Otázka, co je elektrolýza, je zvažována ve školním kurzu fyziky a pro většinu lidí to není tajemství. Jiná věc je jeho důležitost a praktická aplikace. Tento proces se s velkým přínosem používá v různých průmyslových odvětvích a může být užitečný pro domácího řemeslníka.
Obsah
Co je elektrolýza?
Elektrolýza je komplex specifických procesů v systému elektrod a elektrolytu, kdy jím protéká stejnosměrný elektrický proud. Jeho mechanismus je založen na výskytu iontového proudu. Elektrolyt je vodič typu 2 (iontová vodivost), ve kterých dochází k elektrolytické disociaci. Je spojena s rozkladem na ionty s kladnými (kation) a negativní (aniont) nabít.
Elektrolytický systém nutně obsahuje kladný (anoda) a negativní (katoda) elektroda. Při použití stejnosměrného elektrického proudu se kationty začnou pohybovat směrem ke katodě a anionty - směrem k anodě. Kationty jsou především kovové ionty a vodík a anionty jsou kyslík, chlór. Na katodě na sebe kationty přichytí přebytečné elektrony, což zajistí vznik redukční reakce Men+ + ne → Me (kde n je valence kovu). Na anodě je naopak z aniontu darován elektron, přičemž probíhá oxidační reakce.
V systému je tedy zajištěn redoxní proces. Je důležité vzít v úvahu, že pro jeho proudění je zapotřebí odpovídající energie. Musí být zajištěno externím zdrojem proudu.
Faradayovy zákony elektrolýzy
Velký fyzik M. Faraday svým výzkumem umožnil nejen pochopit podstatu elektrolýzy, ale také provést potřebné výpočty pro její realizaci. V roce 1832 se objevily jeho zákony, spojující hlavní parametry probíhajících procesů.
První zákon
První Faradayův zákon říká, že hmotnost látky redukované na anodě je přímo úměrná elektrickému náboji indukovanému v elektrolytu: m = kq = k*I*t, kde q je náboj, k je koeficient nebo elektrochemický ekvivalent látky, I je síla proudu protékajícího elektrolytem, t je doba průchodu proudu.
Druhý zákon
Druhý Faradayův zákon umožnil stanovit koeficient úměrnosti k. Zní to takto: elektrochemický ekvivalent jakékoli látky je přímo úměrný její molární hmotnosti a nepřímo úměrný valenci. Zákon je vyjádřen takto:
k = 1/F*A/z, kde F je Faradayova konstanta, A je molární hmotnost látky, z je její chemická valence.
S přihlédnutím k oběma zákonům je možné odvodit konečný vzorec pro výpočet hmoty nanesené na elektrodě látky: m = A*I*t/(n*F), kde n je počet elektronů zapojených do elektrolýzy. Obvykle n odpovídá náboji iontu. Z praktického hlediska je důležitá souvislost mezi hmotností látky a přiváděným proudem, což umožňuje řídit proces změnou jeho síly.
Elektrolýza taveniny
Jednou z možností elektrolýzy je použití taveniny jako elektrolytu. V tomto případě se procesu elektrolýzy účastní pouze ionty taveniny. Klasickým příkladem je elektrolýza roztavené soli NaCl (sůl). Záporné ionty spěchají k anodě, což znamená, že se uvolňuje plyn (Cl). Na katodě dojde k redukci kovu, tzn. depozice čistého Na vytvořeného z kladných iontů, které přitahovaly přebytečné elektrony. Další kovy lze získat podobně (K, Ca, Li atd.) z masakru odpovídajících solí.
Při elektrolýze v tavenině se elektrody nerozpouštějí, ale účastní se pouze jako zdroj proudu. Při jejich výrobě můžete použít kov, grafit, některé polovodiče. Je důležité, aby měl materiál dostatečnou vodivost. Jedním z nejběžnějších materiálů je měď.
Vlastnosti elektrolýzy v roztocích
Elektrolýza ve vodném roztoku se výrazně liší od taveniny. Probíhají zde tři konkurenční procesy: oxidace vody s vývojem kyslíku, oxidace aniontů a anodické rozpouštění kovu. Do procesu jsou zapojeny ionty vody, elektrolytu a anody.V souladu s tím může na katodě dojít k redukci vodíku, kationtů elektrolytu a kovu anody.
Možnost výskytu těchto konkurenčních procesů závisí na velikosti elektrických potenciálů systému. Bude pokračovat pouze proces, který vyžaduje méně vnější energie. V důsledku toho budou kationty s maximálním elektrodovým potenciálem redukovány na katodě a anionty s nejnižším potenciálem budou oxidovány na anodě. Elektrodový potenciál vodíku se bere jako "0". Například pro draslík je (-2,93 V), sodík - (-2,71 V), Vést (-0,13V), zatímco stříbro má (+0,8 V).
Elektrolýza v plynech
Plyn může hrát roli elektrolytu pouze v přítomnosti ionizátoru. V tomto případě proud procházející ionizovaným prostředím způsobí na elektrodách potřebný proces. Faradayovy zákony však neplatí pro elektrolýzu plynu. Pro jeho realizaci jsou nutné následující podmínky:
- Bez umělé ionizace plynu nepomůže ani vysoké napětí, ani vysoký proud.
- Pro elektrolýzu jsou vhodné pouze kyseliny, které neobsahují kyslík a jsou v plynném stavu, a některé plyny.
Důležité! Při splnění nezbytných podmínek proces probíhá podobně jako elektrolýza v kapalném elektrolytu.
Vlastnosti procesů probíhajících na katodě a anodě
Pro praktickou aplikaci elektrolýzy je důležité pochopit, co se děje na obou elektrodách při použití elektrického proudu. Typické procesy jsou:
- Katoda. Pozitivně nabité ionty se k němu vrhnou. Zde dochází k redukci kovů nebo k vývoji vodíku. Existuje několik kategorií kovů podle kationtové aktivity.Kovy jako Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al se dobře redukují pouze z roztavených solí. Pokud se použije roztok, uvolňuje se vodík v důsledku elektrolýzy vody. Redukce v roztoku, avšak při dostatečné koncentraci kationtů, lze dosáhnout u následujících kovů - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Nejjednodušeji proces probíhá u Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anoda. Do této elektrody vstupují záporně nabité ionty. Oxidované odebírají z kovu elektrony, což vede k jejich anodickému rozpouštění, tzn. přechází na kladně nabité ionty, které jsou posílány na katodu. Anionty jsou také klasifikovány podle jejich aktivity. Takové anionty PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F lze vypouštět pouze z tavenin.Ve vodných roztocích neprocházejí elektrolýzou ony, ale voda s uvolňováním kyslíku. Nejsnáze reagují anionty jako OH, Cl, I, S, Br.
Při zajištění elektrolýzy je důležité vzít v úvahu tendenci materiálu elektrody oxidovat. V tomto ohledu vynikají inertní a aktivní anody. Inertní elektrody jsou vyrobeny z grafitu, uhlíku nebo platiny a nepodílejí se na přísunu iontů.
Faktory ovlivňující proces elektrolýzy
Proces elektrolýzy závisí na následujících faktorech:
- Složení elektrolytu. Významný vliv mají různé nečistoty. Dělí se na 3 typy – kationty, anionty a organické látky. Látky mohou být více či méně negativní než základní kov, což narušuje proces. Mezi organickými nečistotami vynikají škodliviny (např. oleje) a povrchově aktivní látky. Jejich koncentrace má maximální přípustné hodnoty.
- proudová hustota. V souladu s Faradayovými zákony se hmotnost usazené látky zvyšuje s rostoucí silou proudu. Vznikají však nepříznivé okolnosti - koncentrovaná polarizace, zvýšené napětí, intenzivní zahřívání elektrolytu. S ohledem na to existují optimální hodnoty hustoty proudu pro každý konkrétní případ.
- pH elektrolytu. Kyselost prostředí je také vybírána s ohledem na kovy. Například optimální hodnota kyselosti elektrolytu pro zinek je 140 g/m3.
- Teplota elektrolytu. Má nejednoznačný účinek. S nárůstem teploty se zvyšuje rychlost elektrolýzy, ale zvyšuje se i aktivita nečistot. Pro každý proces existuje optimální teplota. Obvykle se pohybuje v rozmezí 38-45 stupňů.
Důležité! Elektrolýzu lze urychlit nebo zpomalit různými vlivy a volbou složení elektrolytu. Každá aplikace má svůj režim, který je nutné důsledně dodržovat.
Kde se používá elektrolýza?
Elektrolýza se používá v mnoha oblastech. Existuje několik hlavních oblastí použití pro získání praktických výsledků.
Galvanické pokovování
Tenké, odolné pokovení kovu lze aplikovat elektrolýzou. Produkt, který má být potažen, je instalován v lázni ve formě katody a elektrolyt obsahuje sůl požadovaného kovu. Ocel tedy můžete pokrýt zinkem, chromem nebo cínem.
Elektrorafinace - rafinace mědi
Příkladem elektrického čištění může být následující možnost: katoda - čistá měď anoda - měď s nečistotami, elektrolyt - vodný roztok síranu měďnatého. Měď z anody přechází na ionty a usazuje se v katodě již bez nečistot.
Těžba kovů
K získání kovů ze solí se přenášejí do taveniny a poté se v ní provádí elektrolýza. Taková metoda je docela účinná pro získávání hliníku z bauxitů, sodíku a draslíku.
Eloxování
V tomto procesu je povlak vyroben z nekovových sloučenin. Klasickým příkladem je eloxování hliníku. Hliníková část je instalována jako anoda. Elektrolytem je roztok kyseliny sírové. V důsledku elektrolýzy se na anodě ukládá vrstva oxidu hlinitého, která má ochranné a dekorativní vlastnosti. Tyto technologie jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích. Procesy můžete provádět vlastníma rukama v souladu s bezpečnostními předpisy.
Náklady na energie
Elektrolýza vyžaduje vysoké náklady na energii. Proces bude mít praktickou hodnotu, pokud je anodový proud dostatečný, a k tomu je nutné použít významný stejnosměrný proud ze zdroje energie. Při jeho provádění navíc dochází k bočním ztrátám napětí – přepětí anody a katody, ztráty v elektrolytu jeho odporem. Účinnost zařízení je určena vztahem výkonu spotřeby energie k jednotce užitečné hmotnosti získané látky.
Elektrolýza se v průmyslu používá již dlouhou dobu a s vysokou účinností. Eloxované a galvanicky pokovené povlaky se staly běžnou součástí každodenního života a těžba a zušlechťování materiálů pomáhá extrahovat mnoho kovů z rudy. Proces lze plánovat a vypočítat se znalostí jeho hlavních vzorců.
Podobné články:
