電気分解とは何かという問題は、高校の物理コースで取り組まれており、ほとんどの人にとって秘密ではありません。もう1つは、その重要性と実用化です。このプロセスは、さまざまな産業で非常に有益に使用されており、家庭の職人に役立ちます。
コンテンツ
電気分解とは？
電気分解は、直流電流が流れるときの電極と電解質のシステムにおける特定のプロセスの複合体です。そのメカニズムは、イオン電流の発生に基づいています。電解質はタイプ 2 導体 (イオン伝導率) で電解解離が発生します。それは正のイオンへの分解を伴います（陽イオン) と負 (アニオン） 充電。
電解システムには、必ずプラスが含まれています (アノード) と負の (陰極) 電極。直流電流が印加されると、陽イオンは陰極に向かって移動し始め、陰イオンは陽極に向かって移動します。陽イオンは主に金属イオンと水素で、陰イオンは酸素と塩素です。カソードでは、陽イオンが過剰な電子を自分自身に結合し、還元反応 Men+ + ne → Me (ここで、n は金属の原子価です。）。逆に、陽極では、酸化反応が起こり、電子が陰イオンから放出されます。
したがって、システム内の酸化還元プロセスが保証されます。それが起こるためには、適切なエネルギーが必要であることを心に留めておくことが重要です.これは、外部電流源によって提供される必要があります。
ファラデーの電気分解の法則
偉大な物理学者 M. ファラデーは、彼の研究を通じて、電気分解の性質を理解するだけでなく、その実施に必要な計算を行うことも可能にしました。 1832 年に彼の法則が現れ、進行中のプロセスの主なパラメーターを結び付けました。
最初の法律
ファラデーの第 1 法則は、陽極で還元された物質の質量が、電解液に誘導された電荷に正比例すると述べています。m = kq = k*I*t、ここで、q は電荷、k は係数または物質、I は電解質を流れる電流、t は電流が流れる時間です。
第二法則
ファラデーの第 2 法則により、比例係数 k を決定することが可能になりました。それは次のように読みます：あらゆる物質の電気化学的当量は、そのモル質量に正比例し、その原子価に反比例します。法律は次のように表現されています。
k = 1/F*A/zここで、F はファラデー定数、A は物質のモル質量、z はその化学原子価です。
両方の法則を考慮して、電極に付着した物質の質量を計算するための最終的な式を導き出すことができます。 m = A*I*t/(n*F)ここで、n は電気分解に関与する電子の数です。通常、n はイオンの電荷に対応します。実用的な観点から、物質の質量を供給される電流に関連付けることが重要です。これにより、その強度を変更することでプロセスを制御できます。
溶融物の電気分解
電気分解の 1 つのオプションは、電解質として溶融物を使用することです。この場合、溶融イオンのみが電気分解プロセスに関与します。古典的な例は、塩溶融 NaCl の電気分解です (食卓塩）。マイナスイオンが陽極に向かって突進することで、ガスが放出されます(Cl）。カソードでは、金属の還元、つまり、過剰な電子を引き寄せた陽イオンから形成された純粋な Na の沈降があります。同様に、他の金属を生成することができます (K、Ca、Liなど) それぞれの塩の融解物から。
溶融物中での電気分解中、電極は溶解せず、電流源としてのみ関与します。金属、グラファイト、および一部の半導体は、製造に使用できます。材料が十分な導電性を持っていることが重要です。最も一般的な材料の 1 つは銅です。
溶液中での電気分解の特徴
水溶液中での電気分解は、溶融物とはまったく異なります。競合する 3 つのプロセスがあります: 酸素の放出を伴う水の酸化、陰イオンの酸化、および金属の陽極溶解です。このプロセスには、水イオン、電解質、および陽極が含まれます。したがって、水素、電解質カチオン、およびアノード金属の還元がカソードで起こり得る。
これらの競合するプロセスが発生する能力は、システムの電位に依存します。外部エネルギーを必要としないプロセスのみが進行します。その結果、最大電極電位を持つ陽イオンは陰極で還元され、最低電位を持つ陰イオンは陽極で酸化されます。水素の電極電位を「0」とする。たとえば、カリウムでは (-2,93 Â)、ナトリウムは (-2,71 ×）、 リード （-0,13 ×)、およびシルバーの場合 - (+0,8 ×).
ガス中の電気分解
ガスは、イオナイザーの存在下でのみ電解質の役割を果たすことができます。この場合、イオン化された媒体を通過する電流は、電極で必要なプロセスを引き起こします。ファラデーの法則はガス電気分解には適用されません。その実現には、次のような条件が必要です。
- ガスの人工イオン化がなければ、高電圧も高電流も役に立ちません。
- ガス状の無酸素酸と一部のガスのみが電気分解に適しています。
重要！ 必要な条件が満たされている場合、プロセスは液体電解質での電気分解と同様に進行します。
カソードとアノードで発生するプロセスの特性
電気分解を実際に応用するには、電流が印加されたときに両方の電極で何が起こるかを理解することが重要です。次のプロセスが特徴的です。
- 陰極。プラスに帯電したイオンがそこに向かって押し寄せます。これは、金属の還元または水素の放出が起こる場所です。金属のいくつかのカテゴリは、それらのカチオン活性に従って区別できます。 Li、K、Ba、St、Ca、Na、Mg、Be、Al などの金属は、溶融塩からのみ十分に還元されます。溶液を使用すると、水の電気分解により水素が放出されます。 Mn、Cr、Zn、Fe、Cd、Ni、Ti、Co、Mo、Sn、Pb の金属では、十分な濃度の陽イオンを使用して、溶液中で還元することができます。このプロセスは、Ag、Cu、Bi、Pt、Au、Hg に対して最も簡単です。
- アノード。負に帯電したイオンがこの電極に到達します。それらを酸化すると、それらは金属から電子を奪い、陽極溶解を引き起こします。陰イオンもその活動によって細分化されます。メルトから排出できるのは、PO4、CO3、SO4、NO3、NO2、ClO4、F アニオンのみです。水溶液では、それらは電気分解を受けませんが、水は酸素を放出します。 OH、Cl、I、S、Br などの陰イオンが最も反応しやすくなります。
電気分解を行う場合、電極材料の酸化傾向を考慮することが重要です。この点で、不活性陽極と活性陽極は区別されます。不活性電極はグラファイト、石炭、またはプラチナでできており、イオンの供給には関与しません。
電気分解プロセスに影響を与える要因
電気分解プロセスは、次の要因によって異なります。
- 電解質の組成.様々な不純物が大きな影響を及ぼします。それらは、陽イオン、陰イオン、有機物の3つのタイプに分けられます。物質は母材金属より多かれ少なかれマイナスになる可能性があり、プロセスを妨げます。有機不純物の中には、汚染物質 (油など) と界面活性剤があります。それらの濃度には限界値があります。
- 電流密度.ファラデーの法則によれば、電流強度が増加すると、堆積物質の質量が増加します。しかし、分極の集中、電圧の上昇、電解質の激しい加熱など、好ましくない状況が発生します。これを念頭に置いて、それぞれの場合に最適な電流密度の値があります。
- 電解液のpH.培地の酸性度も金属を考慮して選択されます。たとえば、亜鉛の電解液の酸性度の最適値は 140 g/cc です。
- 電解液温度.あいまいな効果があります。温度が上がると、電気分解の速度が上がりますが、不純物の活性も上がります。工程ごとに最適な温度があります。通常は 38 ～ 45 度です。
重要！ 電気分解は、さまざまな影響と電解質組成の選択によって加速または減速することができます。各アプリケーションには独自のモードがあり、厳守する必要があります。
電気分解はどこで使用されますか?
電気分解は多くの用途で使用されています。実際の結果を得るために、いくつかの主要な用途を特定できます。
電気めっき
薄くて耐久性のある金属のガルバニックコーティングは、電気分解によって適用できます。コーティングするアイテムを陰極として槽に入れ、電解液には目的の金属の塩が含まれています。これは、鋼を亜鉛、クロム、またはスズでメッキする方法です。
電解処理 - 銅の精錬
電気精製の例は、次のオプションです。 陰極 - 純銅、 アノード - 不純物を含む銅、 電解質 - 硫酸銅の水溶液。アノードからの銅はイオンになり、不純物なしでカソードに堆積します。
金属抽出。
塩から金属を得るには、それらを溶融物に移し、その中で電気分解を行います。この方法は、ボーキサイト、ナトリウム、カリウムからアルミニウムを得るのに非常に効果的です。
陽極酸化
このプロセスでは、コーティングは非金属化合物から作られます。古典的な例は、アルミニウムの陽極酸化です。アルミ部分は陽極のように取り付けられています。電解液は硫酸の溶液です。電気分解の結果として、酸化アルミニウムの層がアノード上に堆積し、保護および装飾特性があります。これらの技術は、さまざまな業界で広く使用されています。また、安全に自分の手でプロセスを実行することも可能です。
エネルギーコスト
電気分解には多くのエネルギーが必要です。このプロセスは、陽極電流が十分であれば実用的な価値があり、そのためには電源からかなりの直流電流を流す必要があります。さらに、側面の電圧損失 - 陽極および陰極の過電圧、抵抗による電解質の損失 - を生成します。植物の効率は、得られた物質の有用な質量の単位にエネルギー入力の力を関連付けることによって決定されます。
電気分解は、高効率で業界で長い間使用されてきました。陽極酸化と電気メッキは日常生活で一般的になり、材料の採掘と選鉱は、鉱石から多くの金属を抽出するのに役立ちます.プロセスは、その基本的なパターンを知ることによって計画および計算できます。
関連記事：
