Ano ang electrolysis at saan ito ginagamit?

Ang tanong kung ano ang electrolysis ay isinasaalang-alang sa kurso ng pisika ng paaralan, at para sa karamihan ng mga tao ito ay hindi isang lihim. Ang isa pang bagay ay ang kahalagahan at praktikal na aplikasyon nito. Ang prosesong ito ay ginagamit nang may malaking pakinabang sa iba't ibang industriya at maaaring maging kapaki-pakinabang para sa manggagawa sa bahay.

Ano ang electrolysis?

Ang electrolysis ay isang kumplikado ng mga tiyak na proseso sa sistema ng mga electrodes at electrolyte kapag ang isang direktang electric current ay dumadaloy dito. Ang mekanismo nito ay batay sa paglitaw ng isang ionic current. Ang electrolyte ay isang uri 2 konduktor (ionic conductivity) kung saan nangyayari ang electrolytic dissociation. Ito ay nauugnay sa agnas sa mga ion na may positibong (kasyon) at negatibo (anion) singilin.

Ang sistema ng electrolysis ay kinakailangang naglalaman ng positibo (anode) at negatibo (katod) elektrod. Kapag ang isang direktang electric current ay inilapat, ang mga cation ay nagsisimulang lumipat patungo sa katod, at mga anion - patungo sa anode. Ang mga cation ay pangunahing mga metal ions at hydrogen, at ang mga anion ay oxygen, chlorine. Sa cathode, ang mga cation ay nakakabit ng labis na mga electron sa kanilang sarili, na nagsisiguro sa paglitaw ng reaksyon ng pagbawas Men+ + ne → Me (kung saan ang n ay ang valency ng metal). Sa anode, sa kabaligtaran, ang isang elektron ay naibigay mula sa anion na may isang oxidative reaction na nagaganap.

Kaya, ang isang proseso ng redox ay ibinigay sa system. Mahalagang isaalang-alang na para sa daloy nito, kinakailangan ang naaangkop na enerhiya. Dapat itong ibigay ng isang panlabas na kasalukuyang pinagmulan.

Ang mga batas ng electrolysis ni Faraday

Ang mahusay na physicist na si M. Faraday, kasama ang kanyang pananaliksik, ay naging posible hindi lamang upang maunawaan ang likas na katangian ng electrolysis, kundi pati na rin upang gawin ang mga kinakailangang kalkulasyon para sa pagpapatupad nito. Noong 1832, lumitaw ang kanyang mga batas, na nag-uugnay sa mga pangunahing parameter ng patuloy na proseso.

Unang batas

Ang unang batas ni Faraday ay nagsasaad na ang mass ng substance na binabawasan sa anode ay direktang proporsyonal sa electric charge na na-induce sa electrolyte: m = kq = k*I*t, kung saan ang q ay ang charge, k ang coefficient o electrochemical equivalent. ng sangkap, ang I ay ang lakas ng kasalukuyang dumadaloy sa electrolyte, t ay ang kasalukuyang oras ng pagpasa.

Pangalawang batas

Ang pangalawang batas ni Faraday ay naging posible upang matukoy ang koepisyent ng proporsyonalidad k. Parang ganito: ang electrochemical equivalent ng anumang substance ay direktang proporsyonal sa molar mass nito at inversely proportional sa valency. Ang batas ay ipinahayag bilang:

k = 1/F*A/z, kung saan ang F ay ang Faraday constant, A ay ang molar mass ng substance, z ang chemical valency nito.

Isinasaalang-alang ang parehong mga batas, posible na makuha ang pangwakas na pormula para sa pagkalkula ng masa na idineposito sa elektrod ng sangkap: m = A*I*t/(n*F), kung saan ang n ay ang bilang ng mga electron na kasangkot sa electrolysis. Karaniwan ang n ay tumutugma sa singil ng ion. Mula sa isang praktikal na pananaw, ang koneksyon sa pagitan ng masa ng isang sangkap at ang inilapat na kasalukuyang ay mahalaga, na ginagawang posible na kontrolin ang proseso sa pamamagitan ng pagbabago ng lakas nito.

Matunaw ang electrolysis

Ang isa sa mga pagpipilian para sa electrolysis ay ang paggamit ng isang matunaw bilang isang electrolyte. Sa kasong ito, ang mga natutunaw na ion lamang ang lumahok sa proseso ng electrolysis. Ang isang klasikong halimbawa ay ang electrolysis ng molten salt NaCl (asin). Ang mga negatibong ion ay dumadaloy sa anode, na nangangahulugan na ang gas ay inilabas (Cl). Ang pagbabawas ng metal ay magaganap sa katod, i.e. pagtitiwalag ng purong Na na nabuo mula sa mga positibong ion na nakakaakit ng labis na mga electron. Ang iba pang mga metal ay maaaring makuha sa katulad na paraan (K, Ca, Li, atbp.) mula sa masaker ng kaukulang mga asin.

Sa panahon ng electrolysis sa isang matunaw, ang mga electrodes ay hindi sumasailalim sa paglusaw, ngunit lumalahok lamang bilang isang kasalukuyang pinagmulan. Sa kanilang paggawa, maaari mong gamitin ang metal, grapayt, ilang semiconductors. Mahalaga na ang materyal ay may sapat na kondaktibiti. Ang isa sa mga pinaka-karaniwang materyales ay tanso.

Mga tampok ng electrolysis sa mga solusyon

Ang electrolysis sa isang may tubig na solusyon ay malaki ang pagkakaiba sa isang natutunaw. Tatlong prosesong nakikipagkumpitensya ang nagaganap dito: ang water oxidation na may oxygen evolution, anion oxidation, at anodic dissolution ng metal. Ang mga ion ng tubig, electrolyte at anode ay kasangkot sa proseso.Alinsunod dito, ang pagbabawas ng hydrogen, electrolyte cation, at anode metal ay maaaring mangyari sa cathode.

Ang posibilidad ng mga prosesong ito na nakikipagkumpitensya na nagaganap ay nakasalalay sa laki ng mga potensyal na elektrikal ng system. Ang proseso lamang na nangangailangan ng mas kaunting panlabas na enerhiya ang magpapatuloy. Dahil dito, ang mga cation na may pinakamataas na potensyal ng elektrod ay mababawasan sa katod, at ang mga anion na may pinakamababang potensyal ay ma-oxidized sa anode. Ang potensyal ng elektrod ng hydrogen ay kinuha bilang "0". Halimbawa, para sa potassium ito ay (-2.93V), sodium - (-2.71V), lead (-0.13V), habang ang pilak ay may (+0.8 V).

Electrolysis sa mga gas

Ang gas ay maaaring gumanap ng papel ng isang electrolyte lamang sa pagkakaroon ng isang ionizer. Sa kasong ito, ang kasalukuyang dumadaan sa ionized medium ay nagiging sanhi ng kinakailangang proseso sa mga electrodes. Gayunpaman, ang mga batas ng Faraday ay hindi nalalapat sa gas electrolysis. Para sa pagpapatupad nito, kinakailangan ang mga sumusunod na kondisyon:

1. Kung walang artipisyal na ionization ng gas, hindi makakatulong ang mataas na boltahe o mataas na kasalukuyang.
2. Ang mga acid lamang na hindi naglalaman ng oxygen at nasa isang gas na estado, at ilang mga gas ay angkop para sa electrolysis.

Mahalaga! Kapag natugunan ang mga kinakailangang kondisyon, ang proseso ay nagpapatuloy katulad ng electrolysis sa isang likidong electrolyte.

Mga tampok ng mga prosesong nagaganap sa cathode at anode

Para sa praktikal na aplikasyon ng electrolysis, mahalagang maunawaan kung ano ang nangyayari sa parehong mga electrodes kapag inilapat ang isang electric current. Ang mga karaniwang proseso ay:

1. Cathode. Sumugod dito ang mga positive charged na ion. Dito, nagaganap ang pagbabawas ng mga metal o ang ebolusyon ng hydrogen. Mayroong ilang mga kategorya ng mga metal ayon sa aktibidad ng cationic.Ang mga metal tulad ng Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al ay mahusay na nababawasan lamang mula sa mga tinunaw na asin. Kung ang isang solusyon ay ginagamit, pagkatapos ay ang hydrogen ay inilabas dahil sa electrolysis ng tubig. Posibleng makamit ang pagbawas sa solusyon, ngunit may sapat na konsentrasyon ng mga cation, para sa mga sumusunod na metal - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Ang proseso ay pinakamadaling nagpapatuloy para sa Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anode. Ang mga negatibong sisingilin na ion ay pumasok sa elektrod na ito. Oxidized, kumukuha sila ng mga electron mula sa metal, na humahantong sa kanilang anodic dissolution, i.e. paglipat sa mga positibong sisingilin na mga ion, na ipinadala sa katod. Ang mga anion ay inuri din ayon sa kanilang aktibidad. Ang ganitong mga anion na PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F ay maaaring ilabas lamang mula sa mga natutunaw. Ang mga anion tulad ng OH, Cl, I, S, Br ay pinakamadaling gumanti.

Kapag tinitiyak ang electrolysis, mahalagang isaalang-alang ang pagkahilig ng materyal na elektrod na mag-oxidize. Kaugnay nito, ang mga inert at aktibong anode ay namumukod-tangi. Ang mga inert electrodes ay gawa sa graphite, carbon o platinum at hindi nakikilahok sa supply ng mga ions.

Mga salik na nakakaapekto sa proseso ng electrolysis

Ang proseso ng electrolysis ay nakasalalay sa mga sumusunod na kadahilanan:

1. Komposisyon ng electrolyte. Ang iba't ibang mga impurities ay may malaking epekto. Ang mga ito ay nahahati sa 3 uri - cation, anion at organics. Ang mga sangkap ay maaaring mas marami o mas negatibo kaysa sa base metal, na nakakasagabal sa proseso. Sa mga organikong dumi, namumukod-tangi ang mga pollutant (hal. mga langis) at surfactant. Ang kanilang konsentrasyon ay may pinakamataas na pinahihintulutang halaga.
2. kasalukuyang density. Alinsunod sa mga batas ng Faraday, ang masa ng idinepositong sangkap ay tumataas sa pagtaas ng kasalukuyang lakas. Gayunpaman, lumitaw ang hindi kanais-nais na mga pangyayari - puro polariseysyon, nadagdagan ang boltahe, matinding pag-init ng electrolyte. Sa pag-iisip na ito, mayroong pinakamainam na kasalukuyang mga halaga ng density para sa bawat partikular na kaso.
3. electrolyte pH. Ang kaasiman ng kapaligiran ay pinili din na isinasaalang-alang ang mga metal. Halimbawa, ang pinakamainam na halaga ng electrolyte acidity para sa zinc ay 140 g/cu.dm.
4. Temperatura ng electrolyte. Ito ay may hindi maliwanag na epekto. Sa pagtaas ng temperatura, ang rate ng electrolysis ay tumataas, ngunit ang aktibidad ng mga impurities ay tumataas din. Mayroong pinakamainam na temperatura para sa bawat proseso. Kadalasan ito ay nasa hanay na 38-45 degrees.

Mahalaga! Ang electrolysis ay maaaring mapabilis o mabagal sa pamamagitan ng iba't ibang mga impluwensya at pagpili ng komposisyon ng electrolyte. Ang bawat aplikasyon ay may sariling regimen, na dapat na mahigpit na sundin.

Saan ginagamit ang electrolysis?

Ginagamit ang electrolysis sa maraming lugar. Mayroong ilang mga pangunahing lugar ng paggamit para sa pagkuha ng mga praktikal na resulta.

Electroplating

Ang isang manipis, matibay na plating ng metal ay maaaring ilapat sa pamamagitan ng electrolysis. Ang produkto na pinahiran ay naka-install sa paliguan sa anyo ng isang katod, at ang electrolyte ay naglalaman ng asin ng nais na metal. Kaya maaari mong takpan ang bakal na may sink, kromo o lata.

Electrorefining - pagpino ng tanso

Ang isang halimbawa ng paglilinis ng kuryente ay maaaring ang sumusunod na opsyon: katod - purong tanso anode - tanso na may mga dumi, electrolyte - isang may tubig na solusyon ng tansong sulpate. Ang tanso mula sa anode ay pumasa sa mga ion at naninirahan sa katod na wala nang mga dumi.

Pagmimina ng metal

Upang makakuha ng mga metal mula sa mga asing-gamot, inilipat sila sa matunaw, at pagkatapos ay ibinibigay ang electrolysis dito. Ang ganitong paraan ay medyo epektibo para sa pagkuha ng aluminyo mula sa mga bauxite, sodium at potassium.

Anodizing

Sa prosesong ito, ang patong ay ginawa mula sa mga non-metallic compound. Ang isang klasikong halimbawa ay aluminyo anodizing. Ang bahagi ng aluminyo ay naka-install bilang isang anode. Ang electrolyte ay isang solusyon ng sulfuric acid. Bilang resulta ng electrolysis, ang isang layer ng aluminum oxide ay idineposito sa anode, na may proteksiyon at pandekorasyon na mga katangian. Ang mga teknolohiyang ito ay malawakang ginagamit sa iba't ibang industriya. Maaari mong isagawa ang mga proseso gamit ang iyong sariling mga kamay bilang pagsunod sa mga regulasyon sa kaligtasan.

Mga gastos sa enerhiya

Ang electrolysis ay nangangailangan ng mataas na gastos sa enerhiya. Ang proseso ay magiging praktikal na halaga kung ang anode kasalukuyang ay sapat, at para dito kinakailangan na mag-aplay ng isang makabuluhang direktang kasalukuyang mula sa pinagmumulan ng kapangyarihan. Bilang karagdagan, kapag ito ay isinasagawa, ang mga pagkalugi sa gilid ng boltahe ay nangyayari - anode at cathode overvoltage, pagkalugi sa electrolyte dahil sa paglaban nito. Ang kahusayan ng pag-install ay natutukoy sa pamamagitan ng pag-uugnay ng kapangyarihan ng pagkonsumo ng enerhiya sa isang yunit ng kapaki-pakinabang na masa ng nakuha na sangkap.

Ang electrolysis ay ginagamit sa industriya sa mahabang panahon at may mataas na kahusayan. Ang anodized at electroplated coatings ay naging pangkaraniwan sa pang-araw-araw na buhay, at ang pagmimina at beneficiation ng mga materyales ay nakakatulong sa pagkuha ng maraming metal mula sa ore. Maaaring planuhin at kalkulahin ang proseso, alam ang mga pangunahing pattern nito.

Mga katulad na artikulo: