Jautājums par to, kas ir elektrolīze, tiek apspriests jau kopš skolas fizikas kursa un vairumam cilvēku nav noslēpums. Cita lieta ir tās nozīme un praktiskais pielietojums. Šis process tiek plaši izmantots dažādās rūpniecības nozarēs, un tas var noderēt arī mājas meistaram.
Saturs
Kas ir elektrolīze?
Elektrolīze ir specifisku procesu komplekss, kas norisinās elektroda un elektrolīta sistēmā, caur kuru plūst pastāvīga elektriskā strāva. Tās mehānisma pamatā ir jonu strāvas ģenerēšana. Elektrolīts ir 2. tipa vadītājs (jonu vadītspēja), kurā notiek elektrolītiskā disociācija. Tas ietver sadalīšanos jonos ar pozitīvu (cation) un negatīvs (anjonu) maksa.
Elektrolīzes sistēmā obligāti ir pozitīvs (anods) un negatīvu (katods) elektrodu. Pievadot līdzstrāvu, katjoni pārvietojas katoda virzienā, bet anjoni - anoda virzienā. Katjoni galvenokārt ir metālu joni un ūdeņradis, bet anjoni - skābeklis un hlors. Katodā katjoni iegūst lieko elektronu daudzumu, tādējādi notiek reducēšanas reakcija Men+ + ne → Me (kur n ir metāla valence). Turpretī anodā elektroni tiek atdoti atpakaļ no aniona, un notiek oksidēšanās reakcija.
Tādējādi sistēmā tiek nodrošināts redoks process. Tomēr svarīgi ir tas, ka šim procesam ir nepieciešama enerģija. Tas jānodrošina ar ārējo strāvas avotu.
Faradeja elektrolīzes likumi
Lielais fiziķis M. Faradejs ar saviem pētījumiem ne tikai ļāva izprast elektrolīzes būtību, bet arī veica nepieciešamos aprēķinus tās īstenošanai. 1832. gadā parādījās viņa likumi, kas saistīja galvenos notiekošo procesu parametrus.
Pirmais likums
Pirmais Faradeja likums nosaka, ka anodā reducētās vielas masa ir tieši proporcionāla elektrolītā inducētajam elektriskajam lādiņam: m = kq = k*I*t, kur q ir lādiņš, k ir koeficients jeb vielas elektroķīmiskais ekvivalents, I ir strāva, kas plūst caur elektrolītu, un t ir strāvas plūsmas laiks.
Otrais likums
Faradeja otrais likums ļāva noteikt proporcionalitātes koeficientu k. Tā skan šādi: jebkuras vielas elektroķīmiskais ekvivalents ir tieši proporcionāls tās molārajai masai un apgriezti proporcionāls tās valencei. Likums ir izteikts šādā formā:
k = 1/F*A/zkur F ir Faradeja konstante, A ir vielas molārā masa, z ir tās ķīmiskā valence.
Ņemot vērā abus likumus, var iegūt galīgo formulu uz elektroda nogulsnētās vielas masas aprēķināšanai: m = A*I*t/(n*F)kur n ir elektrolīzē iesaistīto elektronu skaits. Parasti n atbilst jona lādiņam. No praktiskā viedokļa ir svarīgi vielas masu saistīt ar pievadīto strāvu, kas ļauj procesu kontrolēt, mainot tās stiprumu.
Kausējumu elektrolīze
Viens no elektrolīzes variantiem ir elektrolīta kā elektrolītu izmantot kausējumu. Šajā gadījumā elektrolītiskajā procesā ir iesaistīti tikai kausējuma joni. Klasisks piemērs ir sāls kausējuma NaCl elektrolīze (galda sāls). Negatīvie joni virzās uz anodu, un tas nozīmē, ka izdalās gāze (Cl). Katodā notiek metāla reducēšana, t. i., tīra Na nogulsnēšanās, kas veidojas no pozitīvajiem joniem, kuri ir piesaistījuši liekos elektronus. Līdzīgā veidā var iegūt arī citus metālus (K, Ca, Li u. c.) no attiecīgo sāļu šķīdināšanas.
Izkausētā elektrolīzē elektrodi nešķīst, bet tikai piedalās kā strāvas avots. To ražošanā var izmantot metālu, grafītu un dažus pusvadītājus. Ir svarīgi, lai materiālam būtu pietiekama vadītspēja. Viens no izplatītākajiem materiāliem ir varš.
Elektrolīzes pazīmes šķīdumos
Elektrolīze ūdens šķīdumā ievērojami atšķiras no elektrolīzes kausējumā. Šajā gadījumā notiek trīs konkurējoši procesi: ūdens oksidēšanās, izdalot skābekli, anjonu oksidēšanās un metāla anodiskā šķīdināšana. Šajā procesā iesaistīti ūdens joni, elektrolīts un anods. Tādējādi katodā var notikt ūdeņraža, elektrolīta katjonu un anoda metāla reducēšana.
Šo konkurējošo procesu norise ir atkarīga no sistēmas elektriskā potenciāla. Notiks tikai tas process, kam nepieciešams mazāk ārējās enerģijas. Tāpēc katodā tiks reducēti katjoni ar augstāko elektrodu potenciālu, bet anodā tiks oksidēti anjoni ar zemāko potenciālu. Ūdeņraža elektroda potenciāls ir "0". Piemēram, kālijā tas ir vienāds ar (-2,93 В), nātrijs ir (-2,71 В), svins (-0,13 В), un sudrabam tas ir (+0,8 В).
Elektrolīze gāzēs
Gāze var darboties kā elektrolīts tikai tad, ja ir jonizators. Šajā gadījumā strāva plūst caur jonizēto vidi, izraisot nepieciešamos procesus elektrodos. Faradeja likumi neattiecas uz gāzes elektrolīzi. Šādi nosacījumi ir nepieciešami, lai to īstenotu:
- Ne augsts spriegums, ne augsta strāva nevar palīdzēt bez mākslīgas gāzes jonizācijas.
- Elektrolīzei ir piemērotas tikai skābju nesaturošas gāzveida skābes un dažas gāzes.
Svarīgi! Process darbojas līdzīgi elektrolīzei šķidrā elektrolītā, ja ir izpildīti nepieciešamie nosacījumi.
Katodā un anodā notiekošo procesu iezīmes
Elektrolīzes praktiskajam pielietojumam ir svarīgi saprast, kas notiek abos elektrodos, kad tiek pievadīta elektriskā strāva. Raksturīgi šādi procesi:
- Katods. Pozitīvi lādētie joni steidzas uz to. Šeit notiek metālu reducēšana vai ūdeņraža izdalīšanās. Pēc katjonu aktivitātes var izdalīt vairākas metālu kategorijas. Tādi metāli kā Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al labi reducējas tikai no izkausētiem sāļiem. Ja tiek izmantots šķīdums, ūdeņradis izdalās, veicot ūdens elektrolīzi. Šķīdumā, bet ar pietiekamu katjonu koncentrāciju, var reģenerēt šādus metālus - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Vieglākais process ir Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anods. Šim elektrodam tiek padoti negatīvi lādēti joni. Oksidējot tie atņem elektronus metālam, kas izraisa to anodisku izšķīšanu, t. i., anodisku izšķīšanu. Anijoni tiek pārvērsti pozitīvi lādētos jonos, kas tiek virzīti uz katodu. Anijonus iedala arī pēc to aktivitātes. No kausējumiem var izvadīt tikai anjonus PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. Ūdens šķīdumos tie netiek pakļauti elektrolīzei, bet gan ūdenim ar skābekļa izdalīšanos. Visvieglāk reaģē tādi anjoni kā OH, Cl, I, S un Br.
Veicot elektrolīzi, ir svarīgi ņemt vērā elektrodu materiāla tendenci oksidēties. Izšķir inertos un aktīvos anodus. Inertie elektrodi ir izgatavoti no grafīta, oglekļa vai platīna, un tie nav iesaistīti jonu padevē.
Elektrolīzes procesu ietekmējošie faktori
Elektrolīzes process ir atkarīgs no šādiem faktoriem.
- Elektrolīta sastāvs. Būtisku ietekmi rada dažādi piemaisījumi. Tos iedala 3 veidos - katjoni, anjoni un organiskie savienojumi. Vielas var būt vairāk vai mazāk negatīvas nekā pamatmetāls, un tas traucē procesam. Starp organiskajiem piemaisījumiem ir piesārņotāji (piemēram, eļļas) un virsmaktīvās vielas. To koncentrācija ir maksimāli pieļaujamās vērtības.
- Strāvas blīvums. Saskaņā ar Faradeja likumu nogulsnētās vielas masa palielinās līdz ar strāvas stiprumu. Tomēr rodas nelabvēlīgi apstākļi - koncentrēta polarizācija, paaugstināts spriegums, intensīva elektrolīta sildīšana. Ņemot to vērā, katrā gadījumā ir noteiktas optimālās strāvas blīvuma vērtības.
- elektrolītu pH. Arī barotnes skābums ir izvēlēts, ņemot vērā metālus. Piemēram, optimālais pH cinkam ir 140 g/cc.
- Elektrolīta temperatūra. Tam ir neviennozīmīga ietekme. Palielinoties temperatūrai, palielinās elektrolīzes ātrums, bet palielinās arī piemaisījumu aktivitāte. Katram procesam ir optimāla temperatūra. Tas parasti ir no 38 līdz 45 grādiem.
Svarīgi! Elektrolīzi var paātrināt vai palēnināt ar dažādām ietekmēm un elektrolīta sastāva izvēli. Katram pieteikumam ir noteikts atšķirīgs režīms, kas ir stingri jāievēro.
Kur izmanto elektrolīzi?
Elektrolīzi izmanto daudzos lietojumos. Ir vairāki galvenie izmantošanas veidi, kurus var izšķirt, lai iegūtu praktiskus rezultātus.
Galvanizācija
Ar elektrolīzes palīdzību var uzklāt plānus, izturīgus galvanizētus metāla pārklājumus. Pārklātu priekšmetu ievieto vannā kā katodu, un elektrolīts satur vēlamā metāla sāli. Šādi jūs varat pārklāt tēraudu ar cinku, hromu vai alvu.
Elektrorafinēšana - vara rafinēšana
Elektroapstrādes procesa piemērs ir šāds. katods - tīrs varš anods - vara ar piemaisījumiem, elektrolītu - vara sulfāta ūdens šķīdums. Varš no anoda pārvēršas jonos un nogulsnējas katodā bez piemaisījumiem.
Metālu ieguve
Lai iegūtu metālus no sāļiem, metālus kausē un pēc tam elektrolīzē kausējumā. Šis process ir diezgan efektīvs alumīnija, nātrija un kālija iegūšanai no boksīta.
Anodēšana
Šajā procesā pārklājums tiek izgatavots no nemetāliskiem savienojumiem. Klasisks piemērs ir alumīnija anodēšana. Alumīnija daļa ir uzstādīta kā anods. Elektrolīts ir sērskābes šķīdums. Elektrolīzes rezultātā uz anoda nogulsnējas alumīnija oksīda slānis, kam piemīt aizsargājošas un dekoratīvas īpašības. Iepriekš minētās tehnoloģijas tiek plaši izmantotas dažādās nozarēs. Procesus ir iespējams veikt arī pašu rokām un drošā veidā.
Enerģijas izmaksas
Elektrolīzei ir nepieciešams liels enerģijas patēriņš. Procesam būs praktiska nozīme, ja anodiskā strāva būs pietiekama, tāpēc no barošanas avota ir jāpieliek ievērojama līdzstrāva. Turklāt tas rada sānu sprieguma zudumus - anodisko un katodisko pārspriegumu un elektrolīta zudumus tā pretestības dēļ. Iekārtas efektivitāti nosaka, attiecinot ievadītās enerģijas jaudu uz iegūtās vielas lietderīgās masas vienību.
Elektrolīze jau sen tiek izmantota rūpniecībā ar augstu efektivitāti. Anodēšana un galvanizācija ir kļuvušas par ikdienišķu parādību, un materiālu ieguve un apstrāde palīdz iegūt daudzus metālus no rūdas. Procesu var plānot un aprēķināt, zinot tā pamatdabiskos modeļus.
Saistītie raksti:
