Electrólisis: principio de acción, propósito y aplicación.
Procesos de electrólisis
La electrólisis está muy extendida en la metalurgia no ferrosa y en varias industrias químicas. Los metales como el aluminio, zinc, magnesio se obtienen principalmente por electrólisis. Además, la electrólisis se utiliza para refinar (purificar) cobre, níquel, plomo, así como para producir hidrógeno, oxígeno, cloro y una serie de otros productos químicos.
La esencia de la electrólisis es la separación de partículas de la sustancia del electrolito cuando una corriente continua pasa a través del baño electrolítico y su depósito en electrodos sumergidos en el baño (electroextracción) o cuando las sustancias se transfieren de un electrodo a través del electrolito a otro ( refinación electrolítica). En ambos casos, el objetivo de los procesos es obtener sustancias lo más puras posibles y que no estén contaminadas con impurezas.
A diferencia de conductividad electronica metales en electrolitos (soluciones de sales, ácidos y bases en agua y en algunos otros solventes, así como en compuestos fundidos), se observa conductividad iónica.
Los electrolitos son conductores de segunda clase.En estas soluciones y fundidos, tiene lugar la disociación electrolítica, la desintegración de iones cargados positiva y negativamente.
Si los electrodos conectados a una fuente de energía eléctrica se colocan en un recipiente con un electrolito, un electrolizador, entonces comenzará a fluir una corriente iónica y los iones cargados positivamente, los cationes se moverán al cátodo (estos son principalmente metales e hidrógeno). ), e iones cargados negativamente (aniones (cloro, oxígeno)) al ánodo.
En el ánodo, los aniones ceden su carga y se convierten en partículas neutras que se depositan en el electrodo. En el cátodo, los cationes toman electrones del electrodo y también se neutralizan, depositándose en él, y los gases liberados en los electrodos en forma de burbujas ascienden.
Arroz. 1. Procesos durante la electrólisis. Circuito de baño eléctrico: 1 — baño, 2 — electrolito, 3 — ánodo, 4 — cátodo, 5 — fuente de alimentación
La corriente eléctrica en el circuito externo es el movimiento de electrones del ánodo al cátodo (Fig. 1). En este caso, la solución se agota y, para mantener la continuidad del proceso de electrólisis, debe enriquecerse. Así es como se extraen ciertas sustancias del electrolito (electroextracción).
Si el electrodo se coloca en una solución con iones de la misma sustancia de la que está hecho, entonces, a un cierto potencial entre el electrodo y la solución, ni el electrodo se disuelve ni la sustancia se deposita sobre él desde la solución.
Este potencial se denomina potencial normal de la sustancia. Si se aplica un potencial más negativo al electrodo, comenzará la liberación de una sustancia (proceso catódico), pero si es más positivo, comenzará su disolución (proceso anódico).
El valor de los potenciales normales depende de la concentración de iones y la temperatura. Generalmente se acepta considerar que el potencial normal del hidrógeno es cero. La tabla 1 muestra los potenciales de electrodo normales de algunas soluciones acuosas de sustancias a + 25 °C.
Tabla 1. Potenciales de electrodo normales a + 25 °C
Si el electrolito contiene iones de diferentes metales, entonces los iones con un potencial normal negativo más bajo (cobre, plata, plomo, níquel) se separan primero en el cátodo; Los metales alcalinotérreos son los más difíciles de aislar. Además, siempre hay iones de hidrógeno en soluciones acuosas, que se liberarán antes que todos los metales con un potencial normal negativo, por lo tanto, durante la electrólisis de estos últimos, una parte significativa o incluso la mayor parte de la energía se gasta en la liberación de hidrógeno. .
Con la ayuda de medidas especiales, es posible evitar el desprendimiento de hidrógeno dentro de ciertos límites, pero los metales con un potencial normal de menos de 1 V (por ejemplo, magnesio, aluminio, metales alcalinotérreos) no pueden obtenerse por electrólisis a partir de un solución acuosa. Se obtienen por descomposición de las sales fundidas de estos metales.
Potenciales de electrodo normales de las sustancias indicadas en la tabla.1, son mínimos a partir de los cuales se inicia el proceso de electrólisis, en la práctica se requieren grandes valores del potencial para el desarrollo del proceso.
La diferencia entre el potencial real de un electrodo durante la electrólisis y su potencial normal se denomina sobretensión. Aumenta las pérdidas de energía durante la electrólisis.
Por otro lado, el aumento de la sobretensión de los iones de hidrógeno dificulta su liberación en el cátodo, lo que permite obtener por electrólisis a partir de soluciones acuosas una serie de metales más negativos que el hidrógeno, como el plomo, el estaño, el níquel. , cobalto, cromo e incluso zinc. Esto se logra realizando el proceso a mayores densidades de corriente en los electrodos, así como introduciendo ciertas sustancias en el electrolito.
El curso de las reacciones catódicas y anódicas durante la electrólisis está determinado por las siguientes dos leyes de Faraday.
1. La masa de la sustancia md liberada durante la electrólisis en el cátodo o que pasa del ánodo al electrolito es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito Azτ: me = α/τ, aquí a es el equivalente electroquímico de la sustancia , g/c.
2. La masa de la sustancia liberada durante la electrólisis con la misma cantidad de electricidad es directamente proporcional a la masa atómica de la sustancia A e inversamente proporcional a su valencia n: mNS = A / 96480n, aquí 96480 es el número de Faraday, C x mol -1 .
De esta forma, el equivalente electroquímico de una sustancia α= A / 96480n representa la masa de una sustancia en gramos liberada por una unidad de cantidad de electricidad que pasa por el baño electrolítico — un culombio (amperio-segundo).
Para cobre A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g/C, para níquel α =0,000304 g/C, para zinc α = 0,00034 g/C
La relación entre la masa de la sustancia realmente liberada y la masa que debería haber sido liberada de acuerdo con la ley de Faraday se denomina rendimiento actual de la sustancia η1.
Por lo tanto, para un proceso real mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It
Naturalmente, siempre η1
La eficiencia actual depende significativamente de la densidad de corriente del electrodo. A medida que aumenta la densidad de corriente del electrodo, aumenta la eficiencia de la corriente y aumenta la eficiencia del proceso.
La tensión Uel que debe suministrarse al electrolizador está formada por: tensión de ruptura Ep (diferencia de potencial de las reacciones anódica y catódica), la suma de las sobretensiones anódica y catódica, la caída de tensión en el electrolito Ep, la caída de tensión en el electrolito Ue = IRep (Rep — resistencia electrolítica), caída de tensión en neumáticos, contactos, electrodos Uc = I(Rw +Rto +RNS). Obtenemos: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.
La potencia consumida durante la electrólisis es igual a: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)
De esta potencia, solo el primer componente se utiliza para realizar reacciones, el resto son pérdidas de calor del proceso. Solo durante la electrólisis de las sales fundidas, se aprovecha parte del calor liberado en el electrolito IUe, ya que se gasta en fundir las sales cargadas en el electrolizador.
La eficiencia del baño de electrólisis se puede estimar por la masa de sustancia en gramos liberada por 1 J de electricidad consumida.Este valor se denomina rendimiento energético de una sustancia y se puede encontrar mediante la expresión qe = (αη1) /Uel100, aquí α — equivalente electroquímico de una sustancia, g / C, η1 — salida de corriente, Uemail — voltaje de un electrolítico celular, v.