Vad är elektrolys och var används den?

Frågan om vad elektrolys är har diskuterats sedan skolans fysikkurs och är ingen hemlighet för de flesta. En annan sak är dess betydelse och praktiska tillämpning. Denna process används med stor fördel i olika branscher och kan vara till stor nytta för hemmafixaren.

Vad är elektrolys?

Elektrolys är ett komplex av specifika processer i ett elektrode- och elektrolytsystem med en konstant elektrisk ström. Dess mekanism bygger på generering av en jonström. Elektrolyten är en typ 2-ledare (jonisk konduktivitet) där elektrolytisk dissociation sker. Detta innebär att den sönderdelas i joner med positiva (cation) och negativa (anjon).

Ett elektrolysesystem innehåller nödvändigtvis en positiv (anod) och en negativ (katod) elektroden. När en elektrisk likström tillförs rör sig katjoner mot katoden och anjoner mot anoden. Kationerna består huvudsakligen av metalljoner och väte och anjonerna av syre och klor. Vid katoden får katjonerna överskottselektroner, vilket möjliggör reduktionsreaktionen Men+ + ne → Me (där n är metallens valens). Vid anoden ges elektronerna däremot tillbaka från anjonen och oxidationsreaktionen äger rum.

På så sätt säkerställs redoxprocessen i systemet. Det viktiga är dock att processen kräver energi. Den måste tillhandahållas av en extern strömkälla.

Faradays lagar för elektrolys

Den store fysikern M. Faraday gjorde det inte bara möjligt att förstå elektrolysens natur genom sin forskning, utan också att göra de nödvändiga beräkningarna för att genomföra den. År 1832 publicerades hans lagar, som kopplade samman de viktigaste parametrarna för de processer som ägde rum.

Den första lagen

Faradays första lag säger att massan av ett ämne som reduceras vid anoden är direkt proportionell mot den elektriska laddning som induceras i elektrolyten: m = kq = k*I*t, där q är laddningen, k är koefficienten eller den elektrokemiska ekvivalenten för ämnet, I är strömmen som flyter genom elektrolyten och t är den tid som strömmen flyter.

Andra lagen

Faradays andra lag gjorde det möjligt att bestämma proportionalitetskoefficienten k. Den lyder så här: Den elektrokemiska ekvivalenten för ett ämne är direkt proportionell mot dess molmassa och omvänt proportionell mot dess valens. Lagen uttrycks i följande form:

k = 1/F*A/zdär F är Faradays konstant, A är ämnets molmassa och z är dess kemiska valens.

Om vi tar hänsyn till båda lagarna kan vi härleda den slutliga formeln för att beräkna massan av det ämne som deponeras på elektroden: m = A*I*t/(n*F)där n är antalet elektroner som deltar i elektrolysen. Vanligtvis motsvarar n jonens laddning. Ur praktisk synvinkel är det viktigt att relatera ämnets massa till den ström som används, vilket gör det möjligt att styra processen genom att variera strömstyrkan.

Elektrolys av smältämnen

En variant av elektrolys är att använda en smälta som elektrolyt. I det här fallet är det bara smältjonerna som deltar i den elektrolytiska processen. Ett klassiskt exempel är elektrolys av saltsmältan NaCl (Bordssalt.). Negativa joner rusar till anoden, vilket innebär att gas frigörs (Cl). Vid katoden sker en reduktion av metallen, dvs. att ren Na bildas från de positiva joner som har dragit till sig överskottselektroner. Andra metaller kan framställas på liknande sätt (K, Ca, Li etc.) från upplösningen av respektive salter.

Vid smält elektrolys upplöses elektroderna inte utan fungerar endast som strömkälla. Metall, grafit och vissa halvledare kan användas vid tillverkningen. Det är viktigt att materialet har tillräcklig ledningsförmåga. Ett av de vanligaste materialen är koppar.

Funktioner av elektrolys i lösningar

Elektrolys i en vattenlösning är helt annorlunda än smältelektrolys. Här finns tre konkurrerande processer: oxidation av vatten som ger syre, oxidation av anjonen och anodisk upplösning av metallen. Processen involverar vattenjoner, elektrolyt och anod. Reduktionen av väte, elektrolytkatjoner och anodmetall kan således ske vid katoden.

Möjligheten för dessa konkurrerande processer att inträffa beror på systemets elektriska potential. Endast den process som kräver mindre extern energi kommer att äga rum. Följaktligen kommer katjonerna med den högsta elektrodepotentialen att reduceras vid katoden och anjonerna med den lägsta potentialen kommer att oxideras vid anoden. Vätgasens elektrodpotential är "0". I kalium är det till exempel lika med (-2,93 В), natrium är (-2,71 В), bly (-0,13 В), och för silver är det (+0,8 В).

Elektrolys i gaser

Gasen kan bara fungera som en elektrolyt om det finns en jonisator. I detta fall strömmar strömmen genom det joniserade mediet och orsakar den nödvändiga processen vid elektroderna. Faradays lagar gäller inte för gaselektrolys. Sådana villkor är nödvändiga för att den ska kunna förverkligas:

1. Varken högspänning eller högström kan hjälpa utan artificiell jonisering av gasen.
2. Endast syrefria gasformiga syror och vissa gaser är lämpliga för elektrolys.

Viktigt! Processen kommer att ske på samma sätt som elektrolys i en flytande elektrolyt om de nödvändiga villkoren är uppfyllda.

Egenskaper hos de processer som äger rum vid katoden och anoden.

För den praktiska tillämpningen av elektrolys är det viktigt att förstå vad som händer vid båda elektroderna när en elektrisk ström tillförs. Följande processer är karakteristiska:

1. Katod. De positivt laddade jonerna rusar mot den. Det är här som reduktionen av metaller eller frigörandet av väte sker. Flera kategorier av metaller kan särskiljas utifrån deras katjoniska aktivitet. Metaller som Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al reduceras endast väl från smälta salter. Om en lösning används frigörs väte genom elektrolys av vatten. Följande metaller kan återvinnas i lösning, men med tillräcklig koncentration av katjoner - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Processen är lättast för Ag, Cu, Bi, Pt, Au och Hg.
2. Anod. Negativt laddade joner matas till denna elektrod. När de oxiderar tar de elektroner från metallen, vilket leder till anodisk upplösning, dvs. Anjonerna omvandlas till positivt laddade joner som leds till katoden. Anjonerna delas också in efter sin aktivitet. Endast anjonerna PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4 och F kan avges från smältan. I vattenlösningar utsätts de inte för elektrolys, utan vatten med frigörande av syre. De lättast reagerande anjonerna är OH, Cl, I, S och Br.

Vid elektrolys är det viktigt att ta hänsyn till elektrodmaterialets benägenhet att oxidera. Man skiljer mellan inerta och aktiva anoder. Inerta elektroder är tillverkade av grafit, kol eller platina och är inte inblandade i jontillförseln.

Faktorer som påverkar elektrolysprocessen

Elektrolysprocessen beror på följande faktorer

1. Elektrolytens sammansättning. De olika föroreningarna har ett betydande inflytande. De delas in i tre typer - katjoner, anjoner och organiska ämnen. Ämnena kan vara mer eller mindre negativa än basmetallen, vilket stör processen. Bland de organiska föroreningarna finns föroreningar (t.ex. oljor) och ytaktiva ämnen. Deras koncentrationer ligger på högsta tillåtna nivå.
2. Strömtäthet. Enligt Faradays lag ökar massan av det deponerade ämnet med strömstyrkan. Det uppstår dock ogynnsamma omständigheter - koncentrerad polarisering, ökad spänning, intensiv uppvärmning av elektrolyten. Med detta i åtanke finns det optimala värden för strömtätheten i varje enskilt fall.
3. pH-värde för elektrolyt. Mediets syrahalt väljs också med tanke på metaller. Det optimala pH-värdet för zink är till exempel 140 g/cc.
4. Elektrolyttemperatur. Detta har en tvetydig effekt. När temperaturen ökar ökar elektrolyshastigheten, men även aktiviteten hos föroreningarna ökar. Det finns en optimal temperatur för varje process. Den är vanligtvis mellan 38 och 45 grader.

Viktigt! Elektrolysen kan påskyndas eller bromsas av olika influenser och valet av elektrolytsammansättning. För varje tillämpning finns det olika regler som måste följas strikt.

Var används elektrolys?

Elektrolys används i många tillämpningar. Det finns flera huvudsakliga användningsområden som kan särskiljas för praktiska resultat.

Galvanisering

En tunn, hård galvanisk metallbeläggning kan appliceras genom elektrolys. Det belagda föremålet placeras i ett bad som katod och elektrolyten innehåller ett salt av den önskade metallen. Så här kan du belägga stål med zink, krom eller tenn.

Elektraffinering - raffinering av koppar

Ett exempel på en elektrobehandlingsprocess är följande katod - ren koppar anod - koppar med föroreningar, elektrolyt - vattenhaltig kopparsulfatlösning. Koppar från anoden omvandlas till joner och deponeras i katoden utan föroreningar.

Utvinning av metaller

För att utvinna metaller ur salter smälts metallerna och elektrolyseras sedan i smältan. Denna process är ganska effektiv för att utvinna aluminium från bauxit, natrium och kalium.

Anodisering

I denna process tillverkas beläggningen av icke-metalliska föreningar. Det klassiska exemplet är anodisering av aluminium. Aluminiumdelen är monterad som en anod. Elektrolyten är en lösning av svavelsyra. Som ett resultat av elektrolysen avsätts ett lager aluminiumoxid på anoden, som har skyddande och dekorativa egenskaper. Ovanstående tekniker används i stor utsträckning inom olika branscher. Det är också möjligt att utföra processerna med egna händer och på ett säkert sätt.

Energikostnader

Elektrolys kräver mycket energi. Processen har ett praktiskt värde om den anodiska strömmen är tillräcklig, vilket kräver en betydande likström från kraftkällan. Dessutom ger den upphov till sidospänningsförluster - anodiska och katodiska överspänningar och förluster i elektrolyten på grund av dess motståndskraft. En anläggnings effektivitet bestäms genom att ställa den tillförda energins effekt i relation till den nyttiga massan av det framställda ämnet.

Elektrolys har länge använts inom industrin med hög effektivitet. Anodisering och elektroplätering har blivit vanliga i vardagen, och materialutvinning och bearbetning hjälper till att utvinna många metaller ur malmen. Processen kan planeras och beräknas genom att känna till dess grundläggande mönster.

Relaterade artiklar: