Electrólisis. Ejemplos de cálculo
La electrólisis es la descomposición de un electrolito (una solución de sales, ácidos, bases) por medio de una corriente eléctrica.
La electrólisis solo se puede hacer con corriente continua. Durante la electrólisis, el hidrógeno o metal contenido en la sal se libera en el electrodo negativo (cátodo). Si el electrodo positivo (ánodo) está hecho de metal (generalmente el mismo que en la sal), entonces el electrodo positivo se disuelve durante la electrólisis. Si el ánodo es insoluble (por ejemplo, carbón), el contenido de metal del electrolito disminuye durante la electrólisis.
La cantidad de sustancia liberada durante la electrólisis en el cátodo es proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrolito.
La cantidad de sustancia liberada por un culombio de electricidad se denomina equivalente electroquímico de A, por lo tanto, G = A • Q; G = A • I • t,
donde G es la cantidad de sustancia aislada; Q es la cantidad de electricidad; I — corriente eléctrica; es tiempo
Cada metal tiene su equivalente electroquímico A.
Ejemplos de cálculo
1. ¿Cuánto cobre se liberará del sulfato de cobre (CuSO4) (Fig. 1) con una corriente I = 10 A durante 30 minutos?Equivalente electroquímico del cobre A = 0,329 mg/A • seg.
Arroz. 1. Esquema para el ejemplo 1
G = A • I • t = 0,329 • 10 • 30 • 60 = 5922 mg = 5,922 g.
Un objeto suspendido en el cátodo liberará 5,9 g de cobre puro.
2. Densidad de corriente admisible en el recubrimiento electrolítico de cobre • = 0,4 A/dm2. El área del cátodo a cubrir con cobre es S = 2,5 dm2. Qué corriente se requiere para la electrólisis y cuánto cobre se libera en el cátodo en 1 hora (Fig. 2).
Arroz. 2. Esquema para el ejemplo 2
I = •• S = 0,4-2,5 = l A; G = A • Q = A • I • t = 0,329 • 1 • 60 • 60 = 1184,4 mg.
3. El agua oxidada (por ejemplo, una solución débil de ácido sulfúrico H2SO4) durante la electrólisis se descompone en hidrógeno y oxígeno. Los electrodos pueden ser de carbón, estaño, cobre, etc., pero el platino es el mejor. ¿Cuánto oxígeno se liberará en el ánodo y cuánto hidrógeno se liberará en el cátodo en 1/4 de hora con una corriente de 1,5 A? La cantidad de electricidad 1 A por segundo libera 0,058 cm3 de oxígeno y 0,116 cm3 de hidrógeno (Fig. . 3).
Arroz. 3. Esquema para el ejemplo 3
Ga = A • I • t = 0.058 • 1.5 • 15 • 60 = 78.3 cm3 de oxígeno serán liberados en el cátodo.
Gc = A • I • t = 0.1162 • 1.5 • 15 • 60 = 156.8 cm3 de hidrógeno serán liberados en el ánodo.
Una mezcla de hidrógeno y oxígeno en esta proporción se llama gas explosivo, el cual, cuando se enciende, explota, formando agua.
4. El oxígeno y el hidrógeno para experimentos de laboratorio se obtienen usando electrólisis del agua (ácido sulfúrico oxidado) (Fig. 4). Los electrodos de platino están soldados al vidrio. Usando la resistencia, establecemos la corriente I = 0.5 A. (Se usa una batería de tres celdas secas de 1.9 V como fuente de corriente) ¿Cuánto hidrógeno y oxígeno se liberarán después de 30 minutos?
Arroz. 4… Figura 4 por ejemplo
En el recipiente de la derecha, se liberarán Gc = A • I • t = 0.1162 • 0.5 • 30 • 60 = 104.58 cm3 de hidrógeno.
En el recipiente de la izquierda, Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 de oxígeno se desarrollarán (los gases desplazan el agua en el recipiente del medio).
5. El bloque convertidor (motor-generador) proporciona corriente para obtener cobre electrolítico (puro). En 8 horas deberías obtener 20 kg de miel. ¿Qué corriente debe proporcionar el generador? • El equivalente electroquímico del cobre es A = 0,329 mg/A • seg.
Como G = A • I • t, entonces I = G / (A • t) = 20 000 000 / (0,329 • 8 • 3600) = 20 000 000 / 9475,2 = 2110,7 A.
6. Es necesario cromar 200 faros, de los cuales se requieren 3 g de cromo para cada uno. ¿Qué corriente se requiere para hacer este trabajo en 10 horas (equivalente electroquímico de cromo A = 0,18 mg / A • seg).
I = G / (A • t) = (200 • 3 • 1000) / (0,18 • 10 • 3600) = 92,6 A.
7. El aluminio se obtiene por electrólisis de una solución de arcilla de caolín y criolita en baños a un voltaje de trabajo del baño de 7 V y una corriente de 5000 A. Los ánodos están hechos de carbón y el baño está hecho de acero con carbón. bloques (Fig. 5).
Arroz. 5Figura 5 por ejemplo
Los baños de producción de aluminio se conectan en serie para aumentar la tensión de trabajo (por ejemplo, 40 baños). Para producir 1 kg de aluminio, se requieren aproximadamente 0,7 kg de ánodos de carbono y 25-30 kWh de electricidad. Con base en los datos dados, determine la potencia del generador, el consumo de energía durante 10 horas de funcionamiento y el peso del aluminio resultante.
Potencia del generador cuando trabaja en 40 baños P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.
Energía eléctrica consumida durante 10 horas, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.
La cantidad de aluminio obtenido G = 14000:25 = 560 kg.
En base al equivalente electroquímico teórico, la cantidad de aluminio obtenido debe ser igual a:
GT = A • I • t = 0,093 • 5000 • 40 • 10 • 3600 = 0,093 • 720.000.000 mg = 669,6 kg.
La eficiencia de la instalación electrolítica es igual a: Eficiencia = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83%.