इलेक्ट्रोलिसिस म्हणजे काय आणि ते कुठे वापरले जाते?

इलेक्ट्रोलिसिस म्हणजे काय हा प्रश्न हायस्कूलच्या भौतिकशास्त्राच्या अभ्यासक्रमाप्रमाणेच संबोधित केला जातो आणि बहुतेक लोकांसाठी हे रहस्य नाही. दुसरी गोष्ट म्हणजे त्याचे महत्त्व आणि व्यावहारिक उपयोग. ही प्रक्रिया विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या फायद्यासह वापरली जाते आणि घरातील कारागीरांसाठी उपयुक्त ठरू शकते.

इलेक्ट्रोलिसिस म्हणजे काय?

इलेक्ट्रोलिसिस हे इलेक्ट्रोड्स आणि इलेक्ट्रोलाइटच्या प्रणालीमधील विशिष्ट प्रक्रियांचे एक जटिल आहे जेव्हा त्यातून थेट विद्युत प्रवाह वाहतो. त्याची यंत्रणा आयनिक प्रवाहाच्या निर्मितीवर आधारित आहे. इलेक्ट्रोलाइट एक प्रकार 2 कंडक्टर आहे (आयनिक चालकता) ज्यामध्ये इलेक्ट्रोलाइटिक पृथक्करण होते. यात सकारात्मक (cation) आणि नकारात्मक (anion) चार्ज.

इलेक्ट्रोलाइटिक सिस्टममध्ये आवश्यकतेने सकारात्मक (एनोड) आणि नकारात्मक (कॅथोड) इलेक्ट्रोड. जेव्हा थेट विद्युत प्रवाह लागू केला जातो, तेव्हा केशन्स कॅथोडच्या दिशेने जाऊ लागतात आणि अॅनियन्स एनोडच्या दिशेने सरकतात.केशन्स हे प्रामुख्याने धातूचे आयन आणि हायड्रोजन असतात आणि आयन ऑक्सिजन आणि क्लोरीन असतात. कॅथोडवर, केशन्स स्वतःला अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोडतात, ज्यामुळे घट प्रतिक्रिया Men+ + ne → Me (जेथे n हे धातूचे व्हॅलेन्स आहे). एनोडवर, उलटपक्षी, ऑक्सिडेटिव्ह प्रतिक्रिया घडून आयोनमधून इलेक्ट्रॉन सोडले जातात.

अशा प्रकारे, सिस्टममध्ये रेडॉक्स प्रक्रिया सुनिश्चित केली जाते. हे लक्षात ठेवणे आवश्यक आहे की ते होण्यासाठी, योग्य ऊर्जा आवश्यक आहे. हे बाह्य वर्तमान स्त्रोताद्वारे प्रदान केले जाणे आवश्यक आहे.

इलेक्ट्रोलिसिसचे फॅराडेचे नियम

महान भौतिकशास्त्रज्ञ एम. फॅराडे यांनी त्यांच्या संशोधनाद्वारे केवळ इलेक्ट्रोलिसिसचे स्वरूप समजून घेणेच नव्हे तर त्याच्या अंमलबजावणीसाठी आवश्यक गणना करणे देखील शक्य केले. 1832 मध्ये त्याचे कायदे दिसू लागले, जे होत असलेल्या प्रक्रियेच्या मुख्य पॅरामीटर्सशी जोडले गेले.

पहिला कायदा

फॅराडेचा पहिला कायदा असे सांगतो की एनोडवर कमी केलेल्या पदार्थाचे वस्तुमान इलेक्ट्रोलाइटमध्ये प्रेरित विद्युत शुल्काच्या थेट प्रमाणात असते: m = kq = k*I*t, जेथे q चार्ज आहे, k हा गुणांक किंवा इलेक्ट्रोकेमिकल समतुल्य आहे पदार्थ, I इलेक्ट्रोलाइटमधून वाहणारा विद्युत् प्रवाह आहे, टी विद्युत प्रवाहाची वेळ आहे.

दुसरा कायदा

फॅराडेच्या दुसर्‍या कायद्याने समानुपातिकता k चे गुणांक निश्चित करणे शक्य केले. हे खालीलप्रमाणे वाचते: कोणत्याही पदार्थाचे इलेक्ट्रोकेमिकल समतुल्य त्याच्या मोलर वस्तुमानाच्या थेट प्रमाणात आणि त्याच्या व्हॅलेन्सच्या व्यस्त प्रमाणात असते. कायदा खालीलप्रमाणे व्यक्त केला जातो:

k = 1/F*A/zजेथे F फॅराडेचा स्थिरांक आहे, A हा पदार्थाचा मोलर वस्तुमान आहे, z हे त्याचे रासायनिक संयोज्य आहे.

दोन्ही कायदे विचारात घेऊन, आम्ही इलेक्ट्रोडवर जमा केलेल्या पदार्थाच्या वस्तुमानाची गणना करण्यासाठी अंतिम सूत्र काढू शकतो: m = A*I*t/(n*F)जेथे n ही इलेक्ट्रोलिसिसमध्ये सामील असलेल्या इलेक्ट्रॉनची संख्या आहे. सहसा n आयनच्या चार्जशी संबंधित असतो.व्यावहारिक दृष्टिकोनातून, पदार्थाच्या वस्तुमानाचा पुरवठा केलेल्या वर्तमानाशी संबंध ठेवणे महत्वाचे आहे, ज्यामुळे त्याची शक्ती बदलून प्रक्रिया नियंत्रित करणे शक्य होते.

वितळण्याचे इलेक्ट्रोलिसिस

इलेक्ट्रोलिसिससाठी एक पर्याय म्हणजे वितळणे इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरणे. या प्रकरणात, केवळ वितळलेले आयन इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियेत गुंतलेले असतात. एक उत्कृष्ट उदाहरण म्हणजे मीठ वितळलेल्या NaCl चे इलेक्ट्रोलिसिस (टेबल मीठ). नकारात्मक आयन एनोडच्या दिशेने धावतात, याचा अर्थ वायू सोडला जातो (Cl). कॅथोडमध्ये धातूची घट होईल, म्हणजेच जादा इलेक्ट्रॉन्स आकर्षित करणाऱ्या सकारात्मक आयनांपासून तयार झालेल्या शुद्ध Na ची स्थापना. त्याचप्रमाणे, इतर धातू तयार केले जाऊ शकतात (के, सीए, ली इ.) संबंधित क्षारांच्या वितळण्यापासून.

मेल्टमध्ये इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान, इलेक्ट्रोड विरघळत नाहीत परंतु केवळ वर्तमान स्त्रोत म्हणून भाग घेतात. धातू, ग्रेफाइट आणि काही अर्धसंवाहक त्यांच्या उत्पादनात वापरले जाऊ शकतात. सामग्रीमध्ये पुरेशी चालकता असणे महत्वाचे आहे. सर्वात सामान्य सामग्रीपैकी एक तांबे आहे.

सोल्यूशनमध्ये इलेक्ट्रोलिसिसची वैशिष्ट्ये

जलीय द्रावणातील इलेक्ट्रोलिसिस हे वितळण्यापेक्षा बरेच वेगळे आहे. 3 स्पर्धात्मक प्रक्रिया आहेत: ऑक्सिजनसह पाण्याचे ऑक्सीकरण, आयनचे ऑक्सीकरण आणि धातूचे अॅनोडिक विघटन. प्रक्रियेमध्ये पाण्याचे आयन, इलेक्ट्रोलाइट आणि एनोड यांचा समावेश होतो. त्यानुसार, कॅथोडमध्ये हायड्रोजन, इलेक्ट्रोलाइट केशन्स आणि एनोड धातूची घट होऊ शकते.

या स्पर्धात्मक प्रक्रियेची क्षमता प्रणालीच्या विद्युत क्षमतांवर अवलंबून असते. ज्या प्रक्रियेला कमी बाह्य उर्जेची आवश्यकता असते तीच प्रक्रिया पुढे जाईल. परिणामी, कॅथोडमध्ये जास्तीत जास्त इलेक्ट्रोड संभाव्यता असलेले केशन्स कमी केले जातील आणि सर्वात कमी क्षमता असलेल्या आयनांचे एनोडवर ऑक्सीकरण केले जाईल. हायड्रोजनची इलेक्ट्रोड क्षमता "0" म्हणून घेतली जाते. उदाहरणार्थ, पोटॅशियममध्ये ते (-2,93 वी), सोडियम समान आहे (-2,71 वी), आघाडी (-0,13 वी), आणि चांदीसाठी - (+0,8 वी).

वायूंमध्ये इलेक्ट्रोलिसिस

वायू केवळ ionizer च्या उपस्थितीत इलेक्ट्रोलाइटची भूमिका पार पाडू शकतो. या प्रकरणात, आयनीकृत माध्यमातून जाणारा विद्युत् प्रवाह इलेक्ट्रोड्सवर आवश्यक प्रक्रियेस कारणीभूत ठरतो. फॅराडेचे नियम गॅस इलेक्ट्रोलिसिसवर लागू होत नाहीत. त्याच्या प्राप्तीसाठी अशा अटी आवश्यक आहेत:

1. वायूच्या कृत्रिम आयनीकरणाशिवाय, उच्च व्होल्टेज किंवा उच्च प्रवाह दोन्ही मदत करणार नाहीत.
2. केवळ वायूमय अवस्थेतील ऑक्सिजन-मुक्त ऍसिड आणि काही वायू इलेक्ट्रोलिसिससाठी योग्य असतात.

महत्वाचे! आवश्यक अटी पूर्ण झाल्यास, प्रक्रिया द्रव इलेक्ट्रोलाइटमध्ये इलेक्ट्रोलिसिस प्रमाणेच पुढे जाते.

कॅथोड आणि एनोड येथे होणार्‍या प्रक्रियांची वैशिष्ट्ये

इलेक्ट्रोलिसिसच्या व्यावहारिक वापरासाठी, जेव्हा विद्युत प्रवाह लागू केला जातो तेव्हा दोन्ही इलेक्ट्रोडवर काय होते हे समजून घेणे महत्त्वाचे आहे. खालील प्रक्रिया वैशिष्ट्यपूर्ण आहेत:

1. कॅथोड. सकारात्मक चार्ज केलेले आयन त्या दिशेने धावतात. येथेच धातू कमी होणे किंवा हायड्रोजन सोडणे हे होते. धातूंच्या अनेक श्रेणी त्यांच्या cationic क्रियाकलापानुसार ओळखल्या जाऊ शकतात. Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al या धातूंचे प्रमाण केवळ वितळलेल्या क्षारांपासून चांगले कमी होते. द्रावण वापरल्यास, पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसमुळे हायड्रोजन सोडला जातो. द्रावणात घट प्रदान करणे शक्य आहे, परंतु पुरेशा प्रमाणात कॅशनच्या एकाग्रतेसह, खालील धातूंमध्ये - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg साठी प्रक्रिया सर्वात सोपी आहे.
2. एनोड. या इलेक्ट्रोडवर नकारात्मक चार्ज केलेले आयन येतात. त्यांचे ऑक्सिडायझेशन करून ते इलेक्ट्रॉन्स धातूपासून दूर घेतात, ज्यामुळे त्यांचे अॅनोडिक विघटन होते, म्हणजे आयनचे रूपांतर सकारात्मक चार्ज केलेल्या आयनांमध्ये होते, जे कॅथोडकडे निर्देशित केले जातात. Anions देखील त्यांच्या क्रियाकलापानुसार उपविभाजित आहेत. केवळ PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F anions वितळण्यापासून सोडले जाऊ शकतात. जलीय द्रावणात, ते इलेक्ट्रोलिसिसच्या अधीन नाहीत, परंतु ऑक्सिजन सोडल्या जाणार्या पाण्याच्या अधीन आहेत. OH, Cl, I, S, B सारख्या anions सर्वात सहज प्रतिक्रिया देतात.

इलेक्ट्रोलिसिस प्रदान करताना, इलेक्ट्रोड सामग्रीच्या ऑक्सिडायझेशनची प्रवृत्ती विचारात घेणे आवश्यक आहे. या संदर्भात, निष्क्रिय आणि सक्रिय एनोड वेगळे केले जातात. जड इलेक्ट्रोड हे ग्रेफाइट, कोळसा किंवा प्लॅटिनमचे बनलेले असतात आणि ते आयनच्या पुरवठ्यात गुंतलेले नसतात.

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियेवर परिणाम करणारे घटक

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया खालील घटकांवर अवलंबून असते:

1. इलेक्ट्रोलाइटची रचना. विविध अशुद्धींचा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. ते 3 प्रकारांमध्ये विभागलेले आहेत - केशन, आयन आणि ऑर्गेनिक्स. पदार्थ बेस मेटलपेक्षा कमी किंवा जास्त नकारात्मक असू शकतात, जे प्रक्रियेत व्यत्यय आणतात. सेंद्रिय अशुद्धींमध्ये दूषित पदार्थ (उदा. तेल) आणि सर्फॅक्टंट्स आहेत. त्यांच्या एकाग्रतेला मर्यादा मूल्ये आहेत.
2. वर्तमान घनता. फॅराडेच्या नियमांनुसार, जमा केलेल्या पदार्थाचे वस्तुमान जसजसे वर्तमान सामर्थ्य वाढते तसे वाढते. तथापि, प्रतिकूल परिस्थिती उद्भवते - केंद्रित ध्रुवीकरण, वाढीव व्होल्टेज, इलेक्ट्रोलाइटचे तीव्र गरम. हे लक्षात घेऊन, प्रत्येक केससाठी वर्तमान घनतेची इष्टतम मूल्ये आहेत.
3. इलेक्ट्रोलाइटचा pH. माध्यमाची आंबटपणा देखील धातू लक्षात घेऊन निवडली जाते. उदाहरणार्थ, झिंकसाठी इलेक्ट्रोलाइटच्या आंबटपणाचे इष्टतम मूल्य 140 g/cc आहे.
4. इलेक्ट्रोलाइट तापमान. त्याचा अस्पष्ट प्रभाव आहे. जसजसे तापमान वाढते तसतसे इलेक्ट्रोलिसिसचे प्रमाण वाढते, परंतु अशुद्धतेची क्रिया देखील वाढते. प्रत्येक प्रक्रियेसाठी इष्टतम तापमान असते. हे सहसा 38-45 अंशांच्या दरम्यान असते.

महत्वाचे! विविध प्रभावांमुळे आणि इलेक्ट्रोलाइट रचनांच्या निवडीमुळे इलेक्ट्रोलिसिस वेगवान किंवा कमी होऊ शकते. प्रत्येक अनुप्रयोगाचा स्वतःचा मोड असतो, ज्याचे काटेकोरपणे निरीक्षण केले पाहिजे.

इलेक्ट्रोलिसिस कुठे वापरले जाते?

इलेक्ट्रोलिसिसचा वापर अनेक अनुप्रयोगांमध्ये केला जातो. व्यावहारिक परिणामांसाठी अनेक प्रमुख उपयोग ओळखले जाऊ शकतात.

इलेक्ट्रोप्लेटिंग

इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे धातूचे पातळ, टिकाऊ गॅल्व्हॅनिक कोटिंग लागू केले जाऊ शकते.लेपित केलेली वस्तू आंघोळीमध्ये कॅथोड म्हणून ठेवली जाते आणि इलेक्ट्रोलाइटमध्ये इच्छित धातूचे मीठ असते. अशा प्रकारे स्टीलला झिंक, क्रोमियम किंवा कथील लावता येते.

इलेक्ट्रोट्रीटमेंट - तांबे शुद्ध करणे

इलेक्ट्रिक रिफाइनिंगचे उदाहरण हा पर्याय आहे: कॅथोड - शुद्ध तांबे, एनोड - अशुद्धी असलेले तांबे, इलेक्ट्रोलाइट - तांबे सल्फेटचे जलीय द्रावण. एनोडमधील तांबे आयनमध्ये बदलतात आणि अशुद्धतेशिवाय कॅथोडमध्ये जमा केले जातात.

धातू काढणे.

क्षारांपासून धातू मिळविण्यासाठी, ते वितळण्यामध्ये हस्तांतरित केले जातात आणि नंतर त्यामध्ये इलेक्ट्रोलिसिस प्रदान केले जाते. बॉक्साईट, सोडियम आणि पोटॅशियमपासून अॅल्युमिनियम मिळविण्यासाठी ही पद्धत प्रभावी आहे.

Anodizing

या प्रक्रियेत, कोटिंग नॉन-मेटलिक संयुगांपासून बनविले जाते. उत्कृष्ट उदाहरण म्हणजे अॅल्युमिनियम अॅनोडायझिंग. अॅल्युमिनियमचा भाग एनोड सारखा बसवला जातो. इलेक्ट्रोलाइट हे सल्फ्यूरिक ऍसिडचे द्रावण आहे. इलेक्ट्रोलिसिसच्या परिणामी, अॅल्युमिनियम ऑक्साईडचा एक थर एनोडवर जमा केला जातो, ज्यामध्ये संरक्षणात्मक आणि सजावटीचे गुणधर्म असतात. हे तंत्रज्ञान विविध उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. आपल्या स्वत: च्या हातांनी प्रक्रिया सुरक्षितपणे पार पाडणे देखील शक्य आहे.

ऊर्जा खर्च

इलेक्ट्रोलिसिससाठी मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा लागते. अॅनोडिक प्रवाह पुरेसा असल्यास ही प्रक्रिया व्यावहारिक मूल्याची असेल आणि यासाठी विद्युत उर्जा स्त्रोताकडून लक्षणीय थेट प्रवाह लागू करणे आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, ते साइड व्होल्टेजचे नुकसान निर्माण करते - अॅनोडिक आणि कॅथोडिक ओव्हरव्होल्टेज, त्याच्या प्रतिकारामुळे इलेक्ट्रोलाइटमधील नुकसान. प्राप्त केलेल्या पदार्थाच्या उपयुक्त वस्तुमानाच्या युनिटशी ऊर्जा इनपुटची शक्ती संबंधित करून वनस्पतीची कार्यक्षमता निश्चित केली जाते.

उच्च कार्यक्षमतेसह उद्योगात इलेक्ट्रोलिसिसचा दीर्घकाळ वापर केला जात आहे. एनोडायझिंग आणि इलेक्ट्रोप्लेटिंग हे दैनंदिन जीवनात सामान्य झाले आहेत आणि खाणकाम आणि सामग्रीचे फायदे या धातूपासून अनेक धातू काढण्यास मदत करतात.प्रक्रियेचे मूलभूत नमुने जाणून घेऊन त्याचे नियोजन आणि गणना केली जाऊ शकते.

संबंधित लेख: