Điện phân - nguyên tắc hoạt động, mục đích và ứng dụng
quá trình điện phân
Điện phân phổ biến trong luyện kim màu và trong một số ngành công nghiệp hóa chất. Các kim loại như nhôm, kẽm, magie thu được chủ yếu bằng phương pháp điện phân. Ngoài ra, quá trình điện phân được sử dụng để tinh chế (tinh chế) đồng, niken, chì, cũng như sản xuất hydro, oxy, clo và một số hóa chất khác.
Bản chất của điện phân là sự tách các hạt của chất ra khỏi chất điện phân khi dòng điện một chiều đi qua bể điện phân và sự lắng đọng của chúng trên các điện cực được ngâm trong bể (chiết điện) hoặc khi các chất được chuyển từ điện cực này qua chất điện phân khác ( tinh chế điện phân). Trong cả hai trường hợp, mục tiêu của các quy trình là thu được các chất tinh khiết nhất có thể không bị nhiễm tạp chất.
Ngược lại độ dẫn điện tử kim loại trong chất điện phân (dung dịch muối, axit và bazơ trong nước và trong một số dung môi khác, cũng như trong các hợp chất nóng chảy) đều quan sát thấy độ dẫn ion.
Chất điện phân là chất dẫn điện hạng hai.Trong các dung dịch và sự nóng chảy này, quá trình phân ly điện phân diễn ra — sự phân hủy của các ion tích điện dương và âm.
Nếu các điện cực kết nối với nguồn năng lượng điện được đặt trong bình có chất điện phân - máy điện phân, thì dòng ion sẽ bắt đầu chạy trong đó và các ion tích điện dương - cation sẽ di chuyển đến cực âm (chủ yếu là kim loại và hydro). ) và các ion tích điện âm — anion (clo, oxy) — đến cực dương.
Tại cực dương, các anion từ bỏ điện tích của chúng và trở thành các hạt trung tính lắng đọng trên điện cực. Ở cực âm, các cation lấy các electron từ điện cực và cũng được trung hòa, lắng đọng trên đó và các khí thoát ra trên các điện cực ở dạng bong bóng bay lên.
Cơm. 1. Các quá trình trong quá trình điện phân. Mạch tắm điện: 1 — bồn tắm, 2 — chất điện phân, 3 — cực dương, 4 — cực âm, 5 — nguồn điện
Dòng điện ở mạch ngoài là sự chuyển động của các êlectron từ cực dương sang cực âm (Hình 1). Trong trường hợp này, dung dịch bị cạn kiệt và để duy trì tính liên tục của quá trình điện phân, nó phải được làm giàu. Đây là cách một số chất được chiết xuất từ chất điện phân (electroextraction).
Nếu điện cực được đặt trong dung dịch có các ion của cùng một chất mà từ đó nó được tạo ra, thì ở một điện thế nhất định giữa điện cực và dung dịch, điện cực không bị hòa tan cũng như không có chất nào lắng đọng trên nó từ dung dịch.
Thế năng này được gọi là thế năng bình thường của chất. Nếu một điện thế âm hơn được đặt vào điện cực, thì sự giải phóng một chất (quá trình catốt) sẽ bắt đầu trên nó, nhưng nếu nó dương hơn, thì sự phân hủy của nó sẽ bắt đầu (quá trình anốt).
Giá trị của điện thế bình thường phụ thuộc vào nồng độ ion và nhiệt độ. Người ta thường chấp nhận coi điện thế bình thường của hydro bằng không. Bảng 1 cho thấy thế điện cực bình thường của một số dung dịch nước của các chất ở +25°C.
Bảng 1. Thế điện cực bình thường ở + 25 ° C
Nếu chất điện phân chứa các ion của các kim loại khác nhau, thì các ion có điện thế bình thường âm thấp hơn (đồng, bạc, chì, niken) sẽ được tách ra trước ở cực âm; kim loại kiềm thổ là khó phân lập nhất. Ngoài ra, luôn có các ion hydro trong dung dịch nước, chúng sẽ được giải phóng sớm hơn tất cả các kim loại có điện thế bình thường âm, do đó, trong quá trình điện phân sau này, một phần đáng kể hoặc thậm chí phần lớn năng lượng được sử dụng để giải phóng hydro .
Với sự trợ giúp của các biện pháp đặc biệt, có thể ngăn chặn sự phát triển của hydro trong một số giới hạn nhất định, nhưng không thể thu được các kim loại có điện thế bình thường dưới 1 V (ví dụ: magiê, nhôm, kim loại kiềm thổ) bằng cách điện phân từ một dung dịch nước. Chúng thu được bằng cách phân hủy muối nóng chảy của các kim loại này.
Thế điện cực bình thường của các chất được chỉ ra trong bảng.1, là mức tối thiểu mà quá trình điện phân bắt đầu, trong thực tế, các giá trị tiềm năng lớn là cần thiết để phát triển quá trình.
Sự khác biệt giữa tiềm năng thực tế của một điện cực trong quá trình điện phân và tiềm năng bình thường của nó được gọi là quá điện áp. Nó làm tăng tổn thất năng lượng trong quá trình điện phân.
Mặt khác, việc tăng quá điện áp cho các ion hydro gây khó khăn cho việc giải phóng nó ở cực âm, điều này có thể thu được bằng điện phân từ dung dịch nước một số kim loại âm hơn hydro, chẳng hạn như chì, thiếc, niken , coban, crom và thậm chí cả kẽm. Điều này đạt được bằng cách tiến hành quá trình với mật độ dòng điện tăng lên trên các điện cực, cũng như bằng cách đưa một số chất vào chất điện phân.
Quá trình của các phản ứng catốt và anốt trong quá trình điện phân được xác định bởi hai định luật Faraday sau đây.
1. Khối lượng md của chất thoát ra khi điện phân ở cực âm hoặc truyền từ cực dương sang bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình điện phân Azτ: me = α/τ, ở đây a là đương lượng điện hóa của chất đó , g/C.
2. Khối lượng của chất thoát ra khi điện phân với cùng một điện lượng đó tỉ lệ thuận với khối lượng nguyên tử của chất A và tỉ lệ nghịch với hóa trị n của nó: mNS = A/96480n, ở đây 96480 là số Faraday, C x mol -1 .
Theo cách này, đương lượng điện hóa của một chất α= A / 96480n biểu thị khối lượng của một chất tính bằng gam được giải phóng bởi một đơn vị lượng điện đi qua bể điện phân - culông (ampe-giây).
Đối với đồng A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g / C, đối với niken α = 0,000304 g / C, đối với kẽm α = 0,00034 g / C
Tỷ lệ giữa khối lượng của chất được giải phóng thực sự so với khối lượng đáng lẽ phải được giải phóng theo định luật Faraday được gọi là năng suất hiện tại của chất η1.
Do đó, đối với một quá trình thực mNS = η1 NS(A/96480n)NS It
Đương nhiên, luôn luôn η1
Hiệu suất dòng điện phụ thuộc đáng kể vào mật độ dòng điện của điện cực. Khi mật độ dòng điện cực tăng, hiệu suất dòng tăng và hiệu suất quá trình tăng.
Điện áp Uel phải cung cấp cho máy điện phân bao gồm: điện áp đánh thủng Ep (chênh lệch điện thế của phản ứng anốt và catốt), tổng của quá điện áp anốt và catốt, điện áp rơi trong chất điện phân Ep, điện áp rơi trong chất điện phân Ue = IRep (Rep — điện trở), điện áp rơi trong lốp xe, tiếp điểm, điện cực Uc = I(Rw +Rto +RNS). Ta được: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.
Điện năng tiêu thụ trong quá trình điện phân bằng: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)
Trong số năng lượng này, chỉ có thành phần đầu tiên được sử dụng để thực hiện các phản ứng, phần còn lại là tổn thất nhiệt của quá trình. Chỉ trong quá trình điện phân muối nóng chảy, một phần nhiệt tỏa ra trong chất điện phân IUe mới được sử dụng hữu ích, vì nó được dùng để làm tan chảy các muối tích điện trong máy điện phân.
Hiệu quả của bể điện phân có thể được ước tính bằng khối lượng chất tính bằng gam được giải phóng trên 1 J điện năng tiêu thụ.Giá trị này được gọi là hiệu suất năng lượng của một chất. Nó có thể được tìm thấy bằng biểu thức qe = (αη1) /Uel100, ở đây α — đương lượng điện hóa của một chất, g / C, η1 — công suất dòng điện, Uemail — điện áp của chất điện phân tế bào, V