Эквивалент за ы
СОДЕРЖАНИЕ: Электролиз Электролиз Ж?мысты? жоспары Кіріспе. 1. ?ыс?аша аны?тама ж?не ашылу тарихы. 2. Электролиз теориясы. 3. Электролиз негізінде жат?аг Фарадей за?дары.Электролиз
Электролиз
Жмысты жоспары
Кіріспе.
1. ысаша анытама жне ашылу тарихы.
2. Электролиз теориясы.
3. Электролиз негізінде жатаг Фарадей задары.
4. Электролиз процессіне сер ететін факторлар.
5. Электродты потенциал былысы.
6. Электролитті процестерді талдау.
7. Хлор мен натрий мысалындаы техникалы электролиз.
8. Электролизді ндірісте олданылуы.
орытынды.
Кіріспе.
Электролиз процессіні анализі жргізілу шін ажетті негізгі тапсырмалар келесі діспен аныталан болатын.
Электролиттік процестерді тсіну шін, е алдымен теориялы бліммен танысу керек(ашылу тарихы, Фарадей заы). Келесі кезеде ртрлі факторларды электролитті нтижелі німдерінне сері арастырылады (санды жне сапалы рамы).
Шыынды электролитті сапалы рамыны электролиз нім рамына экспериментальдік жолмен аныталу тсілдеріне тоталайы.
Сондай-а электролизді трлі салаларда, оны ішінде ндірісте олданылуын арастырамыз.
1. ысаша анытама жне ашылу тарихы.
Электрохимия ылым ретінде ХVIII жне XIX асырларда шет елдерде алыптасты. Тек сол кезде шешімі электрохимия теориясын жаа дрежеге ктерген болатын проблемалар туындады. 1799ж итальян физигі А.Вольтті «вольттік баанасыны»- адамзат тарихындаы бірінші то кзіні пайда болуы жне итальян физиологы Л.Гальваниді тжірибелері электрохимияны ылым ретінде дамуына бастапы трткі болды.
Электрохимия жаа дамып жатан ылым. Тек екі асыр брын электр тогыны тздарды сулы ерітінділері арылы ткен кезде жаа заттар пайда болатын химиялы алмасулар жретіні аныталды.
Тек ткен асырды басында ана заттарды ерітінділері мен балымаларында болатын электрохимиялы процестерді зерттеуді ылымды баыты- электрохимия пайда болды.
Электролизді ндірістік олданылуы ХІХ асырды 70 жылдарында трата электр токты уатты генераторларды пайда болуынан кейін ана ммкін болды.
Электрохимияны 70-ші жылдарды соында ана екі блімге бле бастады: ионика жне электродика. Ионика- электр рісіні серінен зарядталан блшектерді жрісін жне электрткізгіштік былысын зерттейтін блім, ал электродика электрод ерітінді (балыма) шегі арылы тетін электр тогыны электродтар бетінде жретін былыстарды зерттейді.
Егер энциклопедиялы сздікке кз салатын болса, келесі анытамаа тірелеміз:
« Электролиз ( грек тіліндегі electro жне lysis- бліну, ыдырау)- электрохимиялы тотыу- тотысыздану процестеріні электрлік тогы ткен кездегі электролитке салынан электродтара сері.» электролиз электрохимиядаы е маызды баыт болып табылатыны ескеру ажет, ол з кезеінде электрохимия облысында маызды жаалытарды ашылуына негіз болды.
Электролиттік деп заттара электр тогыны серінен болатын химиялы айналымдарды айтамыз.
Электролиз процессі барлы жадайларда бірдей емес, ол біратар факторлара туелді болады- электролитті табиатына, электролиттік ваннаны типіне, электролиздік процестер здеріні оптимизациясына.
Техникалы жне олданбалы электролизді ажыратады, ал ал электролиттік процестерді келесі трде жіктейді:
1. металдарды балымаларыны алынуы.
2. гальваникалы абаттарды алынуы
3. бейорганикалы заттарды алынуы (хлор, сутегі, оттегі, сілтілер жне т.б.)
4. органикалы заттарды алынуы
5. металдарды тазартылуы (ола, кміс)
6. металдарды алынуы (магнии, цинк, литий, натрий, калий, алюминий,
т.б.)
7. металдар беттеріні делуі.
8. электорофорез кмегімен пленкаларды жабылуы.
9. электродиализ жне суды тзсыздандыруы.
Электролизді масатты олданылуы мынада жатады: оны кмегімен таза элементті массалы лесі жз процентке мтылатын металдарды алуа болады. Ал натрий, никель, таза сутегі жне басалар тек осы метод арылы алынады.
Сондай-а медь мен алюминийді кп жадайда осы діс арылы алады.
Электролиз зергерлік бйымдара алтын немесе кміс пленкасымен жабу шін олданылады. Осындай діспен бл металдарды коррозиядан орайды.
Бгінгі тада электрохимиялы процестерді зерттелуі, олара сер ететін факторларды анытау, электролиз процессіні ндірістік шараларда олдануды жаа трлеріні аныталуы жргізіліп жр. Кптеген факторлар лі де тсінікіз.
Е басты тапсырма болып, электролиз дісін одан рі дамыту, німділік пайдалы,ал электроэнергия шыындары минимальды болуы. Сонымен атар электролиз німіні саны мен сапасына сер ететін трлі факторларды ескеру ажет(электродтарды материалы, ток тыыздыы, ток кші, электролит температурасы, т.б.).
Электролиз теориясы.
Электролиз траты токты жргізу энергиясы жне электродтардаы химиялы айналымдардан блінетін энергия арасында жреді. Сондытан, электролиз тек электр тогы жретін орталарда те алады.
Электр тогыны ткізгіштеріне назар аударайы.
Электролит деп, ерітіндісі арылы тетін токты нтижесінде жретін химиялы процесті айтамыз.
Электр тогыны ткізгіштеріне мыналар жатады: тздарды, ышылдарды, негіздерді сулы ерітінділері. Электр тогын ткізетін заттар мен ерітінділер электролит деген ата ие болды.
Сонымен ышылдар, негіздер жне тздар электролит болып табылады.
Токты нашар ткізгіштері болып дистильднеген су, антты, спиртті, глицеринні сулы ерітінділері, сонымен атар, алыпты осмотикалы ысымды ерітінділер, соны ішінде, ышылдар, тздар мен негіздерді баса сйытардаы ерітінділері жатады. ра тздар жне сусыз ышылдар мен негіздер (атты трде) ток ткізбейді.
Электролиз кезіндегі энергия масатты німдерді алыптасуы процессі жйесіні гиббстік энергиясын арттруа жмсалады жне электролизер жне электр жйені баса аудандарындаы кедергі нтижесінде болатын біртіндеп жылу ретінде ыдырайды.
Электролиз нтижесінде катодта жаа німдерді пайда болуымен электролит молекулалары мен иондарыны тотыуы жреді. Катиондар электрондарды абылдап, тотысыздануды тмен дрежелі иондара немесе атомдара айналады.
Электролиз нтижесінде анодта анод материалына жататын немесе электролитте болатын иондар немесе молекулаларды тотысыздануы жреді (анод ыдырайды немесе тотысызданады).
Сол діспен, электролиздерді бастапы німдері ышылдар, негіздер жне тздарды алмасу реакциясы кезіндегі блшектері болып табылады, олар згермейді, бір заттан екіншісіне ауысады.
Электродтан блінетін німдерді зерттей отырып, ышылдар, негіздер жне тздарды электролизі кезінде катодта рашан металл мен сутегі, ал анодта ышыл алдытары мен кейін згерістерге шырайтын гидроксильді топтар блінетіні аныталды.
Электролиз кезіндегі процестерді длірек арастырайы.
Бізге бірінші жаты ткізгіштер белгілі, оларда электр электрондар арылы тасымалданады, ал екінші жаты ткізгіштерде электр иондар арылы тасымалданады.
Электрондар иондармен бірінші жаты ткізгіштер екінші жаты ткізгіштермен шектесетін электр тізбегі бар жерлерде зара серлеседі. Сол арылы электрохимиялы процестер жреді.
Бл жйе энергияны химиялы кзі деп аталады, егер бл процесстер зімен жретін болса.
Егер оларды жруі электр энергиясыны осылуымен шартталатын болса, онда электролиз жреді.
Электролиз кезінде электродтарда жретін электрохимиялы процестер е алдымен электрохимиялы жйелерге сйкес болатын электродты потенциалдар атынасына туелді болады.
Бірнеше ммкін болатын процестерден минимальды энергия шыыны болатыны жреді.
Бл катодта е кп электродты потенциалы болатын электрохимиялы жйелерді тотысызданан формаларыны тотытануы жреді, ал анодта е аз электродты потенциалы болатын жйелерді тотытанан формалары тотысызданады.
Енді магний хлориді балымасы мысалында электролиз процессін арастырайы.
Егер MgCl2 балымасы арылы ток ткізетін болса, магний катиондары теріс ішкі тізбек арылы келетін электрондармен зара сер ететін
электродтара арай тартылады.
Mg2++2e-=Mg
Ал хлор аниондары электр тогыны серінен о электрода арай тартыла бастайды, арты электрондарды бере отырып жне тотысызданады.
Сонымен хлор иондарыны тотысыздануы- электрохимиялы кезе бастапы процесс болып келеді.
2Cl-=2Cl+2e-
Келесі процесс – хлор атомдарыны молекулаларына зара байлануы жреді.
2Cl=Cl2
Енді балыманы электролиз кезіндегі тотыу-тотысыздану реакциясыны электродта жретін процестер тедіктерін оса аланда
жалпы тедеуін аламыз.
Mg2++2Cl-1=Mg+Cl2
Электролит иондарынынан баса кез келген сулы ерітіндіде суды диссоциация німдері болатын иондар болады – Н+ жне OH-. Суды молекулалары да берілген шартарда электрохимиялы тотыу-тотысыздануа шырайды.
Электролит катиондары сутегі катиондары сияты катодта разрядталады. Жне аналогия бойынша, анодта электролит аниондарыны жне гидроксид иондарыны разрядтары жреді.
Сулы ерітінділерді электролизі кезінде катодты процестерді арастыра отырып сутегі иондарыны тотыу процессіндегі потенциал млшерін ескеру ажет. Бл потенциал сутегі иондарыны концентрациясына туелді болады жне бейтарап ерітінділер жадайында (рН=7) мына мнге ие болады: =0059•7= 041B.
Бейтарап ерітіндіде катодтан металды электролиті кезінде жне 041B ке араандаы электродты потенциалы о болатын металл блінеді.
Ал электролит жадайында, потенциалы 041Bке араанда теріс потенциал болатын металдар тотытанбайды, сутегіні блінуі жреді.
Ал егер металл потенциалы 041B крсеткішіне жаын болса (орта атарды металдары – Zn, Cr, Fe, Ni), электролиз шарттарына жне ерітінді концентрациясына байланысты металды тотыуымен атар сутегіні блінуі ммкін; металл мен сутегіні біратар блінуі кп кездеседі.
Сутегіні ышыл ерітінділерінен электрохимиялы блінуі сутегі иондарыны разрядталыну нтижесінде пайда болады. Бейтарап немесе сілітілі орталар жадайында ол суды электрохимиялы тотыуыны нтижесі болып келеді:
2H2O+2e-=H2+2OH-
Сонымен, сулы ерітінділерді электролизі кезінде катодты процестерді мінезі е алдымен кернеу атарындаы сйкес металды орналасуымен аныталады. кп жадайда ерітіндіні рН ,металл иондарыны концентрациясы жне электролизді баса шарттары маызды болады. Анодты процестерді арастыран кезде анодты материалы электролиз кезінде тотыу ммкіншілігін ескеру ажет. Осыан байланысты инерттік анодпен электролиз жне активті анодпен электролиз деп ажыратады. Активті анод деп, материалы электролиз кезінде тотыа алатын анодты айтады. Инертті анод материалы негізінде кбінесе кмір графитін немесе платинаны олданады. Инертті анодта сілтілерді сулы ерітінділерінде, рамында оттегі болатын ышылдар жне оны тздары, сонымен атар, фторлысутекті ышылдар жне фторидтерді электролизі кезінде суды оттегі блу арылы электрохимиялы тотысыздануы жреді.
Ерітіндіні рН на байланысты бл процесс ртрлі жреді жне р трлі тедеулермен жазылуы ммкін.
4OH-=O2+2H2O+4e-
Ал ышыл немесе бейтарап ортада
2H2O=O2+4H++4e-
арастырылып отыран жадайларда суды электрохимиялы тотысыздануы энергетика жаынан е пайдалы болып келеді. рамында оттегі болатын аниондар не тотыа алмайды, не тотыу процессі те жоары потенциалдарда теді. Мысалы, SO42 ионы тотысыздануыны стандартты потенциалы
2SO42-=S2O82-+2e-
2,010В ке те, су тотысыздануыны стандартты потенциалын біршама арттырады. (1,228B).
F ионы тотысыздануыны стандартты потенциалыодан лкен крсеткішке ие (2,87B).
Сулы ерітінділерді оттексіз ышылдары жне оларды тздарыны анодтаы электролизі кезінде аниондар разрядталады. Кбінесе, HI, HBr, HCl ерітінділері жне оларды тздарыны электролизі кезінде анодта сйкес галоген блінеді. HCl жне оны тздарыны кезінде хлорды блінуі жйелерді орналасуын кері тжырымдайды
2Cl-=2Cl+2e-(=1359B)
жне
2H2O=O2+4H++4e-(=1228B)
стандартты электродты потенциалдар атарында. Бл аномалия аса маызды екі электроды процесстерді біреуіні кернеуіні тым жоары болып кетуіне байланысты- анодты материалы оттегі бліну процессіне тежеулі сер етеді.
Ал активті анод жадайында бсекелесетін тотсыздану процестерді саны шке дейін седі: суды оттегі блінуімен электрохимиялы тотысыздануы, анионны разрядталуы (яни оны тотысыздануы) жне анод металыны электрохимиялы тотысыздануы (металды анодты еруі деп те атайды). Бл ммкін болатын процесстерден тек энергетикасы жаынан е пайдалысы ана жреді. Егер анод металы стандартты потенциалдар атарында баса екі электрохимиялы жйелерден ертерек орналасан болса, металды анодты еруі байалады. Кері жадайда оттегіні блінуі немесе анионны разрядталуы жреді.
Сулы ерітінділерді электролизіні бірнеше типтік жадайларын арастырайы.
CuCl2 ерітіндісіні инердті анодпен электролизі. ола керну атарында сутектен кейін орналасан; сондытан катодта Cu2+ иондарыны разрядталуы жне металды оланы блінуі жреді. Анодта хлорид-иондар разрядталады.
ола хлориді (ІІ) ерітіндісіні электролиздік слбасы.
CuCl2
КатодCu2+2Cl-Анод
Cu2++2e-=Cu2Cl-=2Cl+2e-
2Cl=Cl2
K2SO4 ерітіндісіні инертті анодпен электролизі. Калий кернеу атарында сутегіден біршама ерте орналасандытан, катодта сутегіні блінуі жне ОН- жиналуы болады. Анодта оттегіні блінуі жне Н+ иондарыны жиналуы жреді. Сонымен атар катодты кеістікке К+иондары жиналады, ал анодтікіне- SO42 иондары. Сол арылы ерітінді барлы жаынан электрбейтарапты болып алады. Алайда катоды кеістікте сілті жиналады, ал анодта-ышыл.
Калий сульфаты ерітіндісіні электролизіні слбасы:
2K2SO4
Катод4K+2SO42-Анод
4K+2SO42-
4H2O+4e-=4OH-+4H2H2O=4H++2O+4e-
KOH4H=2H22O=O2H2SO4
NiSO4 ерітіндісініникельдіанодпенэлектролизі. Никельдістандарттыпотенциалы (-0,250B) -0,41Bденкішкенеарты; сондытан NiSO4 бейтараперітіндісініэлектролизікезіндекатодтанегізінен Ni2+ иондарыныразрядтарыжнеметалдыблінуіжреді. Анодтакерібаыттапроцессжреді – металдытотысыздпнуы, никельдіпотенциалысудытотысызданупотенциалынанлдеайдааз. Соларылы, берілгенжадайдаэлектролизанодметалыныеруіменоныкатодаблінуінекеліпсоады.
Никель сульфаты ерітіндісіні электролиз слбасы:
NiSO4
КатодNi2+SO42Анод
SO42-
Ni2++2e-=Ni Ni=Ni2++2e-
Блпроцессникельдіэлектрохимиялытазартылуыкезіндеолданылады.
3.Электролиз негізінде жататын Фарадей задары.
Фарадейді бірінші заы.
«Электр тогыны электролит ерітіндісі арылы ькендегі электродта блінетін зат массасы электр клеміне тура пропорционалды болады».
m=kэQ
Мндаы m-реакцияа тскен затты млшері; Q- электр млшері; kэ- электр млшеріні бірлігіне анша зат сер еткенін крсететін пропорционалды коэффициент.
k млшері электрохимиялы эквивалент деп аталады.
k=M/(Naz|e|)
мндаы z ион валенттілігі; М электродта блінген затты молярлы массасы; Na Авогадро тратысы, |e|=1,6•10-19 Кл.
Фарадейді екінші заы.
Фарадейді екінші заы бойынша, ткен электрді берілген млшерінде реакцияа тскен заттарды массаларыны атынасы оларды химиялы эквиваленттеріні атынасына те:
m1\A1=m2\A22=m3\A3=const
Элементтіхимиялыэквивалентісутегінібіратомдымассасыннемесеоттегініжартыатомдымассасыносатыннемесеалмастыратынхимиялыосылыстарда 1\12 атоммассасыны C12болатынэлементблшегімассасыатынасынате. «химиялыэквивалент» тсінігіосылыстараолданылады. Солай, ышылдыхимиялыэквивалентісанбойыншаонымолярлымассасынынегізінеблінуінайтамыз (сутегіиондарынысаны), негіздіхимиялыэквиваленті-онымолярлымассасыныышылдыынаблінуін (бейорганикалынегіздерде- гидроксильдітоптардысанына), тздыхимиялыэквиваленті- онымолярлымассасыныкатиондарнемесеаниондарзарядтарыныосындысынаатынасыболыптабылады.
4. Электролиз процессіне сер ететін факторлар.
Электролиз эффектілігін келесі факторлар атарымен баа береді: ток кші, кернеу, ток тыыздыы, ток кзіні ПКі, ток шыыны, зат бойынша шыыны, электрэнергияны ПКі, алынан німні бірлігіне кетірілген электр энергиясыны шыыны.
Электролизердегі ток кші мен кернеулік оны німділігін сипаттайды. Электролизер арылы тетін ток кші нерлым кп болса, берілген электролизерді эксплуотациясы кезінде соншалыты кп нім алуа болады. Жаында уатты электролизерлерді жасалу тенденциялары байалуда. Олар ондаан жне жздеген мы Амперге саналан (хлор, алюминий жне т.б. німдері) электролизердегі кернеу бірнеше рамдастардан трады:
U=ea-ek+ea+ek+eэл.-eдиафр.+еконт.
Мндаы U- жарлытаы жалпы кернеу; ea жне ek – анодты жне катодты реакцияларды тепе тедік потенциалдары; eэл. жне eдиафр – электролит жне диаграммадаы кернеуді кемуі; еконт.- байланыстаы кернеуді кемуі. ea-ek осындысы ыдыруды кернеуі деп аталады. Бл лшем электролизге кеткен заттарды ішкі энергиясыны згеруіне шырайтын электроэнергияны млшерін крсетеді.
Электролиз кезінде поляризация жне осмикалы кернеу балансыны кйі млшерінен жарлытаы кернеулер кемуге тырысады. Ыдырау кернеуі сер етуші затты табиатына шартталан, сондытан згере алмайды. ек мен еа мндері араластыру, электролит температурасын арттыру , электрод бетіні кйін згертуі жне біратар факторларды серінен электродта тетін электрохимиялы реакцияны тріне байланысты згере алады.
R=l\s теідеуі арылы берілген электролиттегі кернеуді кемуін (мндаы - электролитті шекті тежеуі; Ом•см, l-электродтарды арасындаы араашыты,см (диаграмманы есептемегенде); S- электр тогы тетін электролитті клдене имасыны ауданы, см2, ол электродтарды жылжытылуы, ерітіндіге электр терістігі мол осылыстарды осу, температураны арттыру арылы кішірейтілуі ммкін. Егер электролиз газ блінумен атар жрсе, жоарыда крсетілген тедеу рашан кернеуді электролитте кемуіне сйкес болмайды. Оны мазмны электродтаы газ кпіршіктері электролитті активті имасын S азайтады жне токты бірінші электродтан екіншісіне дейінгі жолды зартады. Бл былыс газдытолтырылу деп аталады, оны берілген моменттегі кпіршікті алып жатан клеміні жалпы электролиттік жарлыты клеміне атынасын айтуа болады. Газдытолтырылуды электролитті электрткізгіштігіне серін келесі тедік арылы анытауа болады:
\=1-1.78+2
мндаы жне электролитті жалпы жне газдытолтырылан электролитті шекті кедергісі; - газдытолтырылу. – ді млшері температураны арттыруымен, сонымен атар жарлытан газдарды еркін жоятынын амтамасыз ететін арнайы электродтарды рылысы арылы азайтуа болады.
Диафрагмадаы кернеуді кемуі диафрагманы электролиздегі рлі жайлы сраты шешу кезінде аныталды. Байланыстардаы кернеулерді тмендеуі жайлы айтатын болса, бл млшер байланыстарды дамыандыынан, серлесуші беттерді тазалыынан туелді. Электродты байланыстарды кптеген шешімдері бар. Кернеуді пайдалану сер коэффициенті депыдырау кернеуіні жалпы кернеуге атынасын айтамыз:
hкерн= (ea-ek)\U
ток тыыздыы деп, электролит арылы тетін токты электрод бетіні млшеріне атынасын айтамыз; А\см2 (дм2, м2). ндірісте токтарды ртрлі тыыздытарымен жмыс істейді- бірнеше жз А\см2 тан (гальваностегия, гидроэлектрометаллургия, Хлор ндіріснде) бірнеше мыдаан А\см2 ке дейін. Ток тыыздыыны млшері электродты бетті бірлігінен, яни электролизер німділігінен алынатын нім млшерін сипаттайды. Сондытан, ток тыыздыыны арттырылуы электролиз німіні ешандай шыынын келтірмейтін болса, ток тыыздыыны максимальды ммкіндіктерімен жргізілетін процестерге мтылады. Алайда, ток тыыздыыны алыпты мнін тадаан кезде, кейбір жадайларда электролизге кеткен электрэнергиясыны шыыныны артуы нітижесінде кернеуді ток тыыздыыны артуы болады. Электролиз кезінде электролит арылы жіберілетін ток бірнеше параллельді электрохимиялы реакциялара шыындала алады. Мысалы, сулы ерітінділерді электролизі кезінде электрохимия тотыу тотысыздану реакцияларына сйкесінше анодта жне катодта блінетін суды О2 жне H2 ге ыдырауы атар жреді. Криолитарабалшыты балымасыны электролизі кезінде ток берілген жадайларда тек алюминийді блінуіне ана шыындалмайды, сонымен атар катодта металл натрийді жиналуына кетеді.
Сонымен, электролит арылы жргізілетін ток берілген анодта бір уаытта тетін бірнеше процестерге таралады:
I=i1+i2+i3+…in
Мндаы І- электролизер арылы тетін ток; i1 жне i2 электролитті реакциясыны бірінші жне екінші бірлігіне шыындалан ток.
Электролизер арылы ткізілген электр млшеріні олданылуыны тиімділігін ескеру шін ток шыыны деген тсінігі енгізіледі.
Ток бойынша шыын- кез келген электр клемін алу шін телориялы ажетті электр млшеріні практикалы шыындалан электр клеміне атынасы.
ажет емес электрохимиялы реакциялара кететін энергияны азайту шін электролизді ерітіндіні ыдырауы иын болатын жадайларда жргізуге тырысады. йткені еріткішті тотыу тотысыздану поляризациясы ммкіндігі жоары болады (мысалы сутегіні немесе оттегіні кернеуіні тым артуы). Бл ток тыыздыыны артуы, электролит температурасыны згертуі, электролит материалыны тадалуымен нтиже береді.
Зат бойынша шыын- электрохимиялы реакция нтижесінде алынан нім млшеріні теория бойынша пайда болатын зат млшеріне атынасын айтамыз. Электроэнергия жмсалуыны ПКі (энергия бойынша шыын)- зат млшеріні бірлігі алыну шін ажетті электроэнергия млшеріні практика бойынша шыындалан энерги млшеріне атынасын айтамыз. Теория бойынша ажетті электроэнергия млшері – егер процесс кернеу бойынша 100%-ті ток кшіні шыынымен жргендегі зат млшеріні бірлігі алыну шін ажетті млшері. Сонымен, энергия бойынша шыын мына формула арылы аныталады.
э=Wп\N=ток•кернеу
ток бойынша шыын жне зат бойынша, электроэнергия пайдалануды ПКі керн кбінесе процентте есептейді. Электроэнергия шыынын кбінесе ндірілген зат млшеріні бірлігіне теестіреді, вт са\кг немесе квт са\т лшенеді. Траты ток электрэнергиясыны 1т электролизбен ндірілген німге кеткен шыымын есептеу шін келесі формуланы олдануа болады:
W=1•106•U\kток•1000
Мндаы W-траты ток электроэнергиясыны шыыны кВтса\т; U- электролизердегі кернеу,В; k-электрохимиялы эквивалент, грамм\а•r; ток- ток бойынша шыыны, бірлік млшері; 1000-айналдыру коэффициенті, вт•са тан квт•са а. Айнымалы токты ндірілген німгі бірлігне кеткен электрэнергия шыымын траты ток энергиясы шыымы айнымалы токты тратыа айналу кезіндегі коэффициент млшеріне атынасымен аныталады. электролит балымасы немес ертнд арылы электр тогыны ткізілуі уаыт аралыында жне пайда болатын жне шыындалатын зат млшері аралыында Фарадей задарымен аныталатын ата атынастар болады.
5. Диафрагмаларды олданылуы.
Анодта жне катодта тетін электролиз німдеріні рекеттесуін тотату кездерінде электролизер ішіне кпіршікті ала кіргізіледі-диафпагма, оны минимум екі электродты кеістіктерге – анодты, катодты етіп бледі. Анодты кеістікке йылатын ерітіндіні анолит, ал катодты кеістікке йылатын ерітіндіні католит деп атайды. Диафрагмалар орнатылан жне фильтрлейтін болып блінеді. Орнатылан диафрагмаларда диффузионды кедергілер болу керек жне олар электролит иондары шін ана селективті ткішті болу керек, сонымен бірге олар электролиз німдерін тежемеуі ажет. Фильтрлейтін диафрагмаларды диффузионды кедергісі тмен боландытан, оларды электролизді кері баытта- электролит бір электродты кеістіктен келесіге диафрагма арылы иондар озалысы баытына арама арсы кшкен кезде олданылады. Диафагмалар клемді кпіршіктенуімен, ткізгіштігімен, электр кедергісімен сипатталады. Диафрагманы клемді кпіршіктенуі кпіршіктер клеміні млшеріні жалпы диафрагма клеміне атынасымен сипатталады, мына тедікпен аныталады:
g= 1-dкаж\dист
мндаы dкаж- диафрагманы тжырымды тыыздыы, dист- шын тыыздыы. Диафрагманы тімділігі – р диафпагманы ауданына, бетіне, алыдыына, гидростатикалы ысымына жне ту уаытына туелді болады.
p= kShr\
мндаы k- тімділік коэффициенті, диафрагманы берілген типіне сипатты млшері. Диафрагманы электрлік кедергісі R келесі атынастан анытай аламыз:
R=\gS
Мндаы кпіршіктерді браладануыны коэффициенті, кпіршікті зындыы диафрагма зындыынан неше есе кем екенін крсетеді.
Диагфрагмалар электролиз жадайында мыты химикалы тратылыа жне механикалы беріктілікке ие болу керек. Диаграма жасалатын зат болып асбест, керамика, пластмаса болып келеді. Кейбір жадайларда, мысалы, балымаларды электролизікезінде металды диафрагмалар олданылады.
Соы жылдары электролиз процессінен тек бір зарядты ионы (катион немесе анион) шін енетін ионитті диафрагмаларды таралуын алады. Электролиз німдеріні зара серлесуіне ана кедергі етпей, электродтарда німдерді тотыу тотысыздануын болдырмайды. Осындай жадайларда не орнатылан, не ионитті диафрагмаларды олданылады.
6. Электродты потенциал былысы.
Егер металды суа салатын болса, оны катиондары сйытыа те бастайды. Катион бетінде электр зарядыны болуына байланысты метал бетінде лшемі бойынша те, табасы бойынша арама арсы болатын заряд арты электрондар трінде жреді, яни металл беті теріс зарядталан болады. Ол зіне металды ерітіндіге ткен о зарядты иондарын біртіндеп тарта бастайды, сол арылы ктиондар ерітінді клеміне еркін те алмайды. Сондытан, металл мен ерітінді шекарасында теріс жаы металл беті, ал о жаы еріген иондарды жанасу абаты болып келетін жазы конденсатор трізді жп электрлік абат тзіледі. Иондарды аз млшері ерігеннен кейіннен а жп абатты заряды соншалыты седі, металды балуы тоталады.
Егер металл суа емес, зіні иондарыны ерітіндісне салынан болса, (мвсалы, Zn ті ZnSO4 ке саланда), онда бл процесс біршама згеше болады. Егер ерітінді концентрациясы аз болса, онда жп электрлік абатты тзілуі металды судаы ерітіндісіндегідей теді.
Егер ерітіндіде иондар концентрациясы жоары болса, онда алдымен металл бетіндегі о зарядталан катиондарды тнбаа тсуі байалады. Енді металл беті зіне теріс иондарды тарта бастайды жне жп электрлік абат тзіледі.
Катиондар металды бір табалы заттарыны жне оны иондарыны ары арай тнбаа тсуі тоталатына дейін катиондар тнбаа тседі.
Екі теріс табалы зарядталан денелер боланда оларды арасында потенциалдар айырмасыны болатыны белгілі. Бндай потенциалдар айырмасы мнда да, жп электрлі абатта, металл-ерітінді шекарасында байалады. Иондарды металдан ерітіндіге жне айта туі оларды арасында потенциалдар айырмасын тудырады. Металл-ерітнді жбын электрод деп айту абылданан. Бл жадайда потенциал электродты деп аталады.
Электродты потенциал неге туелді болады? Оны лшеуге бола ма жне алай? Осы сраа жауап бере отырып, электрохимиктер бізге Нернст тедеуін береді:
=+RT\nF•lg[Men+]
мндаы- электродтыпотенциал; [Men+]- металлиондарыныконцентрациясы, моль\л; Т- абсолюттемпература; n- металлиондарынываленттілігі; - стандарттыэлектродтыпотенциал; F- Фарадейсаны (F=96500 Кл).
Осы тедеудегі е маызды лшем- стандартты электродты потенциал . Оны физикалы мні аны болады, [Men+]=1 моль\л.
Онда тедеуді екінші мшесі нлге те болады. Яни, стандартты электродты потенциал дегеніміз, соы 1моль\л концентрациясы шін металл мен ерітінді иондарыны шекарасында тетін потенциалды айтады. Бл электродты е негізгі сипаты болып табылады. Нернстті тедеуі рбір электродты электродты потенциалы р трлі згерістерге шырай алады. Оны ерітінді концентрациясына туелді болатын тедеуді екінші мшесі растайды. Енді мынадай сра туындайды, электродты потенциалды алай лшеуге болады? Егер екі электродты осатын болса гальваникалы элемент пайда болатыны бізге млім. Бл элементті кернеуі оны екі рамдас электродыны потенциалдар айырмасына те болады. Егер бізге бір электродты электродты потенциалы белгілі болса, біз екіншісіні электродты потенциалын анытай аламыз. иыншылыты барлыы мынада жатыр: бір электродты потенциалды мнін білу ажет. Сутекті стандартты электродты потенциалы нлге теі деп абылданан. Сутекті электрод платинадан жасалан жне ккірт ышылы ерітіндісіне батырылан (концентрация Н +--1 моль\л). Электрон беті кедір бдырлы, рі лкен. Газ трізді сутегіні аымы электрода біралыпты жабысады. Сутегі платиналы электродты бетімен жанасады, біртіндеп жиналады, Н2 бір блігі сутегу атомдарына ыдырайды. Платинада тзілген сутегі атомдары мен ерітіндідегі сутегу иондары арасында тепе тедік орнайды. Металл-ерітінді шекарасында электрохимиктер нл деп алатын потенциалдар айырмасы пайда болады. рине, шынында бл потенциал нлге те емес, біра оны мні бізге беймлім. Сондытан сутектік стандартты электродты кмегімен электродты потенциалды анытау сипаты атынасты болып келеді; біз оны сутектік стандартты потенциалды шартты алынан нл мні етіп анытаймыз.
7. Электролиттік процестерді сипаттау.
Электролиз белгілі электр ріміні атысуымен байланысты, оны серінен электролитте оан тн процессте жруі ммкін. Электро кинетикалы процесстер бір фаза басасымен диспергирленгенде жреді; оларды атарына электрофорез- сйы ішінде лшенген атты блшектерді озалысы. Электр рісіні ішінде электроосмос былысы байалады- атты денеге атысты сйыты озалысы. Электролиз аппараты электролизер немесе электролиттік ванна деп аталады. Электролизерді арапайым слбасы 1 суретте крсетілген. Электролизерді корпусын керамика, пластмасса, шыныдан немесе болаттан жасайды. Коррозия немесе жоары температуралардан оралу шін электролизер корпусын кейде гумреирлейді, пластмассамен, коррозияа траты металдармен аптайды. Белглі жылулы режимді алыпта стау шін кейбір жадайларда теплоизоляциямен амтамасыз етеді. Катодтарды дайындау шін болат, трлі тсті металдар, сынап, орасын, цинк, алайы, ола, алюминий, металдарды балымалары, кмір немесе графит олданылады. Анодтар еритін жне ерімейтін болады. Еритін анодтарды жоары айтылып ткен тсті металдардан, кміртекті болаттан, кейбір баса балымалардан, ал ермейтін анодтар болаттан, графит немесе кмірден, никельден, тотталмайтын болаттан жасайды, кейбір жадайларда жа абаты баалы металдан жасалан биометалды анодтарды олданады, ол мысалы орасынны ток ткізгіштік негізіне берілген жадайда берілген электролитте инертті болатын баса металл стіне жабылады. Электродты материалы кптеген факторларды ескере отырылып тадалады- электролизді бастапы жне нтижелі німні табиатына, процесс жргізу жадайларына, т.б. байланысты.
Минералды немесе органикалы ышылдар, тздар жне оларды осылыстары электролиттер бола алады. Кейбір жадайларда электролит электрохимиялы тотыу тотысыздану німі ретінде
біратар шыынды зат болып келеді, баса жадайларда, ток ткізгіш осымша зат болып келеді. Электролитер шін еріткіштер болып сулар, спирттер, пиридин, диметилформальдегид, ацетонитрил жне баса да органикалы осылыстар немесе оларды оспалары бола алады. Электролизді еріткішсіз де ткізуге болады, электролит балымаларында немесе электролит оспаларында.
8. Хлор мен натрий мысалындаы техникалы электролиз.
Сулы ерітінділерді техникалы электролизі металдарды блінуінсіз немесе оларды катодта блінуімен жре алады. Электрохимиялы процесстерді арасында сулы ерітінділерді металл блінуінсіз ыдырауы натрий хлоридіні сулы ерітіндісі мысалында крсетеміз.
Хлорид натрий сулы ерітіндісіні электролизі. Хлорид натрий сулы ерітіндісіні электролизі кезінде хлор, сутегі, каустикалы соданы аламыз.
Хлор- атмосфералы ысым жне алыпты температура кезінде сары-жасыл тсті нашар иісті газ. Атмосфералы ысымда айнау температурасы -33,60C, ату температурасы -1020C. Хлор суда, органикалы еріткіштерде ериді жне те жоары химиялы активті болып келеді.
Хлор е алдымен химиялы ндірісте ртрлі органикалы хлорндірушілерді: пластикалы массаларды, синтетикалы каучукты, химиялы талшытарды, еріткіштерді, инсектицидтерді,т.б. алу шін олданылады. азіргі кезде дниежзілік хлор ндірісіні 60%-і органикалы синтез шін олданылады. Соан арамастан хлор тзды ышылды, хлор ктасын, хлораттарды жне т.б. ндіру шін олданылады. Хлорды кптеген млшерлері металлургияа полиметалды рудаларды дегенде, рудалардан алтынды бліп алу шін, мнай ндіру саласында хлорлирлеу шін олданылады, солай да медицина мен санитарияда, суларды зарасыздандыру шін, пиротехникада жне т.б. кптеген халы шаруашылы салаларында олданылады. Хлорды пайдалану салаларыны кекйтілуі нтижесінде, органикалы синтезде атарылан ебектер арасында, дниежзілік хлор ндірісі жылына 20 млн тонн райды.
Каустикалы сода немесе улы натрий- млдір емес кристалды зат, суда жасы ериді, атмосфера ысымында балу температурасы 3280C болады. ндірісте атты улы натр жне оны сулы ерітінділері ндіріледі. Улы натр ндірісті кптеген салаларында ке олданылады-целлюлоз-аазды, химиялы талшытар, мнайндіруші, органикалы синтез, лак сырлы таы кптеген атар салаларда олданылады.
Сутегі- газ, атмосфера ысымындаы айнау температурасы -252,80C. Сутегіні кптеген маызды органикалы жне бейорганикалы німдерді синтездеу кезінде олданылады: аммиак, метанол жне баса спирттер, майларды, атты жне сйы отынны гидрогенизациясы, мнай німдерін тазарту кезінде олданылады.
Хлор мен сілтілер ндірісіні шикізаты ретінде, е алдымен атты тзды ерітіндісінен алынатын ас тзыны ерітінділері, немесе табии тздар бола алады. Ас тзыны ерітінділері оларды алыну жолына арамастан, кальций жне магний оспаларынан трады, электролиз цехтарында бл тздардан тазартуа шырайды. Бл тазарту не шін ажет? Электролиз процессінде нашар еритін кальций мен магний гидроксидтері тзілуі ммкін, кейін олар электролизді алыпты жрісін бзады. Химикалы тазартудан баса, ерітінділерфильтрацияны механикалы оспаларынан ажыратылады. Ас тзы ерітіндісіні электролизі атты темір немесе болат катодпен ванналарда жне ванналарда сйы сынапты катод пен диафрагмалармен жргізіледі. азіргі лкен хлорлы цехтардаы жабдытар олданылатын ндірістік электролизерлер жоары німділікті, арапайым конструкциялы, компактті болып, сенімді жмыс істеу керек.
Натрий хлориді ерітіндісіні болатты катод жне графитті анодпен ваннадаы электролизі улы натр, хлор, сутекті бір электролизерде алуа ммкіншілік береді. Натрий хлоридіні сулы ерітіндісі арылы траты токты туі кезінде хлорды жне оттегіні блінуін ктуге болады:
2OH—2e-1\2I2+H2O (а)
Немесе
2Cl—2e-Cl2
OH разрядыны алыпты электродты потенциалы +0,41 B райды, ал хлор иондарыны разрядыны алыпты алыпты электродты потенциалы +1,36 B райды. Натрий хлоридіні аныан бейтарап ерітіндісінде гидроксильді иондарды крнцентрациясы 1•10-7г- экв\л. 250C температурада гидроксильді иондарды тепе тедік потенциалы jар=0.82 B болады.хлор иондарыны разрядталуыны тепе тедік потенциалы NaCl концентрациясыны ерітіндідегі 4,6г-экв\л jар=1,32 B болады.
Сйкесінше, анодта кішкене кернеумен е алдымен оттегі разрядталуы керек. Алайда, графитті анодтарда оттегіні кернеуні асырылуы хлор кернеуінен жоары, сондытан оларда негізінен (а) реакциясы бойынша газ трізді хлор блінуімен атар Cl иондарыны разрядталуы жреді. Ерітіндідегі NaCl концентрациясын арттыру нтижесінде хлор блінуі жеілденеді, осыны нтижесінде тепе тедік потенциалы кемиді. Бл электролиз кезінде концентрленген натрий хлоридіні ерітіндісін олдануды себептеріні бірі болып келеді. Сілтілі ерітіндіде катодта су молекулаларыны разрядталуы мына тедеу бойынша жреді:
H2O+e-H+OH-
Сутегі атомдары рекомбинациядан кейін молекулярлы сутегі трінде тзіледі:
2HH2
Натрий иондарыны сулы ерітіндіде атты катодта разрядталуы ммкін емес, йткені олар разрядтарыны потенциалыны сутегімен салыстырандаы жоары болуына байланысты. Сондытан ерітіндіде алан гидроксильді иондары натрий иондарымен сілті ерітіндісін тзеді. NaCl ыдырау процессін келесі реакциялар арылы крсетуге болады.
2Cl—2e- Cl2
H2O + e-= 2K+IK
2HH2
Тедеулерді осса,
2H2O+2ClCl2+H2+2OH-
Немесе
2H2O+2NaCl Cl2 +H2+ 2NaOH
Яни анодта хлор, катодта сутегі мен улы натр тзіледі.
Негізгі карастырылып кеткен процесстермен атар электролиз кезінде ажет емес процесстер де жреді. Осыан арамастан, анода блінетін хлор электролитте ериді жне мына реакция бойынша аныталады.
Cl2+H2OHOCl+HCl
Сілтіні анода диффузиясы жадайында немесе аноды жне катодты німдерді араластырылуы кезінде хлорлы жне тзды ышылдар Натрий хлориді мен гипохлорит тзілуімен атар сілтімен нейтралданады.
HOC+NaOH=NaOC+H2O HCl+ NaOH=NaCl+H2O
ClO иондары анодта ClO3 ке тотысызданады. Сондытан, натрий, хлорат, хлорид, гипохлорит тзіледі. Сілтілі ортада анодта оттегіні тзілуі еркін болады,сонымен ол электролизді крсеткішін нашарлатады. ажет емес реакцияларды туін азайту шін катодты жне анодты німдерді араласуына кедергі жасайтын жадайлар ру керек. Олара анодты жне катодты кеістіктерді диафрагмалармен блуі, электролитті диафрагма арылы фильтрациясы. Бл диафрагмаларды фильтрлік деп атайды жне олар асбесттен жасалады.
9. ндірісте электролизді олданылуы.
Шаруашылыты барлы салаларында жне ндірісте электролиз барлы жаты олданылады.
Электролизді тсті металлургияда олданылуы: металдарды рафинирлеуі, рудалардан металды бліп алу шін. Балыланан орталардан электролиз арылы алынан металдар атарына аллюминий, магний, цирконий, титан, уран, берилий жне баса металдарды атары.
Сулы ерітінділерден блініп ала алмайтын металдарды жоары теріс потенциал нтижесінде тсті металлургияда балыан орталады электролизі нтижесінде алады. Бл балыан орталар болып ртрлі оспаларды осындысынан тратын тздар болады. Олар балыманы балу температурасын тмендету, электрткізгіштікті масатында жоарылату шін олданылады. Химиялы ндірісте электролиз арылы хлорат жне перхлорат, персульфат, калий перманганаты, хлор жне сілтілер, органикалы осылыстар, химиялы таза сутегі, оттегі фтор жне баса да маызды німдерді алуа болады.
Машина жасау, радиотехника,полиграфты ндіріс салаларында электролизді металдар немесе бйымдар бетіне жа жабылы салу шін олданады, оны себебі бл пленка коррозиядан сатайды жне декоротивті трге келтіреді, ыстыа тзімді болады. ндірістік ванналарды классификация негізіне т.рлі белгілер жатызылуы ммкін. Мысалы, ванналарды полярлыы бойынша трлері полярлы, биополярлы жне комбинирленген болады.
Анодтарды типтері: шыынды (химиялы реакцияа кірісетін), атты еритін, сйы еритін, кпіршікті атты ерімейтін жне ерімейтін.
Ерімейтін анодтар шін е жасы материал болып, тантал мен титан оспалары, графит, манетит.
Электроит, электрод, электролизерлерді алуан трлігіне арамастан, техникалы электролизді кптеген проблемалары болады. Оан зарядтарды, жылуды, массаны алмастырылуын, электр рістеріні орналасуын жатызуа болады. Электродты процесстер шекті токтарыны лшенуімен адаалана алады.
Электролиттік реакцияларды масаттарына арай, катод жне анодтарды трлі типтерін олданады: горизонтальді сйы сынапты катодпен, верикальды катодпен жне фильтрлейтін диафрагмамен, горизонтальды диафрагмамен ткізгішті электролитпен, озалыстаы электродтармен жне т.б.
Электролиз шін келесі электролит типтері олдана алады: тздар, ышыл, негіздерді сулы ерітінділері; бейорганикалы еріткіштердегі сулы емес ерітінділері, органикалы еріткіштердегі сусыз ерітінділер; балыан тздар, атты электролиттер.
орытынды.
Жасалынан жмысты негізінде орытындылар мынада жатыр:
Біріншіден электролиз процесстеріні зерттеу облыстарында зірге дейін зіні актуалдыын жоалтан жо, осан орай бл крделі физико химиялы былысты теориялы базасы немі толтырылып жатады.
Екіншіден, бл зерттеулер бл процесстерді олдануды перспективалы бадарларын анытауа ммкіндік береді. Ол экономикалы тиімді жне берілген сапаны алуымен масатымен.
Электролиз шаруашылыта ке олданылады. Электролизді е маызды асиеті металдарды тазарту жне бліп алу, сілтілер, хлор, сутегіні алынуы болып табылады.
Ерітінділер электролизі немесе электролиттерді балымаларыны ерекшелігі химиялы тотыу тотысыздану реакциямен бсекелес жретін электродтарды ту абілеті болып табылады. Электролиз німдері мен электрод материалдарына серін тигізеді.
ола, никель, орасынны тазартылуын толыымен электрохимиялы діспен ана алады. Фтор ндірісі калий фторид оспасыны балыан электролизінде жне фторсутекті ышылда электролизі негізінде, ал хлор, хлоридтер балымасы немесе сулы ерітінділер электролизі кезінде алынады.
Аллюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, берилий, титан тек балымаларды электролизі арылы алынады. йткені оларды сулы ерітіндіден бліну потенциалы сутектікіне араанда теріс болады. Жоары дрежелі таза оттегі мен сутегін сілтілерді сулы ерітінділері электролизі арылы алады. Сол арылы электролиз кмегімен тотыу тотысыздану реакцияларыны лкен німділігімен жоары селективті жргізуге болады, олар арапайым химиялы процестерде крделі жолмен алынады. Электролиз олдануды маызды саласы болып металдарды коррозиядан сатау болып келеді: осындай электрохимиялы діспен бір металл бйымыны бетіне коррозияа тзімді баса металл абаты жабылады. Сулы электролит ерітінділері электролизі кезінде анодтаы жне катодтаы тотыу тотысыздану процесстері катиондарды тотыу абілеті мен электролит анионыны сипатына туелді болады.
Катодтаы жне анодтаы тотыу тотысыздану процесстері электролиттік процестерге блшектерді электродты потенциал мнімен аныталады.