Vad är elektrolys och var används det?

Frågan om vad elektrolys är funderas i skolfysikkursen, och för de flesta är det ingen hemlighet. En annan sak är dess betydelse och praktiska tillämpning. Denna process används med stor nytta i olika branscher och kan vara användbar för hemhantverkaren.

Vad är elektrolys?

Elektrolys är ett komplex av specifika processer i systemet av elektroder och elektrolyt när en elektrisk likström flyter genom det. Dess mekanism är baserad på förekomsten av en jonström. Elektrolyten är en typ 2-ledare (jonledningsförmåga) där elektrolytisk dissociation inträffar. Det är förknippat med nedbrytning till joner med positiva (katjon) och negativ (anjon) ladda.

Elektrolyssystemet innehåller nödvändigtvis en positiv (anod) och negativ (katod) elektrod. När en elektrisk likström appliceras börjar katjoner röra sig mot katoden och anjoner - mot anoden. Katjonerna är huvudsakligen metalljoner och väte, och anjonerna är syre, klor. Vid katoden fäster katjoner överskott av elektroner till sig själva, vilket säkerställer förekomsten av reduktionsreaktionen Men+ + ne → Me (där n är metallens valens). Vid anoden, tvärtom, doneras en elektron från anjonen med en oxidativ reaktion.

Således tillhandahålls en redoxprocess i systemet. Det är viktigt att tänka på att för dess flöde behövs lämplig energi. Den måste tillhandahållas av en extern strömkälla.

Faradays lagar för elektrolys

Den store fysikern M. Faraday gjorde det med sin forskning möjligt att inte bara förstå elektrolysens natur, utan också göra de nödvändiga beräkningarna för dess genomförande. 1832 dök hans lagar upp, som kopplade samman huvudparametrarna för de pågående processerna.

Första lagen

Faradays första lag säger att massan av ämnet som reduceras vid anoden är direkt proportionell mot den elektriska laddningen som induceras i elektrolyten: m = kq = k*I*t, där q är laddningen, k är koefficienten eller elektrokemisk ekvivalent. av ämnet är I styrkan hos strömmen som flyter genom elektrolyten, t är strömpassagetiden.

Andra lagen

Faradays andra lag gjorde det möjligt att bestämma proportionalitetskoefficienten k. Det låter så här: den elektrokemiska ekvivalenten av något ämne är direkt proportionell mot dess molmassa och omvänt proportionell mot valens. Lagen uttrycks så här:

k = 1/F*A/z, där F är Faraday-konstanten, A är ämnets molmassa, z är dess kemiska valens.

Med hänsyn till båda lagarna är det möjligt att härleda den slutliga formeln för att beräkna massan avsatt på ämnets elektrod: m = A*I*t/(n*F), där n är antalet elektroner som är involverade i elektrolys. Vanligtvis motsvarar n jonens laddning. Ur praktisk synvinkel är sambandet mellan ett ämnes massa och den applicerade strömmen viktig, vilket gör det möjligt att styra processen genom att ändra dess styrka.

Smältelektrolys

Ett av alternativen för elektrolys är användningen av en smälta som en elektrolyt. I detta fall deltar endast smältjoner i elektrolysprocessen. Ett klassiskt exempel är elektrolysen av smält salt NaCl (salt-). Negativa joner rusar till anoden, vilket innebär att gas frigörs (Cl). Metallreduktion kommer att ske vid katoden, dvs. avsättning av rent Na bildat av positiva joner som har attraherat överskott av elektroner. Andra metaller kan erhållas på liknande sätt (K, Ca, Li, etc.) från massakern av motsvarande salter.

Vid elektrolys i en smälta genomgår inte elektroderna upplösning, utan deltar endast som en strömkälla. I deras tillverkning kan du använda metall, grafit, vissa halvledare. Det är viktigt att materialet har tillräcklig konduktivitet. Ett av de vanligaste materialen är koppar.

Egenskaper för elektrolys i lösningar

Elektrolys i en vattenlösning skiljer sig väsentligt från en smälta. Tre konkurrerande processer äger rum här: vattenoxidation med syreutveckling, anjonoxidation och anodupplösning av metallen. Jonerna av vatten, elektrolyt och anod är involverade i processen.Följaktligen kan reduktion av väte, elektrolyskatjoner och anodmetall ske vid katoden.

Möjligheten att dessa konkurrerande processer inträffar beror på storleken på de elektriska potentialerna i systemet. Endast den process som kräver mindre extern energi kommer att fortsätta. Följaktligen kommer katjoner med den maximala elektrodpotentialen att reduceras vid katoden, och anjoner med den lägsta potentialen kommer att oxideras vid anoden. Elektrodpotentialen för väte tas som "0". Till exempel, för kalium är det (-2,93V), natrium - (-2,71V), leda (-0,13V), medan silver har (+0,8 V).

Elektrolys i gaser

Gas kan spela rollen som en elektrolyt endast i närvaro av en jonisator. I detta fall orsakar strömmen som passerar genom det joniserade mediet den nödvändiga processen på elektroderna. Faradays lagar gäller dock inte gaselektrolys. För dess genomförande är följande villkor nödvändiga:

1. Utan konstgjord jonisering av gasen hjälper varken högspänning eller hög ström.
2. Endast syror som inte innehåller syre och är i gasform, och vissa gaser är lämpliga för elektrolys.

Viktig! När de nödvändiga villkoren är uppfyllda, fortskrider processen på samma sätt som elektrolys i en flytande elektrolyt.

Funktioner hos de processer som sker vid katoden och anoden

För den praktiska tillämpningen av elektrolys är det viktigt att förstå vad som händer vid båda elektroderna när en elektrisk ström appliceras. Typiska processer är:

1. Katod. Positivt laddade joner rusar till det. Här sker reduktionen av metaller eller utvecklingen av väte. Det finns flera kategorier av metaller beroende på katjonisk aktivitet.Metaller som Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al reduceras väl endast från smälta salter. Om en lösning används frigörs väte på grund av elektrolys av vatten. Det är möjligt att uppnå reduktion i lösning, men med en tillräcklig koncentration av katjoner, för följande metaller - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Processen fortskrider lättast för Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anod. Negativt laddade joner kommer in i denna elektrod. Oxiderade tar de elektroner från metallen, vilket leder till deras anodupplösning, d.v.s. övergång till positivt laddade joner, som skickas till katoden. Anjoner klassificeras också efter deras aktivitet. Sådana anjoner PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F kan endast släppas ut från smältor. I vattenlösningar är det inte de som genomgår elektrolys, utan vatten med frigöring av syre. Anjoner som OH, Cl, I, S, Br reagerar lättast.

När man säkerställer elektrolys är det viktigt att ta hänsyn till elektrodmaterialets tendens att oxidera. I detta avseende sticker inerta och aktiva anoder ut. Inerta elektroder är gjorda av grafit, kol eller platina och deltar inte i tillförseln av joner.

Faktorer som påverkar elektrolysprocessen

Elektrolysprocessen beror på följande faktorer:

1. Elektrolytsammansättning. Olika föroreningar har en betydande effekt. De är indelade i 3 typer - katjoner, anjoner och organiska ämnen. Ämnen kan vara mer eller mindre negativa än basmetallen, vilket stör processen. Bland organiska föroreningar utmärker sig föroreningar (t.ex. oljor) och ytaktiva ämnen. Deras koncentration har högsta tillåtna värden.
2. strömtäthet. I enlighet med Faradays lagar ökar massan av det deponerade ämnet med ökande strömstyrka. Men ogynnsamma omständigheter uppstår - koncentrerad polarisering, ökad spänning, intensiv uppvärmning av elektrolyten. Med detta i åtanke finns det optimala strömtäthetsvärden för varje specifikt fall.
3. elektrolytens pH. Miljöns surhet väljs också med hänsyn till metaller. Till exempel är det optimala värdet för elektrolytsyra för zink 140 g/cu.dm.
4. Elektrolyttemperatur. Det har en tvetydig effekt. Med en ökning av temperaturen ökar elektrolyshastigheten, men aktiviteten av föroreningar ökar också. Det finns en optimal temperatur för varje process. Vanligtvis ligger det i intervallet 38-45 grader.

Viktig! Elektrolysen kan påskyndas eller bromsas av olika influenser och val av elektrolytsammansättning. Varje applikation har sin egen regim, som måste följas strikt.

Var används elektrolys?

Elektrolys används inom många områden. Det finns flera huvudsakliga användningsområden för att uppnå praktiska resultat.

Galvanisering

En tunn, hållbar plätering av metall kan appliceras genom elektrolys. Produkten som ska beläggas installeras i badet i form av en katod, och elektrolyten innehåller ett salt av den önskade metallen. Så du kan täcka stålet med zink, krom eller tenn.

Elektroraffinering - kopparraffinering

Ett exempel på elektrisk rengöring kan vara följande alternativ: katod - ren koppar anod - koppar med föroreningar, elektrolyt - en vattenlösning av kopparsulfat. Koppar från anoden går över i joner och sätter sig i katoden redan utan föroreningar.

Metallbrytning

För att få metaller från salter överförs de till smältan och sedan tillhandahålls elektrolys i den. En sådan metod är ganska effektiv för att erhålla aluminium från bauxiter, natrium och kalium.

Anodisering

I denna process är beläggningen gjord av icke-metalliska föreningar. Ett klassiskt exempel är aluminiumanodisering. Aluminiumdelen är installerad som en anod. Elektrolyten är en lösning av svavelsyra. Som ett resultat av elektrolys avsätts ett lager av aluminiumoxid på anoden, som har skyddande och dekorativa egenskaper. Dessa tekniker används i stor utsträckning i olika branscher. Du kan utföra processerna med dina egna händer i enlighet med säkerhetsföreskrifter.

Energikostnader

Elektrolys kräver höga energikostnader. Processen kommer att vara av praktiskt värde om anodströmmen är tillräcklig, och för detta är det nödvändigt att applicera en betydande likström från kraftkällan. Dessutom, när det utförs, uppstår sidospänningsförluster - anod- och katodöverspänning, förluster i elektrolyten på grund av dess motstånd. Installationens effektivitet bestäms genom att relatera energiförbrukningens effekt till en enhet användbar massa av det erhållna ämnet.

Elektrolys har använts i industrin under lång tid och med hög effektivitet. Anodiserade och elektropläterade beläggningar har blivit vanliga i vardagen, och brytning och förädling av material hjälper till att utvinna många metaller från malm. Processen kan planeras och beräknas, med kännedom om dess huvudmönster.

Liknande artiklar: