Hvad er elektrolyse, og hvor kan den anvendes?

Spørgsmålet om, hvad elektrolyse er, er blevet diskuteret siden fysikskolen og er ikke nogen hemmelighed for de fleste mennesker. En anden ting er dens betydning og praktiske anvendelse. Denne proces anvendes med stor fordel i forskellige industrier og kan være praktisk for den private handyman.

Hvad er elektrolyse?

Elektrolyse er et kompleks af specifikke processer i et elektrode- og elektrolytsystem med en konstant elektrisk strøm. Dens mekanisme er baseret på generering af en ionisk strøm. Elektrolytten er en type 2-leder (ionisk ledningsevne), hvor der sker en elektrolytisk dissociation. Dette indebærer en nedbrydning i ioner med positive (cation) og negative (anion) afgift.

Et elektrolysesystem indeholder nødvendigvis en positiv (anode) og en negativ (katode) elektrode. Når der påføres en elektrisk jævnstrøm, bevæger kationer sig mod katoden og anioner mod anoden. Kationerne er hovedsagelig metalioner og hydrogen, og anionerne er oxygen og klor. Ved katoden får kationerne overskydende elektroner, hvilket muliggør reduktionsreaktionen Men+ + ne → Me (hvor n er metallets valens). Ved anoden gives derimod elektroner tilbage fra anionen, og oxidationsreaktionen finder sted.

Redoxprocessen er således sikret i systemet. Det vigtige er imidlertid, at processen kræver energi. Denne skal leveres af en ekstern strømkilde.

Faradays love for elektrolyse

Den store fysiker M. Faraday gjorde det ikke kun muligt med sin forskning at forstå elektrolysen, men også at foretage de nødvendige beregninger til dens gennemførelse. I 1832 udkom hans love, som forbandt de vigtigste parametre for de processer, der fandt sted.

Den første lov

Faradays første lov siger, at massen af et stof, der reduceres ved anoden, er direkte proportional med den elektriske ladning, der induceres i elektrolytten: m = kq = k*I*t, hvor q er ladningen, k er stoffets koefficient eller elektrokemiske ækvivalent, I er den strøm, der løber gennem elektrolytten, og t er tiden, hvor strømmen løber.

Anden lov

Faradays anden lov gjorde det muligt at bestemme proportionalitetskoefficienten k. Den lyder således: Den elektrokemiske ækvivalent af et stof er direkte proportional med dets molarmasse og omvendt proportional med dets valens. Loven er udtrykt på følgende måde:

k = 1/F*A/zhvor F er Faradays konstant, A er stoffets molarmasse, z er dets kemiske valens.

Ved at tage hensyn til begge love kan vi udlede den endelige formel til beregning af massen af det stof, der aflejres på elektroden: m = A*I*t/(n*F)hvor n er antallet af elektroner, der er involveret i elektrolysen. Normalt svarer n til ionens ladning. Ud fra et praktisk synspunkt er det vigtigt at relatere stoffets masse til den anvendte strøm, hvilket gør det muligt at styre processen ved at variere dens styrke.

Elektrolyse af smelte

En variant af elektrolyse er at bruge en smeltet masse som elektrolyt. I dette tilfælde er det kun smelteionerne, der er involveret i den elektrolytiske proces. Et klassisk eksempel er elektrolyse af saltsmeltet NaCl (bordsalt). Negative ioner strømmer til anoden, hvilket betyder, at der frigøres gas (Cl). Ved katoden vil der ske en reduktion af metallet, dvs. udskillelse af rent Na, der dannes af de positive ioner, som har tiltrukket overskydende elektroner. Andre metaller kan fremstilles på lignende måde (K, Ca, Li osv.) fra opløsningen af de respektive salte.

Ved smelteelektrolyse opløses elektroderne ikke, men deltager kun som strømkilde. Metal, grafit og visse halvledere kan anvendes til deres fremstilling. Det er vigtigt, at materialet har tilstrækkelig ledningsevne. Et af de mest almindelige materialer er kobber.

Funktioner af elektrolyse i opløsninger

Elektrolyse i en vandig opløsning er helt anderledes end smelteelektrolyse. Her er der 3 konkurrerende processer: oxidation af vand, der giver ilt, oxidation af anionen og anodisk opløsning af metallet. Processen involverer vandioner, elektrolytten og anoden. Reduktionen af brint, elektrolytkationer og anodemetal kan således finde sted ved katoden.

Hvorvidt disse konkurrerende processer kan finde sted, afhænger af systemets elektriske potentiale. Kun den proces, der kræver mindre ekstern energi, vil finde sted. Derfor vil de kationer med det højeste elektrodepotentiale blive reduceret ved katoden, og anionerne med det laveste potentiale vil blive oxideret ved anoden. Elektrodepotentialet for brint antages at være "0". I kalium er det f.eks. lig med (-2,93 В), natrium er (-2,71 В), bly (-0,13 В), og for sølv er det (+0,8 В).

Elektrolyse i gasser

Gassen kan kun fungere som elektrolyt, hvis der er en ionisator til stede. I dette tilfælde strømmer strømmen gennem det ioniserede medium og forårsager den nødvendige proces ved elektroderne. Faradays love gælder ikke for gaselektrolyse. Sådanne betingelser er nødvendige for at realisere den:

1. Hverken høj spænding eller høj strøm kan hjælpe uden kunstig ionisering af gassen.
2. Kun iltfrie gasformige syrer og visse gasser er egnede til elektrolyse.

Vigtigt! Processen forløber på samme måde som elektrolyse i en flydende elektrolyt, hvis de nødvendige betingelser er opfyldt.

Karakteristika ved de processer, der finder sted ved katoden og anoden

For den praktiske anvendelse af elektrolyse er det vigtigt at forstå, hvad der sker ved begge elektroder, når der påføres en elektrisk strøm. Følgende processer er karakteristiske:

1. Katode. De positivt ladede ioner styrter hen imod den. Det er her, at reduktionen af metaller eller frigivelsen af brint finder sted. Der kan skelnes mellem flere kategorier af metaller efter deres kationiske aktivitet. Metaller som Li, K, Ba, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al reduceres kun godt fra smeltede salte. Hvis der anvendes en opløsning, frigøres hydrogen ved elektrolyse af vand. Følgende metaller kan genvindes i opløsning, men ved en tilstrækkelig koncentration af kationer - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Processen er nemmest for Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anode. Negativt ladede ioner føres til denne elektrode. Når de oxiderer, tager de elektroner fra metallet, hvilket fører til deres anodiske opløsning, dvs. Anionerne omdannes til positivt ladede ioner, som ledes mod katoden. Anionerne er også opdelt efter deres aktivitet. Kun anionerne PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F kan udledes fra smeltevandet. I vandige opløsninger er de ikke udsat for elektrolyse, men vand med frigivelse af ilt. De lettest reagerende anioner er OH, Cl, I, S og Br.

Ved elektrolyse er det vigtigt at tage hensyn til elektrodematerialets tendens til at oxidere. Der skelnes mellem inaktive og aktive anoder. Inerte elektroder er fremstillet af grafit, kulstof eller platin og er ikke involveret i tilførslen af ioner.

Faktorer, der påvirker elektrolyseprocessen

Elektrolyseprocessen afhænger af følgende faktorer

1. Sammensætningen af elektrolytten. De forskellige typer urenheder har en betydelig indflydelse. De er opdelt i 3 typer - kationer, anioner og organiske stoffer. Stofferne kan være mere eller mindre negative end grundmetallet, og det forstyrrer processen. Blandt de organiske urenheder er der forurenende stoffer (f.eks. olier) og overfladeaktive stoffer. Deres koncentrationer ligger på de maksimalt tilladte værdier.
2. Strømtæthed. I overensstemmelse med Faradays lov øges massen af det deponerede stof med strømstyrken. Der opstår imidlertid ugunstige omstændigheder - koncentreret polarisering, øget spænding, kraftig opvarmning af elektrolytten. På denne baggrund findes der optimale værdier for strømtætheden i hvert enkelt tilfælde.
3. elektrolyt-pH. Mediets surhedsgrad vælges også med henblik på metaller. F.eks. er den optimale pH-værdi for zink 140 g/cc.
4. Elektrolyttemperatur. Dette har en tvetydig virkning. Når temperaturen stiger, øges elektrolysehastigheden, men det samme gør aktiviteten af urenhederne. Der findes en optimal temperatur for hver proces. Den er normalt mellem 38 og 45 grader.

Vigtigt! Elektrolyse kan fremskyndes eller bremses af forskellige påvirkninger og valg af elektrolytsammensætning. For hver enkelt anvendelse er der en anden ordning, som skal overholdes nøje.

Hvor anvendes elektrolyse?

Elektrolyse anvendes til mange formål. Der er flere forskellige hovedanvendelser, som kan skelnes efter praktiske resultater.

Galvanisering

Et tyndt, hårdt galvanisk metallag kan påføres ved elektrolyse. Den belagte genstand anbringes i et bad som katode, og elektrolytten indeholder et salt af det ønskede metal. På denne måde kan du belægge stål med zink, krom eller tin.

Elektraffinering - raffinering af kobber

Et eksempel på en elektrobehandlingsproces ville være katode - rent kobber anode - kobber med urenheder, elektrolyt - vandig opløsning af kobbersulfat. Kobber fra anoden omdannes til ioner og aflejres i katoden uden urenheder.

Metaludvinding

For at udvinde metaller fra salte smeltes metallerne og elektrolyseres derefter i smeltet. Denne proces er ret effektiv til udvinding af aluminium fra bauxit, natrium og kalium.

Anodisering

Ved denne proces fremstilles belægningen af ikke-metalliske forbindelser. Det klassiske eksempel er anodisering af aluminium. Aluminiumdelen er monteret som en anode. Elektrolytten er en opløsning af svovlsyre. Som følge af elektrolysen aflejres et lag aluminiumoxid på anoden, som har beskyttende og dekorative egenskaber. Ovennævnte teknologier anvendes i vid udstrækning i forskellige industrier. Det er også muligt at udføre processerne med dine egne hænder og på en sikker måde.

Energiomkostninger

Elektrolyse kræver en stor mængde energi. Processen vil være af praktisk værdi, hvis den anodiske strøm er tilstrækkelig, hvilket kræver en betydelig jævnstrøm fra strømkilden. Desuden giver den sidespændingstab - anodiske og katodiske overspændinger og tab i elektrolytten på grund af dens modstand. Et anlægs effektivitet bestemmes ved at sætte den tilførte energi i forhold til enheden af den nyttige masse af det fremstillede stof.

Elektrolyse har længe været anvendt i industrien med høj effektivitet. Anodisering og galvanisering er blevet almindelige i hverdagen, og materialeudvinding og -forarbejdning hjælper med at udvinde mange metaller fra malm. Processen kan planlægges og beregnes ved at kende dens grundlæggende mønstre.

Relaterede artikler: