التحليل الكهربائي - مبدأ العمل والغرض والتطبيق

عمليات التحليل الكهربائي

ينتشر التحليل الكهربائي على نطاق واسع في المعادن غير الحديدية وفي عدد من الصناعات الكيميائية. يتم الحصول على المعادن مثل الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم بشكل أساسي عن طريق التحليل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام التحليل الكهربائي لتنقية (تنقية) النحاس والنيكل والرصاص ، وكذلك لإنتاج الهيدروجين والأكسجين والكلور وعدد من المواد الكيميائية الأخرى.

جوهر التحليل الكهربائي هو فصل جزيئات المادة عن الإلكتروليت عندما يمر تيار مباشر عبر الحمام الإلكتروليتي وترسبها على أقطاب كهربائية مغمورة في الحمام (الاستخراج الكهربائي) أو عندما يتم نقل المواد من قطب كهربائي عبر الإلكتروليت إلى آخر ( تكرير كهربائيا). في كلتا الحالتين ، الهدف من العمليات هو الحصول على أنقى المواد الممكنة غير الملوثة بالشوائب.

في المقابل الموصلية الإلكترونية المعادن في المنحل بالكهرباء (محاليل الأملاح والأحماض والقواعد في الماء وفي بعض المذيبات الأخرى ، وكذلك في المركبات المنصهرة) ، لوحظ التوصيل الأيوني.

المنحلات بالكهرباء هي موصلات من الدرجة الثانية.في هذه المحاليل والذوبان ، يحدث التفكك الإلكتروليتي - تفكك الأيونات الموجبة والسالبة الشحنة.

إذا تم وضع أقطاب كهربائية متصلة بمصدر للطاقة الكهربائية في وعاء به إلكتروليت - محلل كهربي ، فسيبدأ تيار أيوني في التدفق فيه ، وستتحرك الأيونات الموجبة - الكاتيونات إلى القطب السالب (وهي معادن وهيدروجين بشكل أساسي) ) والأيونات سالبة الشحنة - الأنيونات (الكلور والأكسجين) - إلى القطب الموجب.

عند الأنود ، تتخلى الأنيونات عن شحنتها وتصبح جسيمات محايدة تستقر على القطب. في القطب السالب ، تأخذ الكاتيونات الإلكترونات من القطب الكهربائي ويتم تحييدها أيضًا ، وتستقر عليها ، وتتصاعد الغازات المنبعثة على الأقطاب الكهربائية على شكل فقاعات.

أرز. 1. العمليات أثناء التحليل الكهربائي. دائرة الحمام الكهربائي: 1 - حمام ، 2 - إلكتروليت ، 3 - أنود ، 4 - كاثود ، 5 - مزود طاقة

التيار الكهربائي في الدائرة الخارجية هو حركة الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب (الشكل 1). في هذه الحالة ، ينضب المحلول ، ومن أجل الحفاظ على استمرارية عملية التحليل الكهربائي ، يجب إثرائه. هذه هي الطريقة التي يتم بها استخلاص مواد معينة من المنحل بالكهرباء (الاستخراج الكهربائي).

إذا كان الأنود قادرًا على الذوبان في الإلكتروليت ، حيث يتم استنفاد الأخير ، فإن جزيئاته ، التي تذوب في الإلكتروليت ، تكتسب شحنة موجبة ويتم توجيهها إلى القطب السالب ، حيث يتم ترسيبها ، وبالتالي نقل المواد من القطب الموجب إلى القطب السالب . نظرًا لأن العملية تتم بحيث لا يتم نقل الشوائب الموجودة في معدن الأنود إلى الكاثود ، فإن هذه العملية تسمى التكرير الإلكتروليتي.

إذا تم وضع القطب في محلول به أيونات من نفس المادة التي صنع منها ، فعند وجود جهد معين بين القطب والمحلول لا يذوب القطب ولا تترسب المادة عليه من المحلول.

هذه الإمكانية تسمى الإمكانات الطبيعية للمادة. إذا تم تطبيق جهد أكثر سلبية على القطب ، فسيبدأ إطلاق مادة (عملية كاثودية) عليه ، ولكن إذا كانت أكثر إيجابية ، فسيبدأ حلها (عملية أنوديك).

تعتمد قيمة الإمكانات الطبيعية على تركيز الأيونات ودرجة الحرارة. من المقبول عمومًا اعتبار الإمكانات الطبيعية للهيدروجين صفرًا. يوضح الجدول 1 إمكانات القطب الطبيعي لبعض المحاليل المائية للمواد عند + 25 درجة مئوية.

الجدول 1. جهود القطب الطبيعي عند + 25 درجة مئوية

إذا كان المنحل بالكهرباء يحتوي على أيونات من معادن مختلفة ، فإن الأيونات ذات الجهد الطبيعي السالب المنخفض (النحاس ، الفضة ، الرصاص ، النيكل) يتم فصلها أولاً عند الكاثود ؛ الفلزات القلوية الأرضية هي الأصعب في عزلها. بالإضافة إلى ذلك ، توجد دائمًا أيونات الهيدروجين في المحاليل المائية ، والتي سيتم إطلاقها في وقت أبكر من جميع المعادن ذات الإمكانات الطبيعية السالبة ، لذلك ، أثناء التحليل الكهربائي للأخير ، يتم إنفاق قدر كبير أو حتى معظم الطاقة على إطلاق الهيدروجين .

بمساعدة تدابير خاصة ، من الممكن منع تطور الهيدروجين ضمن حدود معينة ، ولكن لا يمكن الحصول على المعادن ذات الإمكانات الطبيعية التي تقل عن 1 فولت (على سبيل المثال ، المغنيسيوم والألومنيوم والمعادن الأرضية القلوية) عن طريق التحليل الكهربائي من محلول مائي. يتم الحصول عليها عن طريق تحلل الأملاح المنصهرة لهذه المعادن.

جهد القطب الطبيعي للمواد المشار إليها في الجدول.1 ، هي الحد الأدنى الذي تبدأ عنده عملية التحليل الكهربائي ، ومن الناحية العملية ، يلزم وجود قيم كبيرة للإمكانات لتطوير العملية.

يُطلق على الفرق بين الجهد الفعلي للقطب الكهربي أثناء التحليل الكهربائي وإمكاناته الطبيعية الجهد الزائد. يزيد من فقدان الطاقة أثناء التحليل الكهربائي.

من ناحية أخرى ، فإن زيادة الجهد الزائد لأيونات الهيدروجين يجعل من الصعب إطلاقها عند الكاثود ، مما يجعل من الممكن الحصول عن طريق التحليل الكهربائي من المحاليل المائية على عدد من المعادن التي تكون أكثر سلبية من الهيدروجين ، مثل الرصاص والقصدير والنيكل والكوبالت والكروم وحتى الزنك. يتم تحقيق ذلك من خلال إجراء العملية بكثافة تيار متزايدة على الأقطاب الكهربائية ، وكذلك عن طريق إدخال مواد معينة في الإلكتروليت.

يتم تحديد مسار التفاعلات الكاثودية والأنودية أثناء التحليل الكهربائي من خلال قانونين فاراداي التاليين.

1. تتناسب كتلة المادة md المنبعثة أثناء التحليل الكهربائي في الكاثود أو التي تنتقل من القطب الموجب إلى الإلكتروليت مع كمية الكهرباء التي تمر عبر الإلكتروليت Azτ: me = α / τ ، وهنا المكافئ الكهروكيميائي للمادة ، ز / ج.

2. تتناسب كتلة المادة المنبعثة أثناء التحليل الكهربائي بنفس الكمية من الكهرباء طرديًا مع الكتلة الذرية للمادة A وتتناسب عكسًا مع تكافؤها n: mNS = A / 96480n ، وهنا 96480 هو رقم فاراداي ، C × مول -1.

وبهذه الطريقة ، يمثل المعادل الكهروكيميائي لمادة α = A / 96480n كتلة المادة بالجرامات التي تطلقها وحدة كمية الكهرباء التي تمر عبر الحمام الإلكتروليتي - كولوم (أمبير - ثانية).

للنحاس أ = 63.54 ، ن = 2 ، α = 63.54 / 96480-2 = 0.000329 جم / ك ، للنيكل α = 0.000304 جم / ك ، للزنك α = 0.00034 جم / درجة مئوية

في الواقع ، تكون كتلة المادة المحررة دائمًا أقل مما هو محدد ، وهو ما يفسره عدد من العمليات الجانبية التي تحدث في الحمام (على سبيل المثال ، إطلاق الهيدروجين عند الكاثود) ، وتسرب التيار وقصر الدائرة بين الأقطاب الكهربائية.

تسمى نسبة كتلة المادة التي تم إطلاقها فعليًا إلى كتلتها والتي كان من المفترض إطلاقها وفقًا لقانون فاراداي العائد الحالي للمادة η1.

لذلك ، من أجل عملية حقيقية mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

بطبيعة الحال ، دائما η1

تعتمد الكفاءة الحالية بشكل كبير على الكثافة الحالية للقطب الكهربي. مع زيادة كثافة تيار القطب ، تزداد كفاءة التيار وتزداد كفاءة العملية.

يتكون الجهد الكهربي الذي يجب توفيره للمحلل الكهربائي من: جهد الانهيار Ep (فرق الجهد في التفاعلات الانودية والكاثودية) ، ومجموع الجهد الزائد الانودي والكاثودي ، وانخفاض الجهد في المنحل بالكهرباء ، وانخفاض الجهد في المنحل بالكهرباء Ue = IRep (Rep - مقاومة الإلكتروليت) ، انخفاض الجهد في الإطارات ، جهات الاتصال ، الأقطاب الكهربائية Uc = I (Rw + Rto + RNS). نحصل على: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

الطاقة المستهلكة أثناء التحليل الكهربائي تساوي: Rel = IUmail = I (Ep + Ep + Ue + Uc)

من هذه الطاقة ، يتم استخدام المكون الأول فقط لإجراء التفاعلات ، والباقي عبارة عن فقد حرارة للعملية. فقط أثناء التحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة ، يتم استخدام جزء من الحرارة المنبعثة في المنحل بالكهرباء بشكل مفيد ، حيث يتم إنفاقها على إذابة الأملاح المشحونة في المحلل الكهربائي.

يمكن تقدير كفاءة حمام التحليل الكهربائي من خلال كتلة المادة بالجرام المحررة لكل 1 جول من الكهرباء المستهلكة.تسمى هذه القيمة إنتاجية الطاقة لمادة ما. ويمكن إيجادها من خلال التعبير qe = (αη1) / Uel100 ، هنا α - المكافئ الكهروكيميائي للمادة ، g / C ، η1 - خرج التيار ، Uemail - جهد التحليل الكهربائي الخلية ، V.