempel er elektrolyse av smeltet salt NaCl (salt). Negative ioner skynder seg til anoden, noe som betyr at gass frigjøres (Cl). Metallreduksjon vil skje ved katoden, dvs. avsetning av rent Na dannet fra positive ioner som har tiltrukket seg overflødige elektroner. Andre metaller kan oppnås på lignende måte (K, Ca, Li osv.) fra massakren av de tilsvarende salter.

Under elektrolyse i en smelte gjennomgår ikke elektrodene oppløsning, men deltar kun som strømkilde. I deres produksjon kan du bruke metall, grafitt, noen halvledere. Det er viktig at materialet har tilstrekkelig ledningsevne. Et av de vanligste materialene er kobber.

Funksjoner ved elektrolyse i løsninger

Elektrolyse i en vandig løsning skiller seg betydelig fra en smelte. Tre konkurrerende prosesser finner sted her: vannoksidasjon med oksygenutvikling, anionoksidasjon og anodisk oppløsning av metallet. Ionene av vann, elektrolytt og anode er involvert i prosessen.Følgelig kan reduksjon av hydrogen, elektrolyttkationer og anodemetall forekomme ved katoden.

Muligheten for at disse konkurrerende prosessene oppstår avhenger av størrelsen på de elektriske potensialene til systemet. Bare prosessen som krever mindre ekstern energi vil fortsette. Følgelig vil kationer med det maksimale elektrodepotensialet reduseres ved katoden, og anioner med det laveste potensialet vil bli oksidert ved anoden. Elektrodepotensialet til hydrogen tas som "0". For eksempel, for kalium er det (-2,93V), natrium - (-2,71V), lede (-0,13V), mens sølv har (+0,8 V).

Elektrolyse i gasser

Gass kan spille rollen som en elektrolytt bare i nærvær av en ionisator. I dette tilfellet forårsaker strømmen som går gjennom det ioniserte mediet den nødvendige prosessen på elektrodene. Faradays lover gjelder imidlertid ikke for gasselektrolyse. For gjennomføringen er følgende betingelser nødvendig:

1. Uten kunstig ionisering av gassen vil verken høyspenning eller høystrøm hjelpe.
2. Kun syrer som ikke inneholder oksygen og er i gassform, og noen gasser er egnet for elektrolyse.

Viktig! Når de nødvendige betingelsene er oppfylt, fortsetter prosessen på samme måte som elektrolyse i en flytende elektrolytt.

Funksjoner ved prosessene som skjer ved katoden og anoden

For praktisk anvendelse av elektrolyse er det viktig å forstå hva som skjer ved begge elektrodene når en elektrisk strøm påføres. Typiske prosesser er:

1. Katode. Positivt ladede ioner skynder seg til det. Her foregår reduksjonen av metaller eller utviklingen av hydrogen. Det er flere kategorier av metaller i henhold til kationisk aktivitet.Metaller som Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al er godt redusert bare fra smeltede salter. Hvis en løsning brukes, frigjøres hydrogen på grunn av elektrolyse av vann. Det er mulig å oppnå reduksjon i løsning, men med tilstrekkelig konsentrasjon av kationer, for følgende metaller - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Prosessen går lettest for Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anode. Negativt ladede ioner kommer inn i denne elektroden. Oksidert tar de elektroner fra metallet, noe som fører til deres anodiske oppløsning, dvs. overgang til positivt ladede ioner, som sendes til katoden. Anioner er også klassifisert i henhold til deres aktivitet. Slike anioner PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F kan bare slippes ut fra smelter.I vandige løsninger er det ikke de som gjennomgår elektrolyse, men vann med frigjøring av oksygen. Anioner som OH, Cl, I, S, Br reagerer lettest.

Når man sikrer elektrolyse, er det viktig å ta hensyn til elektrodematerialets tendens til å oksidere. I denne forbindelse skiller inerte og aktive anoder seg ut. Inerte elektroder er laget av grafitt, karbon eller platina og deltar ikke i tilførselen av ioner.

Faktorer som påvirker elektrolyseprosessen

Elektrolyseprosessen avhenger av følgende faktorer:

1. Elektrolyttsammensetning. Ulike urenheter har en betydelig effekt. De er delt inn i 3 typer - kationer, anioner og organiske stoffer. Stoffer kan være mer eller mindre negative enn basismetallet, noe som forstyrrer prosessen. Blant organiske urenheter skiller forurensninger (f.eks. oljer) og overflateaktive stoffer seg ut. Konsentrasjonen deres har maksimalt tillatte verdier.
2. nåværende tetthet. I samsvar med Faradays lover øker massen av det avsatte stoffet med økende strømstyrke. Imidlertid oppstår ugunstige omstendigheter - konsentrert polarisering, økt spenning, intens oppvarming av elektrolytten. Med dette i tankene er det optimale strømtetthetsverdier for hvert enkelt tilfelle.
3. elektrolytt pH. Surheten i miljøet er også valgt under hensyntagen til metaller. For eksempel er den optimale verdien av elektrolyttsyre for sink 140 g/cu.dm.
4. Elektrolytttemperatur. Det har en tvetydig effekt. Med en økning i temperaturen øker elektrolysehastigheten, men aktiviteten til urenheter øker også. Det er en optimal temperatur for hver prosess. Vanligvis er det i området 38-45 grader.

Viktig! Elektrolyse kan akselereres eller bremses av ulike påvirkninger og valg av elektrolyttsammensetning. Hver applikasjon har sin egen diett, som må følges strengt.

Hvor brukes elektrolyse?

Elektrolyse brukes på mange områder. Det er flere hovedbruksområder for å oppnå praktiske resultater.

Galvanisering

En tynn, slitesterk plettering av metall kan påføres ved elektrolyse. Produktet som skal belegges installeres i badekaret i form av en katode, og elektrolytten inneholder et salt av ønsket metall. Så du kan dekke stålet med sink, krom eller tinn.

Elektroraffinering - kobberraffinering

Et eksempel på elektrisk rengjøring kan være følgende alternativ: katode - rent kobber anode - kobber med urenheter, elektrolytt - en vandig løsning av kobbersulfat. Kobber fra anoden går over i ioner og legger seg i katoden allerede uten urenheter.

Metallgruvedrift

For å få metaller fra salter, overføres de til smelten, og deretter gis elektrolyse i den. En slik metode er ganske effektiv for å oppnå aluminium fra bauxitter, natrium og kalium.

Anodisering

I denne prosessen er belegget laget av ikke-metalliske forbindelser. Et klassisk eksempel er aluminiumanodisering. Aluminiumsdelen er installert som en anode. Elektrolytten er en løsning av svovelsyre. Som et resultat av elektrolyse avsettes et lag av aluminiumoksid på anoden, som har beskyttende og dekorative egenskaper. Disse teknologiene er mye brukt i ulike bransjer. Du kan utføre prosessene med egne hender i samsvar med sikkerhetsforskrifter.

Energikostnader

Elektrolyse krever høye energikostnader. Prosessen vil være av praktisk verdi hvis anodestrømmen er tilstrekkelig, og for dette er det nødvendig å påføre en betydelig likestrøm fra strømkilden. I tillegg, når det utføres, oppstår sidespenningstap - anode- og katodeoverspenning, tap i elektrolytten på grunn av motstanden. Effektiviteten til installasjonen bestemmes ved å relatere kraften til energiforbruket til en enhet av nyttig masse av det oppnådde stoffet.

Elektrolyse har vært brukt i industrien i lang tid og med høy effektivitet. Anodiserte og galvaniserte belegg har blitt vanlig i hverdagen, og utvinning og nyttiggjøring av materialer bidrar til å trekke ut mange metaller fra malm. Prosessen kan planlegges og beregnes, kjenne til hovedmønstrene.

Lignende artikler: