Okul fizik dersinde elektrolizin ne olduğu sorusu ele alınır ve çoğu insan için bu bir sır değildir. Bir diğer husus ise önemi ve pratik uygulamasıdır. Bu işlem, çeşitli endüstrilerde büyük fayda ile kullanılmaktadır ve ev ustaları için faydalı olabilir.
İçerik
elektroliz nedir?
Elektroliz, içinden doğrudan bir elektrik akımı geçtiğinde elektrot ve elektrolit sistemindeki belirli bir süreç kompleksidir. Mekanizması iyonik bir akımın oluşmasına dayanır. Elektrolit tip 2 iletkendir (iyonik iletkenlik) elektrolitik ayrışmanın meydana geldiği. Pozitif iyonlara ayrışma ile ilişkilidir (katyon) ve olumsuz (anyon) şarj.
Elektroliz sistemi mutlaka pozitif (anot) ve olumsuz (katot) elektrot. Doğrudan bir elektrik akımı uygulandığında, katyonlar katoda ve anyonlar - anoda doğru hareket etmeye başlar. Katyonlar esas olarak metal iyonları ve hidrojendir ve anyonlar oksijen, klordur. Katotta, katyonlar kendilerine fazla elektronlar bağlarlar, bu da Men+ + ne → Me indirgeme reaksiyonunun oluşmasını sağlar.n metalin değeridir). Anotta, aksine, bir oksidatif reaksiyon meydana gelen anyondan bir elektron bağışlanır.
Böylece sistemde bir redoks işlemi sağlanmış olur. Akışı için uygun enerjinin gerekli olduğunu düşünmek önemlidir. Harici bir akım kaynağı tarafından sağlanmalıdır.
Faraday'ın elektroliz yasaları
Büyük fizikçi M. Faraday, araştırması ile sadece elektrolizin doğasını anlamayı değil, aynı zamanda uygulanması için gerekli hesaplamaları yapmayı da mümkün kıldı. 1832'de, devam eden süreçlerin ana parametrelerini birbirine bağlayan yasaları ortaya çıktı.
birinci kanun
Faraday'ın birinci yasası, anotta indirgenen maddenin kütlesinin elektrolitte indüklenen elektrik yüküyle doğru orantılı olduğunu belirtir: m = kq = k*I*t, burada q yük, k katsayı veya elektrokimyasal eşdeğerdir maddenin, I elektrolitten geçen akımın gücü, t ise mevcut geçiş süresidir.
ikinci yasa
Faraday'ın ikinci yasası k orantılılık katsayısını belirlemeyi mümkün kıldı. Kulağa şöyle geliyor: Herhangi bir maddenin elektrokimyasal eşdeğeri, molar kütlesi ile doğru orantılı ve değerlik ile ters orantılıdır. Kanun şu şekilde ifade edilir:
k = 1/F*A/z, burada F Faraday sabitidir, A maddenin molar kütlesidir, z kimyasal değeridir.
Her iki yasayı da dikkate alarak, maddenin elektrotunda biriken kütleyi hesaplamak için nihai formülü elde etmek mümkündür: m = A*I*t/(n*F)burada n, elektrolizde yer alan elektronların sayısıdır. Genellikle n, iyonun yüküne karşılık gelir. Pratik bir bakış açısından, bir maddenin kütlesi ile uygulanan akım arasındaki bağlantı önemlidir, bu da gücünü değiştirerek süreci kontrol etmeyi mümkün kılar.
Eriyik elektrolizi
Elektroliz seçeneklerinden biri, elektrolit olarak bir eriyiğin kullanılmasıdır. Bu durumda, elektroliz işlemine yalnızca eriyik iyonları katılır. Klasik bir örnek, erimiş tuz NaCl'nin elektrolizidir (tuz). Negatif iyonlar anoda koşar, bu da gazın serbest kaldığı anlamına gelir (Cl). Katotta metal indirgemesi meydana gelecektir, yani. Fazla elektronları çeken pozitif iyonlardan oluşan saf Na birikimi. Diğer metaller de benzer şekilde elde edilebilir (K, Ca, Li, vb.) karşılık gelen tuzların katliamından.
Bir eriyik içinde elektroliz sırasında, elektrotlar çözünmezler, sadece bir akım kaynağı olarak katılırlar. İmalatlarında metal, grafit, bazı yarı iletkenler kullanabilirsiniz. Malzemenin yeterli iletkenliğe sahip olması önemlidir. En yaygın malzemelerden biri bakırdır.
Çözeltilerde elektrolizin özellikleri
Sulu bir çözeltideki elektroliz, bir eriyikten önemli ölçüde farklıdır. Burada üç rakip süreç gerçekleşir: oksijen oluşumuyla su oksidasyonu, anyon oksidasyonu ve metalin anodik çözünmesi. Su, elektrolit ve anot iyonları sürece katılır.Buna göre, katotta hidrojen, elektrolit katyonları ve anot metalinin indirgenmesi meydana gelebilir.
Bu rekabet eden süreçlerin meydana gelme olasılığı, sistemin elektrik potansiyellerinin büyüklüğüne bağlıdır. Sadece daha az harici enerji gerektiren süreç ilerleyecektir. Sonuç olarak, maksimum elektrot potansiyeline sahip katyonlar katotta indirgenecek ve en düşük potansiyele sahip anyonlar anotta oksitlenecektir. Hidrojenin elektrot potansiyeli "0" olarak alınır. Örneğin, potasyum için (-2.93V), sodyum - (-2.71V), öncülük etmek (-0.13V), gümüş ise (+0.8V).
Gazlarda elektroliz
Gaz, yalnızca bir iyonlaştırıcı varlığında elektrolit rolünü oynayabilir. Bu durumda iyonize ortamdan geçen akım elektrotlar üzerinde gerekli işlemin yapılmasına neden olur. Ancak, Faraday yasaları gaz elektrolizi için geçerli değildir. Uygulanması için aşağıdaki koşullar gereklidir:
- Gazın yapay iyonizasyonu olmadan, ne yüksek voltaj ne de yüksek akım yardımcı olmaz.
- Sadece oksijen içermeyen ve gaz halinde olan asitler ve bazı gazlar elektroliz için uygundur.
Önemli! Gerekli koşullar sağlandığında işlem sıvı elektrolitte elektrolize benzer şekilde ilerler.
Katot ve anotta meydana gelen süreçlerin özellikleri
Elektrolizin pratik uygulaması için, bir elektrik akımı uygulandığında her iki elektrotta da ne olduğunu anlamak önemlidir. Tipik süreçler:
- Katot. Pozitif yüklü iyonlar ona koşar. Burada metallerin indirgenmesi veya hidrojenin evrimi gerçekleşir. Katyonik aktiviteye göre birkaç metal kategorisi vardır.Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al gibi metaller sadece erimiş tuzlardan iyi indirgenir. Bir çözelti kullanılırsa, suyun elektrolizi nedeniyle hidrojen açığa çıkar. Aşağıdaki metaller için - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb için, ancak yeterli bir katyon konsantrasyonu ile çözeltide azalma elde etmek mümkündür. İşlem en kolay Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg için ilerler.
- Anot. Negatif yüklü iyonlar bu elektrota girer. Oksitlenirler, metalden elektron alırlar, bu da anodik çözünmelerine yol açar, yani. katoda gönderilen pozitif yüklü iyonlara geçiş. Anyonlar da aktivitelerine göre sınıflandırılır. PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F gibi anyonlar sadece eriyiklerden boşaltılabilir.Sulu çözeltilerde, elektrolize maruz kalanlar değil, oksijen salınımı ile sudur. OH, Cl, I, S, Br gibi anyonlar en kolay reaksiyona girer.
Elektroliz sağlanırken elektrot malzemesinin oksitlenme eğiliminin dikkate alınması önemlidir. Bu konuda inert ve aktif anotlar öne çıkmaktadır. İnert elektrotlar grafit, karbon veya platinden yapılmıştır ve iyon beslemesine katılmazlar.
Elektroliz sürecini etkileyen faktörler
Elektroliz işlemi aşağıdaki faktörlere bağlıdır:
- elektrolit bileşimi. Çeşitli safsızlıkların önemli bir etkisi vardır. 3 tipe ayrılırlar - katyonlar, anyonlar ve organikler. Maddeler, sürece müdahale eden ana metalden daha fazla veya daha az negatif olabilir. Organik safsızlıklar arasında kirleticiler (örn. yağlar) ve yüzey aktif maddeler öne çıkıyor. Konsantrasyonları izin verilen maksimum değerlere sahiptir.
- akım yoğunluğu. Faraday yasalarına göre, artan akım gücü ile biriken maddenin kütlesi artar. Bununla birlikte, olumsuz koşullar ortaya çıkar - konsantre polarizasyon, artan voltaj, elektrolitin yoğun ısınması. Bunu akılda tutarak, her bir özel durum için optimum akım yoğunluğu değerleri vardır.
- elektrolit pH. Ortamın asitliği de metaller dikkate alınarak seçilir. Örneğin, çinko için elektrolit asiditesinin optimal değeri 140 g/m³'tür.
- elektrolit sıcaklığı. Belirsiz bir etkisi var. Sıcaklıktaki bir artışla elektroliz hızı artar, ancak safsızlıkların aktivitesi de artar. Her proses için bir optimum sıcaklık vardır. Genellikle 38-45 derece aralığındadır.
Önemli! Elektroliz, çeşitli etkiler ve elektrolit bileşimi seçimi ile hızlandırılabilir veya yavaşlatılabilir. Her uygulamanın, kesinlikle uyulması gereken kendi rejimi vardır.
Elektroliz nerelerde kullanılır?
Elektroliz birçok alanda kullanılmaktadır. Pratik sonuçlar elde etmek için birkaç ana kullanım alanı vardır.
galvanik
Elektroliz ile ince, dayanıklı bir metal kaplama uygulanabilir. Kaplanacak ürün, banyoya katot şeklinde yerleştirilir ve elektrolit, istenen metalin bir tuzunu içerir. Böylece çeliği çinko, krom veya kalay ile kaplayabilirsiniz.
Elektro arıtma - bakır arıtma
Elektrikli temizlemeye bir örnek aşağıdaki seçenek olabilir: katot - saf bakır anot - safsızlıklar ile bakır, elektrolit - sulu bir bakır sülfat çözeltisi. Anottan gelen bakır iyonlara geçer ve katoda zaten safsızlıklar olmadan yerleşir.
metal madenciliği
Tuzlardan metal elde etmek için eriyiğe aktarılır ve daha sonra içinde elektroliz sağlanır. Böyle bir yöntem boksit, sodyum ve potasyumdan alüminyum elde etmek için oldukça etkilidir.
eloksal
Bu işlemde kaplama metalik olmayan bileşiklerden yapılır. Klasik bir örnek alüminyum eloksaldır. Alüminyum kısım anot olarak monte edilmiştir. Elektrolit, bir sülfürik asit çözeltisidir. Elektrolizin bir sonucu olarak, anot üzerinde koruyucu ve dekoratif özelliklere sahip bir alüminyum oksit tabakası biriktirilir. Bu teknolojiler çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. İşlemleri güvenlik yönetmeliklerine uygun olarak kendi ellerinizle gerçekleştirebilirsiniz.
Enerji maliyetleri
Elektroliz, yüksek enerji maliyetleri gerektirir. Anot akımı yeterliyse, işlem pratik değerde olacaktır ve bunun için güç kaynağından önemli bir doğru akım uygulamak gerekir. Ek olarak, yapıldığında, yan voltaj kayıpları meydana gelir - anot ve katot aşırı voltajı, direncinden dolayı elektrolitte kayıplar. Tesisatın verimliliği, enerji tüketiminin gücü, elde edilen maddenin faydalı kütlesi birimiyle ilişkilendirilerek belirlenir.
Elektroliz, endüstride uzun süredir ve yüksek verimle kullanılmaktadır. Eloksallı ve elektrolizle kaplamalar günlük yaşamda yaygın hale geldi ve malzemelerin madenciliği ve zenginleştirilmesi, birçok metalin cevherden çıkarılmasına yardımcı oluyor. Süreç, ana kalıpları bilinerek planlanabilir ve hesaplanabilir.
Benzer makaleler:
