Електроліз у промисловості

Електроліз – це сукупність процесів, що протікають у розчині або розплаві електроліту, при пропущенні через нього електричного струму. Електроліз є одним з найважливіших напрямків в електрохімії.

Електроліз протікає тільки в тих середовищах, які проводять електричний струм. Здатністю проводити струм мають також водяні розчини підстав і солей. Безводні кислоти – дуже погані провідники, але водяні розчини кислот добре проводять струм. Розчини кислот, підстав і солей в інших рідинах у більшості випадків струму не проводять, але й осмотичний тиск таких розчинів виявляється нормальним, точно так само не проводять струму водяні розчини цукру, спирту, гліцерину й інші розчини з нормальним осмотичним тиском.

Закон Фарадея.

Маса речовини, що виділився на електроді при проходженні по розчину електроліту електричного струму, прямо пропорційна кількості електрики.

∆m=kQ

де ∆m – кількість речовини; Q – кількість електрики; k – коефіцієнт пропорційності, що показує, скільки речовини прореагувало при проходженні одиниці кількості електрики. Величина, k називається електрохімічним еквівалентом.

k=M/(Naz│e│)

де z – валентність іона; M – молярна маса речовини, що виділився на електроді; Na-Постійна Авогадро. │e│= 1,6• 10-19Кл.

Ще на початку позаминулого сторіччя було встановлено, що при проходженні електричного струму через водяні розчини солей відбуваються хімічні перетворення, що приводять до утвору нових речовин. У результаті цього, на початку минулого століття виник науковий напрямок по вивченню електрохімічних процесів у розчинах і розплавах речовин – електрохімія. До кінця сімдесятих років воно розділилося на два самостійні роздягнула – іоніку, що вивчає явища електропровідності й руху заряджених часток під впливом електричного поля, що вивчає явища, що відбуваються безпосередньо на поверхні електродів, коли через границю електрод-розчин (розплав) протікає електричний струм. Хімічні перетворення, що відбуваються при впливі електричного струму на речовини, називаються електролітичними.

Електроліз являє собою досить складну сукупність процесів, до яких ставляться: міграція іонів (позитивних до катода, негативних до анода), дифузія іонів, що розряджаються на електродах, електрохімічні реакції розряду іонів, вторинні хімічні реакції продуктів електролізу між собою, з речовиною електроліту й електрода.

Технічний або прикладний електроліз характеризується складністю електролітичних процесів, що протікають у промислових умовах, різними видами електролізу, їх залежністю від природи електроліту, типу електролітичної ванни, оптимізації самих електролізних процесів.

Електролітичні процеси класифікуються в такий спосіб:

· одержання неорганічних речовин (водню, кисню, хлору, лугів і т.д.)

· одержання металів (літій, натрій, калій, берилій, магній, цинк, алюміній, мідь і т.д.)

· очищення металів (мідь, срібло,…)

· одержання металевих сплавів

· одержання гальванічних покриттів

· обробка поверхонь металів (азотування, борірованіє, очищення)

· одержання органічних речовин

· електродіаліз і знесолення води

· нанесення плівок за допомогою електрофорезу

Актуальність електролізу пояснюється тим, що багато речовин одержують саме цим способом. Наприклад, такі метали як нікель, натрій, чистий водень і інші, одержують тільки за допомогою цього методу. Крім того з його допомогою електролізу відносно легко можна одержати чисті метали, масова частка самого елемента в яких прагнути до ста відсоткам. У промисловості алюміній і мідь у більшості випадків одержують саме електролізом. Перевага цього способу у відносній дешевині й простоті. Однак щоб виробництво було найбільш вигідним: з найменшими витратами електроенергії й з найбільшим виходом продукції, необхідно враховувати різні фактори, що впливають на кількість і якість продуктів електролізу (сила струму, щільність струму, температура електроліту, матеріал електродів і ін.).

На сьогоднішній день великою популярністю користуються різні предмети, покриті дорогоцінними металами. (позолочені або посріблені речі).

До того ж металеві вироби покривають шаром іншого металу електролітичним способом метою захистити його від корозії.

Електроліз широко застосовується

Застосування в промисловості

в різних галузях промисловості. У хімічній промисловості електролізом одержують такі важливі продукти як хлор і лугу, хлорати й перхлорати, надсірчану кислоту й персульфати, перманганат калію, органічні сполуки, хімічно чисті водень, кисень, фтор і ряд інших коштовних продуктів.

У кольоровій металургії електроліз використовується для рафінування металів, для витягу металів з руд. Метали, які не можуть бути виділені з водяних розчинів внаслідок високого негативного потенціалу одержують у кольоровій металургії електролізом розплавлених середовищ, у якості яких служать солі цих металів, що містять добавки різних сполук, що вводяться з метою зниження температури плавлення розплаву, підвищення електропровідності і т.д. До металів, одержуваних електролізом розплавлених середовищ ставляться алюміній, магній, цирконій, титан, уран, берилій і ряд інших металів.

Електроліз застосовують у багатьох галузях машинобудування, радіотехніки, електронної, поліграфічної промисловості для нанесення тонких покриттів металів на поверхню виробів для захисту їх від корозії, додання декоративного виду, підвищення зносостійкості, жаростійкості, одержання металевих копій.

Покриття металів шаром іншого металу за допомогою електролізу (гальваностегія).

clip_image001

Для оберігання металів від окислення, а також для придання виробам міцності і кращого зовнішнього вигляду їх покривають тонким шаром благородних металів (золото, срібло) або металами (хром, нікель), що малоокислюються.

Предмет, що підлягає гальванічному покриттю, ретельно очищають, полірують і знежирюють, після чого занурюють в якості катода в гальванічну ванну. Електролітом є розчин солі металу, яким виконується покриття. Анодом служить пластина з того ж металу. На мал. 45 зображена ванна для нікелювання. Електролітом служить водний розчин речовини, що містить нікель (напри-мер, сірчанокислий нікель NiS04), катодом є предмет, що піддається покриттю. Величина

струму, що пропускається через ванну, повинна відповідати величині t поверхні, що покривається. Для рівномірного покриття предмета його розміщують між двома анодними пластинами. Після покриття предмет виймають з ванни, сушать і полірують.

Отримання копій з предметів за допомогою електролізу (гальванопластика).

Для отримання копій з металевих предметів (монет, медалей, барельєфів і т. п.) роблять зліпки з якогось пластичного матеріалу (на-пример, воску). Для надання зліпку электропроводності його покривають графітовим пилом, занурюють у ванну в якості катода і отримують на нім шар металу потрібної товщини. Потім шляхом нагрівання видаляють віск.

Виробництво патефонних пластинок засноване на застосуванні гальванопластики (мал. 40). Воскова пластина з нанесеним на ній записом, обпилена для електропровідності золотом, занурюється в розчин мідного купоросу в якості катода. Мідний анод підтримує концентрацію розчину постійною. Отриманий металевий рельєфний негативний відбиток служить для штампування з нагрітої пластмаси великого числа патефонних пластинок.

Гальванопластика застосовується у багатьох галузях промисловості, у тому числі в поліграфії. Процес гальванопластики був розроблений в 5836 р. руським академіком Борисом Семеновичем Якобі (1801-1874). Би. С. Якобі відомий своїми численними роботами в області електротехніки. Він є винахідником першого електродвигуна з безпосереднім обертанням валу, колектора для випрямлення струму, телеграфних апаратів, що пишуть, а також першого у світі букводрукувального телеграфного апарату; їм уперше (у 1838 р.) здійснений рух човна за допомогою електричної енергії.

Якобі створені прилади для виміру електричного опору, виготовлені еталон опору, сконструйований вольтметр.

Рафінування (очищення) металів.

У електротехніці завдяки хорошій електропровідності найбільш широке застосування як провідниковий матеріал має

clip_image002

мідь. Мідні руди, окрім міді, містять багато добавок, таких, як, наприклад, залізо, сірка, сурма, миша-як, вісмут, свинець, фосфор і т. п. Процес отримання міді з руди полягає у наступному. Руду змізерніють і обпалюють в особливих печах, де деякі домішки вигорають, а мідь переходить в окисел міді, яку знову плавлять в печах разом з вугіллям. Йде відновний процес, і отримують продукт

що називається чорною міддю, зі змістом міді 98-99%. Мідь, що йде на потреби електротехніки, має бути найбільш чистою, оскільки всякі домішки зменшують електропровідність міді. Така мідь виходить з чорної міді шляхом рафінування її електричним способом.

Неочищена мідь підвішується в якості анода у ванну з розчином мідного купоросу (мал. 47). Катодом служить лист чистої міді. При пропусканні через ванну електричного струму мідь з анода переходить в розчин, а звідти осідає на катод. Електролітична мідь містить до 99,95% міді.

Мідь в електротехніці застосовується для виготовлення голих до ізольованих дротів, кабелів, обмоток електричних машин і трансформаторів, мідних смуг, стрічок, колекторних пластин, деталей машин і апаратів.

Друге місце після міді в електротехніці займає алюміній. Сировиною для отримання алюмінію служать боксити, з окислу алюмінію (до 70%), окислу кремнію і окислу заліза. В результаті обробки бокситів лугом виходить продукт, що називається глиноземом (Аl2O3).

Глинозем з деякими додаваннями (для зниження температури плавлення) завантажується у вогнетривку піч, стінки і дно якої викладені вугільними пластинами, сполученими з отріцательним полюсом джерела напруги. Через кришку печі проходить вугільний стержень, який служить анодом. Спочатку опускають вугільний анод, внаслідок чого виникає електрична дуга, яка розплавляє глинозем. Надалі проходить електроліз розплавленої маси. Чистий алюміній накопичується на дні посудини, звідки його виливають у форми. Процентний вміст алюмінію в металі досягає 99,5%. Для отримання алюмінію потрібно велику кількість електроенергії. Тому алюмінієві заводи будуються біля великих гідроелектростанцій з дешевою електроенергією.

Алюміній в електротехніці вживається для виготовлення дротів, кабелів, отримання деяких сплавів.

Висновок

Аналіз наукової й науково-популярної літератури свідчить про те, що процеси електролізу розчинів і розплавів цікавлять учених і технологів у цей час, тобто дана тема не втратила своєї актуальності й практичної значимості.

Електроліз широко використовують у промисловості для виділення й очищення металів, одержання лугів, хлору, водню.

Алюміній, магній, натрій, кадмій, кальцій, берилій, титан одержують тільки електролізом розплавів, тому що потенціали їх виділення з водних розчинів більш негативні, чому потенціал виділення водню.

Очищення міді, нікелю, свинцю проводять цілком електрохімічним методом. Виробництво фтору засноване на електролізі розплавленої суміші фторида калію й фтороводородной кислоти, хлору – при електролізі водних розчинів або розплавів хлоридів. Водень і кисень високому ступеня чистоти одержують електролізом водяних розчинів лугів. Таким чином, за допомогою електролізу вдається здійснювати реакції окиснення й відновлення з більшим виходом і високої селективності, які у звичайних хімічних процесах важко досяжні.

Важливою галуззю застосування електролізу є захист металів від корозії: при цьому електрохімічним методом на поверхню металевих виробів наноситься тонкий шар іншого металу (хрому, срібла, міді, нікелю, золота) стійкого до корозії.

Стандартні електродні потенціали деяких окисно-відновних систем


Окиснена форма

Відновлена форма

Рівняння реакції

В

1.

Li+

Li

Li+ + 1ē↔li

-3,05

2.

K+

K

K+ + 1ē↔K

-2,92

3.

Ba2+

Ba

Ba2+ + 2ē ↔ba

-2,90

4.

Ca2+

Ca

Ca2+ + 2ē ↔ca

-2,87

5.

Na+

Na

Na+ + 1ē↔na

-2,71

6.

Mg2+

Mg

Mg2+ + 2ē↔mg

-2,36

7.

Al3+

Al

Al3+ + 3ē↔al

-1,66

8.

Mn2+

Mn

Mn2+ + 2ē↔mn

-1,05

9.

SO32

S

SO32+ 4ē + 3H2O ↔ S + 6OH

-0,90

10.

SO42

SO32

SO42+ 2ē + H2O ↔ SO32+ 2OH

-0,90

11.

NO3-

NO2

NO3- + ē + H2O ↔ NO2 + 2OH

-0,85

12.

H2O

H2

H2O + 2ē↔ H2 + 2OH

-0,83

13.

Zn2+

Zn

Zn2+ + 2ē ↔zn

-0,76

14.

Cr3+

Cr

Cr3+ + 3ē↔cr

-0,74

15.

Fe2+

Fe

Fe2+ + 2ē↔fe

-0,44

16.

Ni2+

Ni

Ni2+ + 2ē↔ni

-0,25

17.

Sn2+

Sn

Sn2+ + 2ē↔sn

-0,14

18.

Pb2+

Pb

Pb2+ + 2ē↔pb

-0,13

19.

2H+

H2

2H+ + 2ē↔H2

0,00

20.

Cu2+

Cu

Cu2+ + 2ē↔cu

0,34

21.

Ag+

Ag

Ag+ + 1ē↔ag

0,80

22.

NO3-

NO2

NO3- + ē + 2H+↔ NO2 + H2O

0,81

23.

Br2

2Br

Br2 + 2ē↔2Br

1,07

24.

O2

H2O

O2 + 4ē + 4H+↔2H2O

1,23

25.

Cl2

2Cl

Cl2 + 2ē↔2Cl

1,36

26.

Au3+

Au

Au3+ + 3ē↔au

1,50

27.

F2

2F-

F2 + 2ē↔2F-

2,87

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s