Vprašanje, kaj je elektroliza, se obravnava v šolskem tečaju fizike in za večino ljudi to ni skrivnost. Druga stvar je njen pomen in praktična uporaba. Ta postopek se z veliko koristjo uporablja v različnih panogah in je lahko koristen za domače obrtnike.
Vsebina
Kaj je elektroliza?
Elektroliza je kompleks specifičnih procesov v sistemu elektrod in elektrolita, ko skozenj teče enosmerni električni tok. Njegov mehanizem temelji na pojavu ionskega toka. Elektrolit je prevodnik tipa 2 (ionska prevodnost), pri katerem pride do elektrolitične disociacije. Povezan je z razgradnjo na ione s pozitivnimi (kation) in negativno (anion) napolniti.
Elektrolizni sistem nujno vsebuje pozitivno (anodo) in negativno (katoda) elektroda. Ko se uporabi enosmerni električni tok, se kationi začnejo premikati proti katodi, anioni pa proti anodi. Kationi so predvsem kovinski ioni in vodik, anioni pa kisik, klor. Na katodi kationi nase pritrdijo odvečne elektrone, kar zagotavlja pojav redukcijske reakcije Men+ + ne → Me (kjer je n valenca kovine). Nasprotno, na anodi se iz aniona donira elektron, pri čemer poteka oksidativna reakcija.
Tako je v sistemu zagotovljen redoks proces. Pomembno je upoštevati, da je za njegov pretok potrebna ustrezna energija. Zagotoviti ga mora zunanji vir toka.
Faradayevi zakoni elektrolize
Veliki fizik M. Faraday je s svojimi raziskavami omogočil ne le razumevanje narave elektrolize, temveč tudi potrebne izračune za njeno izvedbo. Leta 1832 so se pojavili njegovi zakoni, ki povezujejo glavne parametre tekočih procesov.
Prvi zakon
Prvi Faradayev zakon pravi, da je masa snovi, ki se zmanjša na anodi, neposredno sorazmerna z električnim nabojem, induciranim v elektrolitu: m = kq = k*I*t, kjer je q naboj, k je koeficient ali elektrokemični ekvivalent snovi, I je jakost toka, ki teče skozi elektrolit, t je čas prehoda toka.
Drugi zakon
Drugi Faradayev zakon je omogočil določitev koeficienta sorazmernosti k. Sliši se takole: elektrokemični ekvivalent katere koli snovi je neposredno sorazmeren z njeno molsko maso in obratno sorazmeren z valenco. Zakon je izražen kot:
k = 1/F*A/z, kjer je F Faradayeva konstanta, A molska masa snovi, z njena kemična valenca.
Ob upoštevanju obeh zakona je mogoče izpeljati končno formulo za izračun mase, nanesene na elektrodo snovi: m = A*I*t/(n*F), kjer je n število elektronov, ki sodelujejo pri elektrolizi. Običajno n ustreza naboju iona. S praktičnega vidika je pomembna povezava med maso snovi in uporabljenim tokom, ki omogoča nadzor procesa s spreminjanjem njegove moči.
Elektroliza taline
Ena od možnosti za elektrolizo je uporaba taline kot elektrolita. V tem primeru v procesu elektrolize sodelujejo samo taljeni ioni. Klasičen primer je elektroliza staljene soli NaCl (sol). Negativni ioni hitijo na anodo, kar pomeni, da se sprosti plin (Cl). Na katodi bo prišlo do redukcije kovine, t.j. odlaganje čistega Na, ki nastane iz pozitivnih ionov, ki so pritegnili presežne elektrone. Podobno je mogoče pridobiti tudi druge kovine (K, Ca, Li itd.) iz pokola ustreznih soli.
Med elektrolizo v talini se elektrode ne raztopijo, ampak sodelujejo le kot vir toka. Pri njihovi izdelavi lahko uporabite kovino, grafit, nekatere polprevodnike. Pomembno je, da ima material zadostno prevodnost. Eden najpogostejših materialov je baker.
Značilnosti elektrolize v raztopinah
Elektroliza v vodni raztopini se bistveno razlikuje od taline. Tukaj potekajo trije konkurenčni procesi: oksidacija vode z razvojem kisika, anionska oksidacija in anodno raztapljanje kovine. V proces sodelujejo ioni vode, elektrolita in anode.V skladu s tem lahko na katodi pride do redukcije vodika, elektrolitskih kationov in anodne kovine.
Možnost pojava teh konkurenčnih procesov je odvisna od velikosti električnih potencialov sistema. Nadaljeval se bo samo proces, ki zahteva manj zunanje energije. Posledično se bodo kationi z največjim potencialom elektrode zmanjšali na katodi, anioni z najnižjim potencialom pa bodo oksidirani na anodi. Vodikov potencial elektrode se vzame kot "0". Na primer, za kalij je (-2,93 V), natrij - (-2,71 V), svinec (-0,13 V), medtem ko ima srebro (+0,8 V).
Elektroliza v plinih
Plin lahko igra vlogo elektrolita le v prisotnosti ionizatorja. V tem primeru tok, ki prehaja skozi ionizirani medij, povzroči potreben proces na elektrodah. Vendar Faradayevi zakoni ne veljajo za plinsko elektrolizo. Za njegovo izvedbo so potrebni naslednji pogoji:
- Brez umetne ionizacije plina ne bosta pomagala niti visoka napetost niti visok tok.
- Za elektrolizo so primerne le kisline, ki ne vsebujejo kisika in so v plinastem stanju, nekateri plini.
Pomembno! Ko so izpolnjeni potrebni pogoji, postopek poteka podobno kot elektroliza v tekočem elektrolitu.
Značilnosti procesov na katodi in anodi
Za praktično uporabo elektrolize je pomembno razumeti, kaj se zgodi na obeh elektrodah, ko se uporabi električni tok. Tipični procesi so:
- katoda. K njemu hitijo pozitivno nabiti ioni. Tu pride do redukcije kovin ali razvoja vodika. Glede na kationsko aktivnost obstaja več kategorij kovin.Kovine, kot so Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, se dobro reducirajo le iz staljenih soli. Če uporabimo raztopino, se vodik sprošča zaradi elektrolize vode. Zmanjšanje v raztopini, vendar z zadostno koncentracijo kationov, je mogoče doseči za naslednje kovine - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Postopek najlažje poteka za Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anoda. Negativno nabiti ioni vstopijo v to elektrodo. Oksidirani vzamejo iz kovine elektrone, kar vodi do njihovega anodnega raztapljanja, t.j. prehod v pozitivno nabite ione, ki se pošljejo na katodo. Anioni so razvrščeni tudi glede na njihovo aktivnost. Takšni anioni PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F se lahko odvajajo le iz taline.V vodnih raztopinah se ne elektrolize le ti, ampak voda s sproščanjem kisika. Najlažje reagirajo anioni, kot so OH, Cl, I, S, Br.
Pri zagotavljanju elektrolize je pomembno upoštevati nagnjenost materiala elektrode k oksidaciji. Pri tem izstopajo inertne in aktivne anode. Inertne elektrode so izdelane iz grafita, ogljika ali platine in ne sodelujejo pri dovajanju ionov.
Dejavniki, ki vplivajo na proces elektrolize
Postopek elektrolize je odvisen od naslednjih dejavnikov:
- Sestava elektrolita. Pomemben učinek imajo različne nečistoče. Razdeljeni so na 3 vrste - katione, anione in organske. Snovi so lahko bolj ali manj negativne od navadne kovine, kar moti proces. Med organskimi nečistočami izstopajo onesnaževala (npr. olja) in površinsko aktivne snovi. Njihova koncentracija ima največje dovoljene vrednosti.
- gostota toka. V skladu s Faradayjevimi zakoni se masa odložene snovi povečuje z naraščajočo jakostjo toka. Vendar pa se pojavijo neugodne okoliščine - koncentrirana polarizacija, povečana napetost, intenzivno segrevanje elektrolita. Glede na to obstajajo optimalne vrednosti gostote toka za vsak posamezen primer.
- pH elektrolita. Tudi kislost okolja je izbrana ob upoštevanju kovin. Na primer, optimalna vrednost kislosti elektrolita za cink je 140 g/cu.dm.
- Temperatura elektrolita. Ima dvoumen učinek. Z zvišanjem temperature se hitrost elektrolize poveča, poveča pa se tudi aktivnost nečistoč. Za vsak postopek obstaja optimalna temperatura. Običajno je v območju 38-45 stopinj.
Pomembno! Elektrolizo lahko pospešimo ali upočasnimo z različnimi vplivi in izbiro sestave elektrolita. Vsaka uporaba ima svoj režim, ki ga je treba strogo upoštevati.
Kje se uporablja elektroliza?
Elektroliza se uporablja na številnih področjih. Obstaja več glavnih področij uporabe za doseganje praktičnih rezultatov.
Galvanizacija
Tanka, trpežna kovinska prevleka se lahko nanese z elektrolizo. Izdelek, ki ga je treba premazati, je nameščen v kopeli v obliki katode, elektrolit pa vsebuje sol želene kovine. Tako lahko jeklo prekrijete s cinkom, kromom ali kositrom.
Elektrorafiniranje - rafiniranje bakra
Primer električnega čiščenja je lahko naslednja možnost: katoda - čisti baker anodo - baker z nečistočami, elektrolit - vodna raztopina bakrovega sulfata. Baker iz anode prehaja v ione in se že brez nečistoč usede v katodo.
Kopanje kovin
Za pridobivanje kovin iz soli se prenesejo v talino, nato pa se v njej izvede elektroliza. Takšna metoda je precej učinkovita za pridobivanje aluminija iz boksitov, natrija in kalija.
Anodiziranje
Pri tem postopku je premaz izdelan iz nekovinskih spojin. Klasičen primer je eloksiranje aluminija. Aluminijasti del je nameščen kot anoda. Elektrolit je raztopina žveplove kisline. Kot rezultat elektrolize se na anodi nanese plast aluminijevega oksida, ki ima zaščitne in dekorativne lastnosti. Te tehnologije se pogosto uporabljajo v različnih panogah. Postopke lahko izvajate z lastnimi rokami v skladu z varnostnimi predpisi.
Stroški energije
Elektroliza zahteva visoke stroške energije. Postopek bo praktičen, če bo anodni tok zadosten, za to pa je treba uporabiti pomemben enosmerni tok iz vira energije. Poleg tega, ko se izvaja, se pojavijo stranske izgube napetosti - prenapetost anode in katode, izgube v elektrolitu zaradi njegove odpornosti. Učinkovitost naprave se določi tako, da se moč porabe energije poveže z enoto uporabne mase pridobljene snovi.
Elektroliza se v industriji uporablja že dolgo in z visoko učinkovitostjo. Anodizirani in galvanizirani premazi so postali običajni v vsakdanjem življenju, rudarjenje in pridobivanje materialov pa pomaga pri pridobivanju številnih kovin iz rude. Proces je mogoče načrtovati in izračunati, pri čemer poznamo njegove glavne vzorce.
Podobni članki:
