Otázka, čo je elektrolýza, sa zvažuje v školskom kurze fyziky a pre väčšinu ľudí to nie je tajomstvo. Ďalšou vecou je jeho dôležitosť a praktická aplikácia. Tento proces sa s veľkým prínosom používa v rôznych priemyselných odvetviach a môže byť užitočný pre domácich majstrov.
Obsah
Čo je elektrolýza?
Elektrolýza je komplex špecifických procesov v sústave elektród a elektrolytu, keď ňou preteká jednosmerný elektrický prúd. Jeho mechanizmus je založený na výskyte iónového prúdu. Elektrolyt je vodič typu 2 (iónová vodivosť), pri ktorej dochádza k elektrolytickej disociácii. Je spojená s rozkladom na ióny s kladnými (katión) a negatívne (anión) poplatok.
Elektrolýzny systém nevyhnutne obsahuje kladný (anóda) a negatívne (katóda) elektróda. Keď sa aplikuje jednosmerný elektrický prúd, katióny sa začnú pohybovať smerom ku katóde a anióny - smerom k anóde. Katiónmi sú hlavne kovové ióny a vodík a anióny sú kyslík, chlór. Na katóde na seba katióny prichytia prebytočné elektróny, čím sa zabezpečí vznik redukčnej reakcie Men+ + ne → Me (kde n je valencia kovu). Na anóde je naopak z aniónu darovaný elektrón, pričom prebieha oxidačná reakcia.
V systéme je teda zabezpečený redoxný proces. Je dôležité vziať do úvahy, že na jeho tok je potrebná primeraná energia. Musí byť zabezpečený externým zdrojom prúdu.
Faradayove zákony elektrolýzy
Veľký fyzik M. Faraday svojim výskumom umožnil nielen pochopiť podstatu elektrolýzy, ale aj urobiť potrebné výpočty na jej realizáciu. V roku 1832 sa objavili jeho zákony, ktoré spájali hlavné parametre prebiehajúcich procesov.
Prvý zákon
Prvý Faradayov zákon hovorí, že hmotnosť látky redukovanej na anóde je priamo úmerná elektrickému náboju indukovanému v elektrolyte: m = kq = k*I*t, kde q je náboj, k je koeficient alebo elektrochemický ekvivalent látky, I je sila prúdu pretekajúceho elektrolytom, t je čas prechodu prúdu.
Druhý zákon
Druhý Faradayov zákon umožnil určiť koeficient proporcionality k. Znie to takto: elektrochemický ekvivalent akejkoľvek látky je priamo úmerný jej molárnej hmotnosti a nepriamo úmerný valencii. Zákon je vyjadrený takto:
k = 1/F*A/z, kde F je Faradayova konštanta, A je molárna hmotnosť látky, z je jej chemická valencia.
Berúc do úvahy oba zákony, je možné odvodiť konečný vzorec na výpočet hmotnosti nanesenej na elektródu látky: m = A*I*t/(n*F), kde n je počet elektrónov zapojených do elektrolýzy. Zvyčajne n zodpovedá náboju iónu. Z praktického hľadiska je dôležité spojenie medzi hmotnosťou látky a aplikovaným prúdom, čo umožňuje riadiť proces zmenou jeho sily.
Elektrolýza taveniny
Jednou z možností elektrolýzy je použitie taveniny ako elektrolytu. V tomto prípade sa procesu elektrolýzy zúčastňujú iba ióny taveniny. Klasickým príkladom je elektrolýza roztavenej soli NaCl (soľ). Záporné ióny sa ponáhľajú k anóde, čo znamená, že sa uvoľňuje plyn (Cl). Na katóde dôjde k redukcii kovu, t.j. ukladanie čistého Na vytvoreného z kladných iónov, ktoré pritiahli prebytočné elektróny. Ostatné kovy možno získať podobne (K, Ca, Li atď.) z masakru zodpovedajúcich solí.
Počas elektrolýzy v tavenine sa elektródy nerozpúšťajú, ale zúčastňujú sa len ako zdroj prúdu. Pri ich výrobe môžete použiť kov, grafit, niektoré polovodiče. Je dôležité, aby mal materiál dostatočnú vodivosť. Jedným z najbežnejších materiálov je meď.
Vlastnosti elektrolýzy v roztokoch
Elektrolýza vo vodnom roztoku sa výrazne líši od taveniny. Prebiehajú tu tri konkurenčné procesy: oxidácia vody s vývojom kyslíka, oxidácia aniónov a anodické rozpúšťanie kovu. Do procesu sú zapojené ióny vody, elektrolytu a anódy.V súlade s tým môže na katóde dôjsť k redukcii vodíka, katiónov elektrolytov a kovu anódy.
Možnosť výskytu týchto konkurenčných procesov závisí od veľkosti elektrických potenciálov systému. Prebehne len proces, ktorý vyžaduje menej vonkajšej energie. V dôsledku toho budú katióny s maximálnym potenciálom elektródy na katóde redukované a anióny s najnižším potenciálom budú oxidované na anóde. Elektródový potenciál vodíka sa berie ako "0". Napríklad pre draslík je (-2,93 V), sodík -(-2,71 V), viesť (-0,13 V), zatiaľ čo striebro má (+0,8 V).
Elektrolýza v plynoch
Plyn môže hrať úlohu elektrolytu iba v prítomnosti ionizátora. V tomto prípade prúd prechádzajúci ionizovaným médiom spôsobí potrebný proces na elektródach. Faradayove zákony však neplatia pre elektrolýzu plynu. Na jeho implementáciu sú potrebné tieto podmienky:
- Bez umelej ionizácie plynu nepomôže ani vysoké napätie, ani vysoký prúd.
- Na elektrolýzu sú vhodné len kyseliny, ktoré neobsahujú kyslík a sú v plynnom stave a niektoré plyny.
Dôležité! Pri splnení potrebných podmienok proces prebieha podobne ako elektrolýza v kvapalnom elektrolyte.
Vlastnosti procesov prebiehajúcich na katóde a anóde
Pre praktickú aplikáciu elektrolýzy je dôležité pochopiť, čo sa deje na oboch elektródach, keď sa aplikuje elektrický prúd. Typické procesy sú:
- Katóda. Ponáhľajú sa k nemu kladne nabité ióny. Tu prebieha redukcia kovov alebo vývoj vodíka. Existuje niekoľko kategórií kovov podľa katiónovej aktivity.Kovy ako Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al sa dobre redukujú len z roztavených solí. Ak sa použije roztok, potom sa v dôsledku elektrolýzy vody uvoľní vodík. Redukciu v roztoku, ale s dostatočnou koncentráciou katiónov, je možné dosiahnuť pre nasledujúce kovy - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Proces prebieha najľahšie pre Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- anóda. Do tejto elektródy vstupujú záporne nabité ióny. Oxidované odoberajú z kovu elektróny, čo vedie k ich anodickému rozpúšťaniu, t.j. prechádzajú na kladne nabité ióny, ktoré sú posielané na katódu. Anióny sú tiež klasifikované podľa ich aktivity. Takéto anióny PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F sa môžu vylučovať iba z tavenín.Vo vodných roztokoch nie sú elektrolýzou tie, ale voda s uvoľňovaním kyslíka. Najľahšie reagujú anióny ako OH, Cl, I, S, Br.
Pri zabezpečovaní elektrolýzy je dôležité brať do úvahy tendenciu materiálu elektródy oxidovať. V tomto ohľade vynikajú inertné a aktívne anódy. Inertné elektródy sú vyrobené z grafitu, uhlíka alebo platiny a nezúčastňujú sa na prísune iónov.
Faktory ovplyvňujúce proces elektrolýzy
Proces elektrolýzy závisí od nasledujúcich faktorov:
- Zloženie elektrolytu. Významný vplyv majú rôzne nečistoty. Delia sa na 3 typy – katióny, anióny a organické látky. Látky môžu byť viac alebo menej negatívne ako základný kov, čo narúša proces. Spomedzi organických nečistôt vynikajú škodliviny (napr. oleje) a povrchovo aktívne látky. Ich koncentrácia má maximálne prípustné hodnoty.
- súčasná hustota. V súlade s Faradayovými zákonmi sa hmotnosť nanesenej látky zvyšuje so zvyšujúcou sa silou prúdu. Vznikajú však nepriaznivé okolnosti - koncentrovaná polarizácia, zvýšené napätie, intenzívne zahrievanie elektrolytu. S ohľadom na to existujú optimálne hodnoty hustoty prúdu pre každý konkrétny prípad.
- pH elektrolytu. Kyslosť prostredia sa vyberá aj s prihliadnutím na kovy. Napríklad optimálna hodnota kyslosti elektrolytu pre zinok je 140 g/m3.
- Teplota elektrolytu. Má nejednoznačný účinok. S nárastom teploty sa zvyšuje rýchlosť elektrolýzy, ale zvyšuje sa aj aktivita nečistôt. Pre každý proces existuje optimálna teplota. Zvyčajne je to v rozmedzí 38-45 stupňov.
Dôležité! Elektrolýzu je možné urýchliť alebo spomaliť rôznymi vplyvmi a voľbou zloženia elektrolytu. Každá aplikácia má svoj vlastný režim, ktorý je potrebné dôsledne dodržiavať.
Kde sa používa elektrolýza?
Elektrolýza sa používa v mnohých oblastiach. Existuje niekoľko hlavných oblastí použitia na získanie praktických výsledkov.
Galvanické pokovovanie
Tenké, odolné pokovovanie kovu môže byť aplikované elektrolýzou. Produkt, ktorý sa má potiahnuť, sa inštaluje do kúpeľa vo forme katódy a elektrolyt obsahuje soľ požadovaného kovu. Oceľ teda môžete pokryť zinkom, chrómom alebo cínom.
Elektrorafinácia - rafinácia medi
Príkladom elektrického čistenia môže byť nasledujúca možnosť: katóda - čistá meď anóda - meď s nečistotami, elektrolyt - vodný roztok síranu meďnatého. Meď z anódy prechádza na ióny a usadzuje sa v katóde už bez nečistôt.
Ťažba kovov
Na získanie kovov zo solí sa prenesú do taveniny a potom sa v nej uskutoční elektrolýza. Takáto metóda je pomerne účinná na získanie hliníka z bauxitov, sodíka a draslíka.
Eloxovanie
V tomto procese je povlak vyrobený z nekovových zlúčenín. Klasickým príkladom je eloxovanie hliníka. Hliníková časť je inštalovaná ako anóda. Elektrolytom je roztok kyseliny sírovej. V dôsledku elektrolýzy sa na anóde ukladá vrstva oxidu hlinitého, ktorá má ochranné a dekoratívne vlastnosti. Tieto technológie sú široko používané v rôznych priemyselných odvetviach. Procesy môžete vykonávať vlastnými rukami v súlade s bezpečnostnými predpismi.
Náklady na energiu
Elektrolýza vyžaduje vysoké náklady na energiu. Proces bude mať praktickú hodnotu, ak je anódový prúd dostatočný, a preto je potrebné použiť významný jednosmerný prúd zo zdroja energie. Okrem toho pri jeho realizácii dochádza k bočným stratám napätia – prepätiu anódy a katódy, stratám v elektrolyte jeho odporom. Účinnosť zariadenia je určená vzťahom výkonu spotreby energie na jednotku užitočnej hmotnosti získanej látky.
Elektrolýza sa v priemysle používa už dlho a s vysokou účinnosťou. Eloxované a galvanicky pokovované povlaky sa stali samozrejmosťou v každodennom živote a ťažba a spracovanie materiálov pomáha extrahovať z rudy veľa kovov. Proces je možné naplánovať a vypočítať, poznajúc jeho hlavné vzorce.
Podobné články:
