전기분해가 무엇인지에 대한 질문은 일찍이 고등학교 물리학 과정에서 다루어지며 대부분의 사람들에게 비밀이 아닙니다. 또 다른 것은 그 중요성과 실제 적용입니다. 이 공정은 다양한 산업 분야에서 큰 이점으로 사용되며 가정용 장인에게 유용할 수 있습니다.
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전기분해란?
전기 분해는 직류 전류가 흐를 때 전극과 전해질 시스템의 특정 프로세스의 복합체입니다. 그 메커니즘은 이온 전류의 생성을 기반으로 합니다. 전해질은 유형 2 도체(이온 전도도) 전해 해리가 발생합니다. 그것은 양이온으로 분해되는 것을 포함합니다(양이온) 및 음수(음이온) 요금.
전해 시스템은 반드시 양의 (양극) 및 음수(음극) 전극. 직류 전류가 흐르면 양이온은 음극으로 이동하기 시작하고 음이온은 양극으로 이동합니다.양이온은 주로 금속 이온과 수소이고 음이온은 산소와 염소입니다. 음극에서 양이온은 과량의 전자를 자신에게 부착하여 환원 반응을 허용합니다. Men+ + ne → Me (여기서 n은 금속의 원자가입니다.). 반대로 양극에서는 산화 반응이 일어나면서 음이온에서 전자를 내보냅니다.
따라서 시스템에서 산화 환원 프로세스가 보장됩니다. 그것이 일어나기 위해서는 적절한 에너지가 필요하다는 것을 명심하는 것이 중요합니다. 외부 전류 소스에서 제공해야 합니다.
패러데이의 전기분해 법칙
위대한 물리학자 M. Faraday는 연구를 통해 전기분해의 본질을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 전기분해의 구현에 필요한 계산을 할 수 있게 되었습니다. 1832년에 일어나는 과정의 주요 매개변수를 연결하는 그의 법칙이 나타났습니다.
첫 번째 법칙
패러데이의 첫 번째 법칙에 따르면 양극에서 환원된 물질의 질량은 전해질에서 유도된 전하에 정비례합니다. m = kq = k*I*t, 여기서 q는 전하, k는 계수 또는 전기화학적 등가물 물질, I는 전해질을 통해 흐르는 전류, t는 전류가 흐르는 시간입니다.
제2법칙
패러데이의 두 번째 법칙은 비례 계수 k를 결정하는 것을 가능하게 했습니다. 다음과 같이 읽습니다. 모든 물질의 전기화학적 등가물은 몰 질량에 정비례하고 원자가에 반비례합니다. 법은 다음과 같이 표현됩니다.
k = 1/F*A/z여기서 F는 패러데이 상수, A는 물질의 몰 질량, z는 화학적 원자가입니다.
두 법칙을 모두 고려하여 전극에 증착된 물질의 질량을 계산하기 위한 최종 공식을 도출할 수 있습니다. m = A*I*t/(n*F)여기서 n은 전기분해에 관련된 전자의 수입니다. 일반적으로 n은 이온의 전하에 해당합니다.실용적인 관점에서, 물질의 질량을 공급된 전류와 연관시키는 것이 중요하며, 이를 통해 강도를 변경하여 공정을 제어할 수 있습니다.
용융물의 전기분해
전기분해를 위한 한 가지 옵션은 용융물을 전해질로 사용하는 것입니다. 이 경우 전기분해 과정에는 용융 이온만 포함됩니다. 전형적인 예는 소금 용해 NaCl(식탁용 소금). 음이온이 양극쪽으로 돌진하여 가스가 방출됨(클). 음극에서 금속 환원, 즉 과잉 전자를 끌어들이는 양이온으로부터 형성된 순수한 Na의 침전이 있을 것입니다. 유사하게, 다른 금속도 생산될 수 있습니다(K, Ca, Li 등) 각각의 염의 용융물로부터.
용융물에서 전기분해하는 동안 전극은 용해되지 않고 전류원으로만 참여합니다. 금속, 흑연 및 일부 반도체를 제조에 사용할 수 있습니다. 재료가 충분한 전도성을 갖는 것이 중요합니다. 가장 일반적인 재료 중 하나는 구리입니다.
용액에서 전기 분해의 특징
수용액에서의 전기분해는 용융물과 상당히 다릅니다. 3가지 경쟁 과정이 있습니다: 산소 방출과 함께 물의 산화, 음이온의 산화 및 금속의 양극 용해. 이 과정에는 물 이온, 전해질 및 양극이 포함됩니다. 따라서, 수소, 전해질 양이온 및 양극 금속의 환원이 음극에서 일어날 수 있다.
이러한 경쟁 프로세스가 발생하는 능력은 시스템의 전위에 따라 다릅니다. 외부 에너지가 덜 필요한 프로세스만 진행됩니다. 결과적으로, 최대 전극 전위를 갖는 양이온은 음극에서 환원될 것이고, 가장 낮은 전위를 갖는 음이온은 양극에서 산화될 것이다. 수소의 전극 전위는 "0"으로 간주됩니다. 예를 들어, 칼륨에서는 (-2,93 В), 나트륨은 (-2,71 В), 선두 (-0,13 В), 은색 -(+0,8 В).
가스의 전기분해
기체는 이온화 장치가 있어야만 전해질의 역할을 수행할 수 있습니다. 이 경우 이온화된 매질을 통과하는 전류는 전극에서 필요한 과정을 유발합니다. 패러데이의 법칙은 기체 전기분해에 적용되지 않습니다. 이러한 조건은 실현에 필요합니다.
- 가스의 인공 이온화가 없으면 고전압도 고전류도 도움이 되지 않습니다.
- 기체 상태의 무산소 산과 일부 기체만 전기분해에 적합합니다.
중요한! 필요한 조건이 충족되면 액체 전해질에서 전기 분해와 유사하게 프로세스가 진행됩니다.
양극과 음극에서 일어나는 공정의 특성
전기분해의 실제 적용을 위해서는 전류가 인가될 때 두 전극에서 어떤 일이 일어나는지를 이해하는 것이 중요합니다. 다음 프로세스가 특징적입니다.
- 음극. 양전하를 띤 이온이 그것을 향해 돌진합니다. 이것은 금속의 환원 또는 수소의 방출이 일어나는 곳입니다. 금속의 여러 범주는 양이온 활성에 따라 구별될 수 있습니다. Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al과 같은 금속은 용융염에서만 잘 환원됩니다. 용액을 사용하면 물의 전기분해로 인해 수소가 방출됩니다. Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb와 같은 금속에서 충분한 농도의 양이온으로 용액의 환원을 제공할 수 있습니다. 공정은 Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg에 대해 가장 쉽습니다.
- 양극. 음전하를 띤 이온이 이 전극에 도달합니다. 그것들을 산화시키면 금속에서 전자를 빼앗아 양극 용해로 이어집니다. 즉, 음이온은 양극으로 향하는 양전하 이온으로 변환됩니다. 음이온은 또한 활동에 따라 세분화됩니다. PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F 음이온만 용융물에서 배출될 수 있습니다. 수용액에서는 전기 분해되지 않고 산소가 방출되는 물입니다. OH, Cl, I, S, Br과 같은 음이온이 가장 쉽게 반응합니다.
전기분해를 제공할 때 전극 물질이 산화되는 경향을 고려하는 것이 중요합니다. 이와 관련하여 불활성 및 활성 양극이 구별됩니다. 불활성 전극은 흑연, 석탄 또는 백금으로 만들어지며 이온 공급에 관여하지 않습니다.
전기분해 과정에 영향을 미치는 요인
전기 분해 과정은 다음 요인에 따라 다릅니다.
- 전해질의 조성. 다양한 불순물이 상당한 영향을 미칩니다. 그들은 양이온, 음이온 및 유기물의 3 가지 유형으로 나뉩니다. 물질은 공정을 방해하는 기본 금속보다 다소 부정적일 수 있습니다. 유기 불순물 중에는 오염 물질(예: 오일)과 계면활성제가 있습니다. 농도에는 한계값이 있습니다.
- 전류 밀도. 패러데이의 법칙에 따르면, 전류의 세기가 증가함에 따라 증착된 물질의 질량이 증가합니다. 그러나 집중된 분극, 전압 증가, 전해질의 강렬한 가열과 같은 불리한 상황이 발생합니다. 이를 염두에 두고 각 경우에 대한 최적의 전류 밀도 값이 있습니다.
- 전해질의 pH. 매체의 산도도 금속을 염두에 두고 선택됩니다. 예를 들어, 아연 전해질의 최적 산도 값은 140g/cc입니다.
- 전해질 온도. 모호한 효과가 있습니다. 온도가 증가함에 따라 전기분해 속도가 증가하지만 불순물의 활성도 증가합니다. 각 공정마다 최적의 온도가 있습니다. 보통 38~45도 사이입니다.
중요한! 전기분해는 다양한 영향과 전해질 조성의 선택에 의해 가속화되거나 느려질 수 있습니다. 각 응용 프로그램에는 엄격하게 준수해야 하는 고유한 모드가 있습니다.
전기분해는 어디에 사용됩니까?
전기분해는 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 실용적인 결과를 위해 몇 가지 주요 용도를 식별할 수 있습니다.
전기도금
금속의 얇고 내구성 있는 갈바니 코팅은 전기분해에 의해 적용될 수 있습니다.코팅할 항목을 음극으로 욕조에 넣고 전해질에는 원하는 금속의 염이 포함됩니다. 이것이 강철이 아연, 크롬 또는 주석으로 도금되는 방법입니다.
전기 처리 - 구리 정제
전기 정제의 예는 다음과 같습니다. 음극 - 순수한 구리, 양극 - 불순물이 포함된 구리, 전해질 - 황산구리 수용액. 양극에서 나온 구리는 이온이 되어 불순물 없이 음극에 석출된다.
금속 추출.
염에서 금속을 얻기 위해 용융물로 이동한 다음 전기분해가 제공됩니다. 이 방법은 보크사이트, 나트륨 및 칼륨에서 알루미늄을 얻는 데 매우 효과적입니다.
아노다이징
이 과정에서 코팅은 비금속 화합물로 만들어집니다. 전형적인 예는 알루미늄 아노다이징입니다. 알루미늄 부품은 양극처럼 장착됩니다. 전해질은 황산 용액입니다. 전기 분해의 결과로 산화 알루미늄 층이 양극에 증착되어 보호 및 장식 특성이 있습니다. 이러한 기술은 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 안전한 방법으로 자신의 손으로 프로세스를 수행하는 것도 가능합니다.
에너지 비용
전기분해에는 많은 에너지가 필요합니다. 양극 전류가 충분하다면 이 과정은 실용적인 가치가 있으며 이를 위해서는 전원에서 상당한 양의 직류를 인가해야 합니다. 또한 양극 및 음극 과전압, 저항으로 인한 전해질 손실과 같은 측면 전압 손실이 발생합니다. 설비의 효율은 에너지 투입량을 얻은 물질의 유용한 질량 단위와 관련시켜 결정됩니다.
전기 분해는 오랫동안 산업 분야에서 고효율로 사용되었습니다. 양극 산화 및 전기 도금은 일상 생활에서 보편화되었으며 재료의 채광 및 선광은 광석에서 많은 금속을 추출하는 데 도움이됩니다.기본 패턴을 알면 프로세스를 계획하고 계산할 수 있습니다.
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