Шта је електролиза и где се користи?

Питање шта је електролиза разматра се у школском курсу физике, а за већину људи то није тајна. Друга ствар је његова важност и практична примена. Овај процес се користи са великом користи у разним индустријама и може бити користан за кућне мајсторе.

Шта је електролиза?

Електролиза је комплекс специфичних процеса у систему електрода и електролита када кроз њега протиче једносмерна електрична струја. Његов механизам је заснован на појави јонске струје. Електролит је проводник типа 2 (јонска проводљивост) у којој долази до електролитичке дисоцијације. Повезан је са разградњом на јоне са позитивним (катион) и негативно (анион) напунити.

Систем електролизе обавезно садржи позитивну (анода) и негативно (катода) електрода. Када се примени једносмерна електрична струја, катјони почињу да се крећу ка катоди, а ањони - ка аноди. Катјони су углавном метални јони и водоник, а ањони кисеоник, хлор. На катоди катјони везују вишак електрона за себе, што обезбеђује настанак реакције редукције Мен+ + не → Ме (где је н валентност метала). На аноди, напротив, од ањона се донира електрон при чему се одвија оксидативна реакција.

Тако је у систему обезбеђен редокс процес. Важно је узети у обзир да је за његов ток потребна одговарајућа енергија. Мора бити обезбеђен од екстерног извора струје.

Фарадејеви закони електролизе

Велики физичар М.Фарадеј је својим истраживањем омогућио не само да се разуме природа електролизе, већ и да се направе неопходни прорачуни за њено спровођење. Године 1832. појавили су се његови закони који су повезивали главне параметре текућих процеса.

Први закон

Први Фарадејев закон каже да је маса супстанце која се редукује на аноди директно пропорционална електричном наелектрисању индукованом у електролиту: м = кк = к*И*т, где је к наелектрисање, к је коефицијент или електрохемијски еквивалент супстанце, И је јачина струје која тече кроз електролит, т је време проласка струје.

Други закон

Други Фарадејев закон је омогућио да се одреди коефицијент пропорционалности к. Звучи овако: електрохемијски еквивалент било које супстанце је директно пропорционалан њеној моларној маси и обрнуто пропорционалан валенцији. Закон се изражава као:

к = 1/Ф*А/з, где је Ф Фарадејева константа, А је моларна маса супстанце, з је њена хемијска валентност.

Узимајући у обзир оба закона, могуће је извести коначну формулу за израчунавање масе депоноване на електроди супстанце: м = А*И*т/(н*Ф), где је н број електрона укључених у електролизу. Обично н одговара наелектрисању јона. Са практичне тачке гледишта, важна је веза између масе супстанце и примењене струје, што омогућава контролу процеса променом његове јачине.

Електролиза топљења

Једна од опција за електролизу је употреба талине као електролита. У овом случају у процесу електролизе учествују само јони растопа. Класичан пример је електролиза растопљене соли НаЦл (со). Негативни јони јуре ка аноди, што значи да се гас ослобађа (Цл). На катоди ће доћи до редукције метала, тј. таложење чистог На формираног од позитивних јона који су привукли вишак електрона. Други метали се могу добити на сличан начин (К, Ца, Ли итд.) од масакра одговарајућих соли.

Током електролизе у топљењу, електроде се не растварају, већ учествују само као извор струје. У њиховој производњи можете користити метал, графит, неке полупроводнике. Важно је да материјал има довољну проводљивост. Један од најчешћих материјала је бакар.

Особине електролизе у растворима

Електролиза у воденом раствору значајно се разликује од растопљеног. Овде се одвијају три конкурентна процеса: оксидација воде са еволуцијом кисеоника, оксидација ањона и анодно растварање метала. У процес су укључени јони воде, електролита и аноде.Сходно томе, на катоди може доћи до редукције водоника, катјона електролита и анодног метала.

Могућност настанка ових конкурентских процеса зависи од величине електричних потенцијала система. Наставиће се само процес који захтева мање спољне енергије. Сходно томе, катјони са максималним потенцијалом електроде ће бити редуковани на катоди, а ањони са најмањим потенцијалом ће бити оксидовани на аноди. Електродни потенцијал водоника узима се као "0". На пример, за калијум је (-2.93В), натријум - (-2.71В), олово (-0.13В), док сребро има (+0,8 В).

Електролиза у гасовима

Гас може играти улогу електролита само у присуству јонизатора. У овом случају, струја која пролази кроз јонизовани медијум изазива неопходан процес на електродама. Међутим, Фарадејеви закони не важе за гасну електролизу. За његову имплементацију неопходни су следећи услови:

1. Без вештачке јонизације гаса, неће помоћи ни високи напон ни јака струја.
2. За електролизу су погодне само киселине које не садрже кисеоник и налазе се у гасовитом стању, а неки гасови.

Важно! Када су испуњени неопходни услови, процес се одвија слично електролизи у течном електролиту.

Карактеристике процеса који се одвијају на катоди и аноди

За практичну примену електролизе, важно је разумети шта се дешава на обе електроде када се примени електрична струја. Типични процеси су:

1. Катода. Позитивно наелектрисани јони журе ка њему. Овде се дешава редукција метала или еволуција водоника. Постоји неколико категорија метала према катјонској активности.Метали као што су Ли, К, Ба, Ст, Ца, На, Мг, Бе, Ал добро се редукују само из растопљених соли. Ако се користи раствор, онда се водоник ослобађа услед електролизе воде. Могуће је постићи редукцију у раствору, али уз довољну концентрацију катјона, за следеће метале - Мн, Цр, Зн, Фе, Цд, Ни, Ти, Цо, Мо, Сн, Пб. Процес се најлакше одвија за Аг, Цу, Би, Пт, Ау, Хг.
2. Анода. Негативно наелектрисани јони улазе у ову електроду. Оксидовани узимају електроне из метала, што доводи до њиховог анодног растварања, тј. прелаз у позитивно наелектрисане јоне, који се шаљу на катоду. Ањони су такође класификовани према њиховој активности. Такви ањони ПО4, ЦО3, СО4, НО3, НО2, ЦлО4, Ф могу да се испусте само из растопа.У воденим растворима се не подвргавају електролизи они, већ вода са ослобађањем кисеоника. Најлакше реагују ањони као што су ОХ, Цл, И, С, Бр.

Приликом обезбеђивања електролизе важно је узети у обзир склоност материјала електроде да оксидира. У том погледу се издвајају инертне и активне аноде. Инертне електроде су направљене од графита, угљеника или платине и не учествују у снабдевању јонима.

Фактори који утичу на процес електролизе

Процес електролизе зависи од следећих фактора:

1. Састав електролита. Значајан ефекат имају различите нечистоће. Подијељени су на 3 врсте - катјоне, ањоне и органске. Супстанце могу бити мање или више негативне од основног метала, што омета процес. Међу органским нечистоћама издвајају се загађивачи (нпр. уља) и сурфактанти. Њихова концентрација има максимално дозвољене вредности.
2. густина струје. У складу са Фарадејевим законима, маса депоноване супстанце расте са повећањем јачине струје. Међутим, настају неповољне околности - концентрисана поларизација, повећан напон, интензивно загревање електролита. Имајући ово на уму, постоје оптималне вредности густине струје за сваки конкретан случај.
3. пХ електролита. Киселост средине се такође бира узимајући у обзир метале. На пример, оптимална вредност киселости електролита за цинк је 140 г/цу.дм.
4. Температура електролита. Има двосмислен ефекат. Са повећањем температуре, брзина електролизе се повећава, али се повећава и активност нечистоћа. За сваки процес постоји оптимална температура. Обично је у распону од 38-45 степени.

Важно! Електролиза се може убрзати или успорити разним утицајима и избором састава електролита. Свака апликација има свој режим, који се мора строго поштовати.

Где се користи електролиза?

Електролиза се користи у многим областима. Постоји неколико главних области употребе за добијање практичних резултата.

Галванизација

Танак, издржљив метални слој се може нанети електролизом. Производ који се облаже уграђује се у каду у облику катоде, а електролит садржи со жељеног метала. Дакле, можете покрити челик цинком, хромом или калајем.

Електрорафинација - рафинација бакра

Пример електричног чишћења може бити следећа опција: катода - чисти бакар анода - бакар са примесама, електролит - водени раствор бакар сулфата. Бакар из аноде прелази у јоне и таложи се на катоди већ без нечистоћа.

Рударство метала

Да би се метали добили из соли, они се преносе у растоп, а затим се у њему обезбеђује електролиза. Такав метод је прилично ефикасан за добијање алуминијума из боксита, натријума и калијума.

Анодизирање

У овом процесу, премаз се прави од неметалних једињења. Класичан пример је елоксирање алуминијума. Алуминијумски део је уграђен као анода. Електролит је раствор сумпорне киселине. Као резултат електролизе, на аноди се таложи слој алуминијум-оксида, који има заштитна и декоративна својства. Ове технологије се широко користе у различитим индустријама. Процесе можете извршити сопственим рукама у складу са сигурносним прописима.

Трошкови енергије

Електролиза захтева високе трошкове енергије. Процес ће имати практичну вредност ако је анодна струја довољна, а за то је потребно применити значајну једносмерну струју из извора напајања. Поред тога, када се спроводи, јављају се бочни губици напона - пренапон аноде и катоде, губици у електролиту због његовог отпора. Ефикасност инсталације одређује се повезивањем снаге потрошње енергије са јединицом корисне масе добијене супстанце.

Електролиза се дуго користи у индустрији и са високом ефикасношћу. Анодизирани и галванизовани премази постали су уобичајени у свакодневном животу, а рударство и оплемењивање материјала помажу у екстракцији многих метала из руде. Процес се може планирати и израчунати, знајући његове главне обрасце.

Слични чланци: