Wat is elektrolyse en waar wordt het gebruikt?

De vraag wat elektrolyse is, komt aan bod in de natuurkundecursus op school, en voor de meeste mensen is het geen geheim. Een ander ding is het belang en de praktische toepassing ervan. Dit proces wordt met groot voordeel gebruikt in verschillende industrieën en kan nuttig zijn voor de thuisvakman.

Wat is elektrolyse?

Elektrolyse is een complex van specifieke processen in het systeem van elektroden en elektrolyt wanneer er een gelijkstroom doorheen stroomt. Het mechanisme is gebaseerd op het optreden van een ionenstroom. De elektrolyt is een type 2 geleider (ionische geleidbaarheid) waarbij elektrolytische dissociatie optreedt. Het wordt geassocieerd met ontbinding in ionen met positieve (kation) en negatief (anion) aanval.

Het elektrolysesysteem bevat noodzakelijkerwijs een positieve (anode) en negatief (kathode) elektrode. Wanneer een gelijkstroom wordt aangelegd, beginnen kationen naar de kathode te bewegen en anionen naar de anode. De kationen zijn voornamelijk metaalionen en waterstof, en de anionen zijn zuurstof, chloor. Aan de kathode hechten kationen overtollige elektronen aan zichzelf, wat zorgt voor het optreden van de reductiereactie Men+ + ne → Me (waarbij n de valentie van het metaal is). Aan de anode daarentegen wordt een elektron uit het anion gedoneerd waarbij een oxidatieve reactie plaatsvindt.

Het systeem is dus voorzien van een redoxproces. Het is belangrijk om te bedenken dat voor de stroom ervan geschikte energie nodig is. Het moet worden geleverd door een externe stroombron.

Elektrolysewetten van Faraday

De grote natuurkundige M. Faraday maakte het met zijn onderzoek niet alleen mogelijk om de aard van elektrolyse te begrijpen, maar ook om de nodige berekeningen te maken voor de implementatie ervan. In 1832 verschenen zijn wetten, die de belangrijkste parameters van de lopende processen met elkaar verbinden.

eerste wet

De eerste wet van Faraday stelt dat de massa van de stof die aan de anode wordt gereduceerd, recht evenredig is met de elektrische lading die in de elektrolyt wordt geïnduceerd: m = kq = k*I*t, waarbij q de lading is, k de coëfficiënt of het elektrochemische equivalent is van de stof, I is de sterkte van de stroom die door elektrolyt vloeit, t is de huidige passagetijd.

tweede wet

De tweede wet van Faraday maakte het mogelijk om de evenredigheidscoëfficiënt k te bepalen. Het klinkt als volgt: het elektrochemische equivalent van elke stof is recht evenredig met zijn molecuulmassa en omgekeerd evenredig met valentie. De wet wordt uitgedrukt als:

k = 1/F*A/z, waarbij F de constante van Faraday is, A de molaire massa van de stof is, z de chemische valentie ervan.

Rekening houdend met beide wetten, is het mogelijk om de uiteindelijke formule af te leiden voor het berekenen van de massa die op de elektrode van de stof is afgezet: m = A*I*t/(n*F), waarbij n het aantal elektronen is dat betrokken is bij elektrolyse. Meestal komt n overeen met de lading van het ion. Vanuit praktisch oogpunt is het verband tussen de massa van een stof en de aangelegde stroom belangrijk, wat het mogelijk maakt om het proces te beheersen door de sterkte ervan te veranderen.

Smelt elektrolyse

Een van de mogelijkheden voor elektrolyse is het gebruik van een smelt als elektrolyt. In dit geval nemen alleen smeltionen deel aan het elektrolyseproces. Een klassiek voorbeeld is de elektrolyse van gesmolten zout NaCl (zout). Negatieve ionen stromen naar de anode, waardoor er gas vrijkomt (kl). Metaalreductie zal plaatsvinden aan de kathode, d.w.z. afzetting van zuiver Na gevormd uit positieve ionen die overtollige elektronen hebben aangetrokken. Andere metalen kunnen op dezelfde manier worden verkregen (K, Ca, Li, enz.) van het bloedbad van de overeenkomstige zouten.

Tijdens elektrolyse in een smelt ondergaan de elektroden geen oplossing, maar nemen ze alleen deel als stroombron. Bij hun vervaardiging kunt u metaal, grafiet en sommige halfgeleiders gebruiken. Het is belangrijk dat het materiaal voldoende geleidend is. Een van de meest voorkomende materialen is koper.

Kenmerken van elektrolyse in oplossingen

Elektrolyse in een waterige oplossing verschilt aanzienlijk van een smelt. Hier vinden drie concurrerende processen plaats: wateroxidatie met zuurstofontwikkeling, anionoxidatie en anodische oplossing van het metaal. De ionen van water, elektrolyt en anode zijn bij het proces betrokken.Dienovereenkomstig kan reductie van waterstof, elektrolyt-kationen en anodemetaal plaatsvinden aan de kathode.

De mogelijkheid dat deze concurrerende processen plaatsvinden, hangt af van de grootte van de elektrische potentialen van het systeem. Alleen het proces dat minder externe energie vereist, gaat door. Dientengevolge zullen kationen met de maximale elektrodepotentiaal aan de kathode worden verminderd en anionen met de laagste potentiaal worden geoxideerd aan de anode. De elektrodepotentiaal van waterstof wordt als "0" genomen. Voor kalium is het bijvoorbeeld (-2,93V), natrium - (-2,71V), lood (-0.13V), terwijl zilver (+0,8 V).

Elektrolyse in gassen

Gas kan alleen de rol van elektrolyt spelen in aanwezigheid van een ionisator. In dit geval veroorzaakt de stroom die door het geïoniseerde medium gaat het noodzakelijke proces op de elektroden. De wetten van Faraday zijn echter niet van toepassing op gaselektrolyse. Voor de uitvoering ervan zijn de volgende voorwaarden nodig:

1. Zonder kunstmatige ionisatie van het gas zal noch hoge spanning noch hoge stroom helpen.
2. Alleen zuren die geen zuurstof bevatten en in gasvormige toestand zijn, en sommige gassen zijn geschikt voor elektrolyse.

Belangrijk! Wanneer aan de noodzakelijke voorwaarden is voldaan, verloopt het proces op dezelfde manier als elektrolyse in een vloeibaar elektrolyt.

Kenmerken van de processen die plaatsvinden aan de kathode en anode

Voor de praktische toepassing van elektrolyse is het belangrijk om te begrijpen wat er aan beide elektroden gebeurt als er een elektrische stroom wordt aangelegd. Typische processen zijn:

1. Kathode. Positief geladen ionen haasten zich ernaartoe. Hier vindt de reductie van metalen of de ontwikkeling van waterstof plaats. Er zijn verschillende categorieën metalen volgens kationische activiteit.Metalen zoals Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al worden alleen goed gereduceerd uit gesmolten zouten. Als een oplossing wordt gebruikt, komt waterstof vrij door de elektrolyse van water. Het is mogelijk om reductie in oplossing te bereiken, maar met een voldoende concentratie aan kationen, voor de volgende metalen - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Het proces verloopt het gemakkelijkst voor Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. anode. Negatief geladen ionen komen deze elektrode binnen. Geoxideerd nemen ze elektronen van het metaal, wat leidt tot hun anodische oplossing, d.w.z. overgang naar positief geladen ionen, die naar de kathode worden gestuurd. Anionen worden ook ingedeeld op basis van hun activiteit. Dergelijke anionen PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F kunnen alleen uit smelten worden afgevoerd. In waterige oplossingen ondergaan niet zij elektrolyse, maar water met de afgifte van zuurstof. Anionen zoals OH, Cl, I, S, Br reageren het gemakkelijkst.

Bij het verzekeren van elektrolyse is het belangrijk om rekening te houden met de neiging van het elektrodemateriaal om te oxideren. Hierbij onderscheiden inerte en actieve anodes zich. Inerte elektroden zijn gemaakt van grafiet, koolstof of platina en nemen niet deel aan de toevoer van ionen.

Factoren die het elektrolyseproces beïnvloeden

Het elektrolyseproces is afhankelijk van de volgende factoren:

1. Elektrolyt samenstelling. Verschillende onzuiverheden hebben een significant effect. Ze zijn onderverdeeld in 3 soorten - kationen, anionen en organische stoffen. Stoffen kunnen min of meer negatief zijn dan het basismetaal, dat het proces verstoort. Onder organische onzuiverheden vallen verontreinigende stoffen (bijv. oliën) en oppervlakteactieve stoffen op. Hun concentratie heeft maximaal toelaatbare waarden.
2. huidige dichtheid. In overeenstemming met de wetten van Faraday neemt de massa van de afgezette substantie toe met toenemende stroomsterkte. Er doen zich echter ongunstige omstandigheden voor - geconcentreerde polarisatie, verhoogde spanning, intense verwarming van de elektrolyt. Met dit in gedachten zijn er optimale stroomdichtheidswaarden voor elk specifiek geval.
3. elektrolyt pH. De zuurgraad van het milieu wordt ook gekozen rekening houdend met metalen. De optimale waarde van de elektrolytzuurgraad voor zink is bijvoorbeeld 140 g/cu.dm.
4. Elektrolyt temperatuur. Het heeft een dubbelzinnig effect. Met een temperatuurstijging neemt de snelheid van elektrolyse toe, maar neemt ook de activiteit van onzuiverheden toe. Voor elk proces is er een optimale temperatuur. Meestal is het in het bereik van 38-45 graden.

Belangrijk! Elektrolyse kan worden versneld of vertraagd door verschillende invloeden en de keuze van de elektrolytsamenstelling. Elke toepassing heeft zijn eigen regime, dat strikt moet worden nageleefd.

Waar wordt elektrolyse gebruikt?

Elektrolyse wordt op veel gebieden toegepast. Er zijn verschillende belangrijke toepassingsgebieden voor het verkrijgen van praktische resultaten.

Galvaniseren

Door middel van elektrolyse kan een dunne, duurzame metaalplaat worden aangebracht. Het te coaten product wordt in de vorm van een kathode in het bad geplaatst en de elektrolyt bevat een zout van het gewenste metaal. Zo kun je het staal afdekken met zink, chroom of tin.

Elektroraffinage - koperraffinage

Een voorbeeld van elektrische reiniging kan de volgende optie zijn: kathode - puur koper anode - koper met onzuiverheden, elektrolyt - een waterige oplossing van kopersulfaat. Koper uit de anode gaat over in ionen en bezinkt al zonder onzuiverheden in de kathode.

Metaalwinning

Om metalen uit zouten te halen, worden ze overgebracht naar de smelt en vervolgens wordt er elektrolyse in aangebracht. Een dergelijke methode is vrij effectief voor het verkrijgen van aluminium uit bauxieten, natrium en kalium.

anodiseren

Bij dit proces wordt de coating gemaakt van niet-metalen verbindingen. Een klassiek voorbeeld is het anodiseren van aluminium. Het aluminium deel is als anode gemonteerd. De elektrolyt is een oplossing van zwavelzuur. Als gevolg van elektrolyse wordt op de anode een laag aluminiumoxide afgezet, die beschermende en decoratieve eigenschappen heeft. Deze technologieën worden veel gebruikt in verschillende industrieën. U kunt de processen met uw eigen handen uitvoeren in overeenstemming met de veiligheidsvoorschriften.

Energiekosten

Elektrolyse vereist hoge energiekosten. Het proces zal van praktische waarde zijn als de anodestroom voldoende is, en hiervoor is het noodzakelijk om een ​​significante gelijkstroom van de stroombron aan te leggen. Bovendien, wanneer het wordt uitgevoerd, treden zijspanningsverliezen op - anode- en kathode-overspanning, verliezen in de elektrolyt vanwege zijn weerstand. Het rendement van de installatie wordt bepaald door het vermogen van het energieverbruik te relateren aan een eenheid nuttige massa van de verkregen stof.

Elektrolyse wordt al heel lang in de industrie gebruikt en met een hoog rendement. Geanodiseerde en gegalvaniseerde coatings zijn gemeengoed geworden in het dagelijks leven, en mijnbouw en verrijking van materialen helpt bij het extraheren van veel metalen uit erts. Het proces kan worden gepland en berekend, de belangrijkste patronen kennende.

Vergelijkbare artikelen: