इलेक्ट्रोलिसिस क्या है और इसका उपयोग कहाँ किया जाता है?

इलेक्ट्रोलिसिस क्या है इस सवाल को हाई स्कूल भौतिकी पाठ्यक्रम के रूप में संबोधित किया जाता है, और अधिकांश लोगों के लिए यह कोई रहस्य नहीं है। एक और बात इसका महत्व और व्यावहारिक अनुप्रयोग है। इस प्रक्रिया का उपयोग विभिन्न उद्योगों में बड़े लाभ के साथ किया जाता है और यह घरेलू शिल्पकार के लिए उपयोगी हो सकता है।

इलेक्ट्रोलिसिस क्या है?

इलेक्ट्रोलिसिस इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट की एक प्रणाली में विशिष्ट प्रक्रियाओं का एक जटिल है जब एक प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह इसके माध्यम से बहता है। इसका तंत्र एक आयनिक धारा की उत्पत्ति पर आधारित है। इलेक्ट्रोलाइट एक टाइप 2 कंडक्टर है (आयनिक चालकता) जिसमें इलेक्ट्रोलाइटिक पृथक्करण होता है। इसमें सकारात्मक के साथ आयनों में अपघटन शामिल है (कटियन) और नकारात्मक (ऋणायन) शुल्क।

एक इलेक्ट्रोलाइटिक प्रणाली में आवश्यक रूप से एक सकारात्मक (एनोड) और एक नकारात्मक (कैथोड) इलेक्ट्रोड। जब एक प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह लागू किया जाता है, तो धनायन कैथोड की ओर बढ़ने लगते हैं और आयन एनोड की ओर बढ़ते हैं।धनायन मुख्य रूप से धातु आयन और हाइड्रोजन हैं, और आयन ऑक्सीजन और क्लोरीन हैं। कैथोड पर, धनायन अपने आप में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को संलग्न करते हैं, जिससे कमी प्रतिक्रिया की अनुमति मिलती है Men+ + ne → Me (जहाँ n धातु की संयोजकता है) एनोड पर, इसके विपरीत, आयनों से ऑक्सीडेटिव प्रतिक्रिया होने पर इलेक्ट्रॉनों को छोड़ दिया जाता है।

इस प्रकार, सिस्टम में रेडॉक्स प्रक्रिया सुनिश्चित की जाती है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि इसके घटित होने के लिए उपयुक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह एक बाहरी वर्तमान स्रोत द्वारा प्रदान किया जाना चाहिए।

फैराडे के इलेक्ट्रोलिसिस के नियम

महान भौतिक विज्ञानी एम. फैराडे ने अपने शोध के माध्यम से न केवल इलेक्ट्रोलिसिस की प्रकृति को समझना संभव बनाया, बल्कि इसके कार्यान्वयन के लिए आवश्यक गणना भी की। 1832 में उनके कानून सामने आए, जो होने वाली प्रक्रियाओं के मुख्य मापदंडों को जोड़ते हैं।

पहला कानून

फैराडे के पहले नियम में कहा गया है कि एनोड पर घटे हुए पदार्थ का द्रव्यमान इलेक्ट्रोलाइट में प्रेरित विद्युत आवेश के समानुपाती होता है: m = kq = k*I*t, जहाँ q आवेश है, k गुणांक या विद्युत रासायनिक समतुल्य है पदार्थ, I इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से बहने वाली धारा है, t वर्तमान प्रवाह का समय है।

दूसरा कानून

फैराडे के दूसरे नियम ने आनुपातिकता k के गुणांक को निर्धारित करना संभव बना दिया। यह इस प्रकार पढ़ता है: किसी भी पदार्थ का विद्युत रासायनिक समतुल्य उसके दाढ़ द्रव्यमान के सीधे आनुपातिक होता है और इसकी संयोजकता के व्युत्क्रमानुपाती होता है। कानून के रूप में व्यक्त किया गया है:

के = 1/एफ*ए/जेडजहाँ F फैराडे नियतांक है, A पदार्थ का मोलर द्रव्यमान है, z इसकी रासायनिक संयोजकता है।

दोनों नियमों को ध्यान में रखते हुए, हम इलेक्ट्रोड पर जमा पदार्थ के द्रव्यमान की गणना के लिए अंतिम सूत्र प्राप्त कर सकते हैं: एम = ए * आई * टी / (एन * एफ)जहां n इलेक्ट्रोलिसिस में शामिल इलेक्ट्रॉनों की संख्या है। आमतौर पर n आयन के आवेश से मेल खाता है।व्यावहारिक दृष्टिकोण से, पदार्थ के द्रव्यमान को आपूर्ति की गई धारा से जोड़ना महत्वपूर्ण है, जिससे इसकी ताकत को बदलकर प्रक्रिया को नियंत्रित करना संभव हो जाता है।

पिघलने का इलेक्ट्रोलिसिस

इलेक्ट्रोलिसिस के लिए एक विकल्प इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पिघल का उपयोग करना है। इस मामले में, इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया में केवल पिघले हुए आयन शामिल होते हैं। एक उत्कृष्ट उदाहरण नमक पिघला हुआ NaCl का इलेक्ट्रोलिसिस है (नमक) ऋणात्मक आयन एनोड की ओर भागते हैं, जिसका अर्थ है कि गैस निकलती है (क्लोरीन) कैथोड पर धातु की कमी होगी, यानी सकारात्मक आयनों से बने शुद्ध Na का बसना जो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है। इसी तरह, अन्य धातुओं का उत्पादन किया जा सकता है (के, सीए, ली, आदि।) संबंधित लवण के पिघलने से।

पिघल में इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान, इलेक्ट्रोड भंग नहीं होते हैं, लेकिन केवल एक वर्तमान स्रोत के रूप में भाग लेते हैं। इनके निर्माण में धातु, ग्रेफाइट और कुछ अर्धचालकों का उपयोग किया जा सकता है। यह महत्वपूर्ण है कि सामग्री में पर्याप्त चालकता हो। सबसे आम सामग्रियों में से एक तांबा है।

समाधान में इलेक्ट्रोलिसिस की विशेषताएं

एक जलीय घोल में इलेक्ट्रोलिसिस पिघल से काफी अलग है। 3 प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाएं हैं: ऑक्सीजन की रिहाई के साथ पानी का ऑक्सीकरण, आयनों का ऑक्सीकरण और धातु का एनोडिक विघटन। इस प्रक्रिया में पानी के आयन, इलेक्ट्रोलाइट और एनोड शामिल हैं। तदनुसार, कैथोड पर हाइड्रोजन, इलेक्ट्रोलाइट केशन और एनोड धातु की कमी हो सकती है।

इन प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाओं के होने की क्षमता सिस्टम की विद्युत क्षमता पर निर्भर करती है। केवल वही प्रक्रिया आगे बढ़ेगी जिसमें कम बाहरी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। नतीजतन, कैथोड पर अधिकतम इलेक्ट्रोड क्षमता वाले धनायन कम हो जाएंगे, और सबसे कम क्षमता वाले आयनों को एनोड पर ऑक्सीकृत किया जाएगा। हाइड्रोजन का इलेक्ट्रोड विभव "0" के रूप में लिया जाता है। उदाहरण के लिए, पोटेशियम में यह बराबर है (-2,93), सोडियम के बराबर है (-2,71), प्रमुख (-0,13), और चांदी के लिए - (+0,8).

गैसों में इलेक्ट्रोलिसिस

एक गैस केवल एक आयनकार की उपस्थिति में इलेक्ट्रोलाइट की भूमिका निभा सकती है। इस मामले में, आयनित माध्यम से गुजरने वाली एक धारा इलेक्ट्रोड पर आवश्यक प्रक्रिया का कारण बनती है। फैराडे के नियम गैस इलेक्ट्रोलिसिस पर लागू नहीं होते हैं। इसकी प्राप्ति के लिए ऐसी शर्तें आवश्यक हैं:

1. गैस के कृत्रिम आयनीकरण के बिना, न तो उच्च वोल्टेज और न ही उच्च धारा मदद करेगी।
2. गैसीय अवस्था में केवल ऑक्सीजन मुक्त अम्ल और कुछ गैसें इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उपयुक्त होती हैं।

महत्वपूर्ण! यदि आवश्यक शर्तें पूरी हो जाती हैं, तो प्रक्रिया एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में इलेक्ट्रोलिसिस के समान होती है।

कैथोड और एनोड पर होने वाली प्रक्रियाओं की ख़ासियत

इलेक्ट्रोलिसिस के व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए, यह समझना महत्वपूर्ण है कि विद्युत प्रवाह लागू होने पर दोनों इलेक्ट्रोड पर क्या होता है। निम्नलिखित प्रक्रियाएं विशेषता हैं:

1. कैथोड। धनावेशित आयन उसकी ओर भागते हैं। यहीं पर धातुओं का अपचयन या हाइड्रोजन का विमोचन होता है। धातुओं की कई श्रेणियों को उनकी धनायनित गतिविधि के अनुसार प्रतिष्ठित किया जा सकता है। Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al जैसी धातुएँ केवल गलित लवणों से ही अपचित होती हैं। यदि किसी घोल का उपयोग किया जाता है, तो पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के कारण हाइड्रोजन निकलता है। निम्नलिखित धातुओं - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb में समाधान में कमी प्रदान करना संभव है, लेकिन पर्याप्त मात्रा में धनायनों के साथ। Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg के लिए प्रक्रिया सबसे आसान है।
2. एनोड। इस इलेक्ट्रोड पर ऋणावेशित आयन आते हैं। उनका ऑक्सीकरण करते हुए, वे इलेक्ट्रॉनों को धातु से दूर ले जाते हैं, जिससे उनका एनोडिक विघटन होता है, यानी आयनों को सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों में बदल दिया जाता है, जो कैथोड की ओर निर्देशित होते हैं। आयनों को भी उनकी गतिविधि के अनुसार उप-विभाजित किया जाता है। केवल PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F आयनों को पिघलने से छोड़ा जा सकता है। जलीय घोलों में, वे इलेक्ट्रोलिसिस के अधीन नहीं होते हैं, लेकिन ऑक्सीजन की रिहाई के साथ पानी। OH, Cl, I, S, Br जैसे आयन सबसे आसानी से प्रतिक्रिया करते हैं।

इलेक्ट्रोलिसिस प्रदान करते समय, इलेक्ट्रोड सामग्री के ऑक्सीकरण की प्रवृत्ति पर विचार करना महत्वपूर्ण है। इस संबंध में, निष्क्रिय और सक्रिय एनोड प्रतिष्ठित हैं। निष्क्रिय इलेक्ट्रोड ग्रेफाइट, कोयले या प्लैटिनम से बने होते हैं और आयनों की आपूर्ति में शामिल नहीं होते हैं।

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले कारक

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करती है:

1. इलेक्ट्रोलाइट की संरचना. विभिन्न अशुद्धियों द्वारा एक महत्वपूर्ण प्रभाव डाला जाता है। वे 3 प्रकारों में विभाजित हैं - धनायन, ऋणायन और कार्बनिक। पदार्थ बेस मेटल की तुलना में कम या ज्यादा नकारात्मक हो सकते हैं, जो प्रक्रिया में हस्तक्षेप करते हैं। कार्बनिक अशुद्धियों में संदूषक (जैसे तेल) और सर्फेक्टेंट हैं। उनकी सांद्रता में सीमा मान होते हैं।
2. वर्तमान घनत्व. फैराडे के नियमों के अनुसार, वर्तमान ताकत बढ़ने पर जमा पदार्थ का द्रव्यमान बढ़ता है। हालांकि, प्रतिकूल परिस्थितियां उत्पन्न होती हैं - केंद्रित ध्रुवीकरण, बढ़ा हुआ वोल्टेज, इलेक्ट्रोलाइट का तीव्र ताप। इसे ध्यान में रखते हुए, प्रत्येक मामले के लिए वर्तमान घनत्व के इष्टतम मूल्य हैं।
3. इलेक्ट्रोलाइट का पीएच. माध्यम की अम्लता को भी धातुओं को ध्यान में रखकर चुना जाता है। उदाहरण के लिए, जिंक के लिए इलेक्ट्रोलाइट की अम्लता का इष्टतम मूल्य 140 g/cc है।
4. इलेक्ट्रोलाइट तापमान. इसका अस्पष्ट प्रभाव है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इलेक्ट्रोलिसिस की दर बढ़ जाती है, लेकिन अशुद्धियों की गतिविधि भी बढ़ जाती है। प्रत्येक प्रक्रिया के लिए एक इष्टतम तापमान होता है। यह आमतौर पर 38-45 डिग्री के बीच होता है।

महत्वपूर्ण! इलेक्ट्रोलिसिस को विभिन्न प्रभावों और इलेक्ट्रोलाइट संरचना की पसंद से तेज या धीमा किया जा सकता है। प्रत्येक एप्लिकेशन का अपना मोड होता है, जिसे सख्ती से देखा जाना चाहिए।

इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग कहाँ किया जाता है?

इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग कई अनुप्रयोगों में किया जाता है। व्यावहारिक परिणामों के लिए कई प्रमुख उपयोगों की पहचान की जा सकती है।

विद्युत

इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा धातु की एक पतली, टिकाऊ गैल्वेनिक कोटिंग लागू की जा सकती है।लेपित होने वाली वस्तु को कैथोड के रूप में स्नान में रखा जाता है, और इलेक्ट्रोलाइट में वांछित धातु का नमक होता है। इस प्रकार स्टील को जस्ता, क्रोमियम या टिन के साथ चढ़ाया जा सकता है।

इलेक्ट्रोट्रीटमेंट - रिफाइनिंग कॉपर

विद्युत शोधन का एक उदाहरण यह विकल्प है: कैथोड - शुद्ध तांबा, एनोड - अशुद्धियों के साथ तांबा, इलेक्ट्रोलाइट - कॉपर सल्फेट का जलीय घोल। एनोड से कॉपर आयनों में बदल जाता है और बिना अशुद्धियों के कैथोड में जमा हो जाता है।

धातु निष्कर्षण।

लवणों से धातुएँ प्राप्त करने के लिए उन्हें गलन में स्थानांतरित किया जाता है और फिर उसमें इलेक्ट्रोलिसिस प्रदान किया जाता है। बॉक्साइट, सोडियम और पोटैशियम से एल्युमिनियम प्राप्त करने के लिए यह विधि काफी प्रभावी है।

एनोडाइजिंग

इस प्रक्रिया में, कोटिंग गैर-धातु यौगिकों से बनाई जाती है। क्लासिक उदाहरण एल्यूमीनियम एनोडाइजिंग है। एल्युमिनियम वाला हिस्सा एनोड की तरह लगा होता है। इलेक्ट्रोलाइट सल्फ्यूरिक एसिड का एक समाधान है। इलेक्ट्रोलिसिस के परिणामस्वरूप, एनोड पर एल्यूमीनियम ऑक्साइड की एक परत जमा होती है, जिसमें सुरक्षात्मक और सजावटी गुण होते हैं। इन तकनीकों का व्यापक रूप से विभिन्न उद्योगों में उपयोग किया जाता है। प्रक्रियाओं को अपने हाथों से सुरक्षित तरीके से करना भी संभव है।

ऊर्जा लागत

इलेक्ट्रोलिसिस के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यदि एनोडिक करंट पर्याप्त है तो प्रक्रिया व्यावहारिक मूल्य की होगी, और इसके लिए विद्युत शक्ति स्रोत से काफी प्रत्यक्ष करंट लगाना आवश्यक है। इसके अलावा, यह साइड वोल्टेज नुकसान पैदा करता है - एनोडिक और कैथोडिक ओवरवॉल्टेज, इसके प्रतिरोध के कारण इलेक्ट्रोलाइट में नुकसान। संयंत्र की दक्षता ऊर्जा इनपुट की शक्ति को प्राप्त पदार्थ के उपयोगी द्रव्यमान की इकाई से संबंधित करके निर्धारित की जाती है।

इलेक्ट्रोलिसिस लंबे समय से उद्योग में उच्च दक्षता के साथ उपयोग किया जाता है। एनोडाइजिंग और इलेक्ट्रोप्लेटिंग रोजमर्रा की जिंदगी में आम हो गए हैं, और सामग्रियों का खनन और लाभकारी कई धातुओं को अयस्क से निकालने में मदद करता है।इसके मूल पैटर्न को जानकर प्रक्रिया की योजना और गणना की जा सकती है।

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