Elettrolisi — principio di azione, scopo e applicazione
Processi di elettrolisi
L'elettrolisi è molto diffusa nella metallurgia non ferrosa e in numerose industrie chimiche. Metalli come alluminio, zinco, magnesio si ottengono principalmente per elettrolisi. Inoltre, l'elettrolisi viene utilizzata per raffinare (purificare) rame, nichel, piombo, nonché per produrre idrogeno, ossigeno, cloro e una serie di altri prodotti chimici.
L'essenza dell'elettrolisi è la separazione delle particelle della sostanza dall'elettrolita quando una corrente continua passa attraverso il bagno elettrolitico e la loro deposizione su elettrodi immersi nel bagno (elettroestrazione) o quando le sostanze vengono trasferite da un elettrodo attraverso l'elettrolita all'altro ( raffinazione elettrolitica). In entrambi i casi, l'obiettivo dei processi è ottenere le sostanze più pure possibili che non siano contaminate da impurità.
In contrasto conducibilità elettronica metalli negli elettroliti (soluzioni di sali, acidi e basi in acqua e in alcuni altri solventi, nonché in composti fusi), si osserva conduttività ionica.
Gli elettroliti sono conduttori di seconda classe.In queste soluzioni e fusioni avviene la dissociazione elettrolitica, la disintegrazione di ioni caricati positivamente e negativamente.
Se gli elettrodi collegati a una fonte di energia elettrica vengono posti in un recipiente con un elettrolita - un elettrolizzatore, allora una corrente ionica inizierà a fluire al suo interno e ioni caricati positivamente - i cationi si sposteranno verso il catodo (questi sono principalmente metalli e idrogeno ) e ioni caricati negativamente - anioni (cloro, ossigeno) - all'anodo.
All'anodo, gli anioni perdono la loro carica e diventano particelle neutre che si depositano sull'elettrodo. Al catodo, i cationi prelevano elettroni dall'elettrodo e vengono anche neutralizzati, depositandosi su di esso, ei gas rilasciati sugli elettrodi sotto forma di bolle salgono.
Riso. 1. Processi durante l'elettrolisi. Circuito bagno elettrico: 1 - bagno, 2 - elettrolita, 3 - anodo, 4 - catodo, 5 - alimentazione
La corrente elettrica nel circuito esterno è il movimento degli elettroni dall'anodo al catodo (Fig. 1). In questo caso la soluzione si esaurisce e per mantenere la continuità del processo di elettrolisi deve essere arricchita. In questo modo determinate sostanze vengono estratte dall'elettrolita (elettroestrazione).
Se l'elettrodo viene posto in una soluzione con ioni della stessa sostanza da cui è costituito, allora a un certo potenziale tra l'elettrodo e la soluzione né l'elettrodo si dissolve né la sostanza si deposita su di esso dalla soluzione.
Questo potenziale è chiamato potenziale normale della sostanza. Se all'elettrodo viene applicato un potenziale più negativo, su di esso inizierà il rilascio di una sostanza (processo catodico), ma se è più positivo, inizierà la sua dissoluzione (processo anodico).
Il valore dei potenziali normali dipende dalla concentrazione di ioni e dalla temperatura. È generalmente accettato considerare zero il potenziale normale dell'idrogeno. La tabella 1 mostra i normali potenziali di elettrodo di alcune soluzioni acquose di sostanze a + 25 ° C.
Tabella 1. Potenziali normali dell'elettrodo a + 25 ° C
Se l'elettrolita contiene ioni di metalli diversi, gli ioni con un potenziale normale negativo inferiore (rame, argento, piombo, nichel) vengono separati prima al catodo; i metalli alcalino terrosi sono i più difficili da isolare. Inoltre, ci sono sempre ioni idrogeno nelle soluzioni acquose, che verranno rilasciati prima di tutti i metalli con un potenziale normale negativo, quindi, durante l'elettrolisi di quest'ultimo, una parte significativa o addirittura la maggior parte dell'energia viene spesa per il rilascio di idrogeno .
Con l'aiuto di misure speciali, è possibile impedire l'evoluzione dell'idrogeno entro certi limiti, ma i metalli con un potenziale normale inferiore a 1 V (ad esempio magnesio, alluminio, metalli alcalino terrosi) non possono essere ottenuti mediante elettrolisi da un soluzione acquosa. Si ottengono per decomposizione dei sali fusi di questi metalli.
Normali potenziali di elettrodo delle sostanze indicate in tabella.1, sono i minimi ai quali inizia il processo di elettrolisi, in pratica sono richiesti grandi valori del potenziale per lo svolgimento del processo.
La differenza tra il potenziale effettivo di un elettrodo durante l'elettrolisi e il suo potenziale normale è chiamata sovratensione. Aumenta le perdite di energia durante l'elettrolisi.
D'altra parte, l'aumento della sovratensione per gli ioni idrogeno ne rende difficile il rilascio al catodo, il che rende possibile ottenere per elettrolisi da soluzioni acquose un numero di metalli più negativi dell'idrogeno, come piombo, stagno, nichel , cobalto, cromo e persino zinco. Ciò si ottiene conducendo il processo a densità di corrente maggiori sugli elettrodi, nonché introducendo determinate sostanze nell'elettrolita.
Il corso delle reazioni catodiche e anodiche durante l'elettrolisi è determinato dalle seguenti due leggi di Faraday.
1. La massa della sostanza md rilasciata durante l'elettrolisi nel catodo o passata dall'anodo all'elettrolita è proporzionale alla quantità di elettricità passata attraverso l'elettrolita Azτ: me = α/τ, qui a è l'equivalente elettrochimico della sostanza , g/do.
2. La massa della sostanza rilasciata durante l'elettrolisi con la stessa quantità di elettricità è direttamente proporzionale alla massa atomica della sostanza A e inversamente proporzionale alla sua valenza n: mNS = A / 96480n, qui 96480 è il numero di Faraday, C x mol -1.
In questo modo, l'equivalente elettrochimico di una sostanza α= A / 96480n rappresenta la massa di una sostanza in grammi rilasciata da una quantità unitaria di elettricità che passa attraverso il bagno elettrolitico — un coulomb (ampere-secondo).
Per rame A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, per nichel α =0,000304 g/C, per zinco α = 0,00034 g/C
Il rapporto tra la massa della sostanza effettivamente rilasciata e la sua massa che avrebbe dovuto essere rilasciata secondo la legge di Faraday è chiamato rendimento attuale della sostanza η1.
Pertanto, per un processo reale mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It
Naturalmente sempre η1
L'efficienza attuale dipende in modo significativo dalla densità di corrente dell'elettrodo. All'aumentare della densità di corrente dell'elettrodo, l'efficienza della corrente aumenta e l'efficienza del processo aumenta.
La tensione Uel che deve essere fornita all'elettrolizzatore è composta da: tensione di rottura Ep (differenza di potenziale delle reazioni anodiche e catodiche), somma delle sovratensioni anodiche e catodiche, caduta di tensione nell'elettrolita Ep, caduta di tensione nell'elettrolita Ue = IRep (Rep - resistenza elettrolitica), caduta di tensione nei pneumatici, contatti, elettrodi Uc = I(Rw +Rto +RNS). Otteniamo: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.
La potenza consumata durante l'elettrolisi è pari a: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)
Di questa potenza, solo il primo componente viene utilizzato per condurre reazioni, il resto sono perdite di calore del processo. Solo durante l'elettrolisi dei sali fusi, parte del calore rilasciato nell'elettrolita IUe viene utilmente utilizzato, poiché viene speso per fondere i sali caricati nell'elettrolizzatore.
L'efficienza del bagno di elettrolisi può essere stimata dalla massa di sostanza in grammi rilasciata per 1 J di elettricità consumata.Questo valore è chiamato il rendimento energetico di una sostanza e può essere trovato dall'espressione qe = (αη1) /Uel100, qui α — equivalente elettrochimico di una sostanza, g / C, η1 — corrente erogata, Uemail — tensione di un elettrolitico cella, v.