Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Электролиз водных растворов электролитов

Читайте также:
  1. IV. Требования к зонам рекреации водных объектов
  2. IX. Запятые при вводных предложениях и вводных словах
  3. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ РАСТВОРОВ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
  4. Анализ данных с помощью сводных таблиц
  5. Анатомия кожи и её производных. Молочная железа: строение, кровоснабжение, иннервация. 1 страница
  6. Анатомия кожи и её производных. Молочная железа: строение, кровоснабжение, иннервация. 2 страница
  7. Анатомия кожи и её производных. Молочная железа: строение, кровоснабжение, иннервация. 3 страница
  8. Анатомия кожи и её производных. Молочная железа: строение, кровоснабжение, иннервация. 4 страница
  9. Внутренние воды скудны, поэтому проблема водных ресурсов очень актуальна.
  10. Вопрос: Обслуживание электролизной ванны.

 

При рассмотрении электролиза водных растворов необходимо

помнить, что кроме ионов электролита во всяком водном растворе есть еще

ионы Н+ и ОН- - продукты диссоциации воды. В электрическом поле ионы Н+

перемещаются к катоду, а ионы ОН- к аноду. Таким образом, у катода могут

разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода. У анода

может происходить разряд как анионов электролита, так и гидроксид –

ионов. Кроме того, молекулы воды также могут подвергаться

электрохимическому окислению или восстановлению. Из нескольких

возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого

сопряжено с минимальными затратами энергии.

Рассмотрим последовательность разряда ионов при электролизе

водных растворов электролитов.

 

Катодные процессы. Перенапряжение .

На катоде протекает реакция восстановления, т.е. прием электронов окислителем, поэтому на катоде в первую очередь должны реагировать наиболее сильные окислители, которым отвечает наибольшее значение положительного потенциала.

Однако указанная последовательность разряда ионов часто нарушается

из – за перенапряжения.

Катодное перенапряжение – это дополнительное напряжение,

прикладываемое к катоду (при этом потенциал катода смещается далее в

отрицательную сторону), а анодное – к аноду (при этом потенциал анода

смещается в положительную сторону), необходимое для проведения процесса с заданной скоростью. Перенапряжение всегда вызывается затруднениями при протекании электродного процесса. Наиболее значительно катодное перенапряжение восстановления ионов водорода и

анодное перенапряжение окисления гидроксид – ионов.

Для катодного восстановления при электролизе водного раствора

электролита, с учетом перенапряжения, все окислители можно разделить на три группы:

1) Ионы металлов, потенциал которых существенно более

отрицателен, чем потенциал водородного электрода, т.е.:

В водных растворах разряд этих ионов на катоде практически не

происходит, т.к. на катоде выделяется водород:

+ +2е- → Н2↑ при рН < 7

2О +2е- → Н2↑ + 2ОН- при рН ≥ 7.

Металлы, имеющие такой отрицательный потенциал

( ), могут быть получены только электролизом их расплавленных солей, в которых ионы Н+ отсутствуют.



2) Ионы металлов, потенциал которых более положителен, чем

потенциал водородного электрода. К ним относятся катионы Cu2+, Ag+, Hg2+, Au3+, ионы платиновых металлов. При наличии этих ионов в растворе на катоде они разряжаются в первую очередь, и разряд ионов Н+ не

происходит.

3) Ионы, потенциал которых относительно мало отличается от потенциала водородного электрода. К ним относятся ионы Sn2+, Pb2+, Ni2+,

Co2+, Zn2+, Cd2+ и других металлов, находящихся в ряду напряжения между алюминием и водородом. Преимущественным процессом в этом случае будет

разряд ионов металлов:

Меn+ +nе- → Ме0,

но часть электричества будет расходоваться на выделение водорода:

2О +2е- → Н2↑ + 2ОН-.

 

Анодные процессы

На аноде протекают реакции окисления восстановителей, т.е. отдача электронов восстановителем, поэтому в первую очередь на аноде должны реагировать наиболее сильные восстановители – вещества, имеющие отрицательный потенциал.

На аноде при электролизе водных растворов может протекать

несколько процессов:

1) растворение металла:



Ме0 –nе- → Меn+

2) окисление ОН- - ионов или воды:

4ОН- –4е- → О2 + 2Н2О при рН > 7

2О –4е- → О2 + 4Н+ при рН ≤ 7

3) окисление других веществ, присутствующих в растворе или около электрода:

Red –nе- → Ox

где Ox и Red – окисленная и восстановленная форма вещества соответственно.

Если потенциал металлического анода имеет более отрицательное

значение, чем потенциал окисления ионов ОН- или других веществ,

присутствующих в растворе, то происходит растворение металла. При этом

протекает электролиз с растворимым анодом. Из-за высокого перенапряжения выделения кислорода многие металлические аноды становятся неустойчивыми и растворяются (вплоть до Ag).

По активности к окислению на аноде отрицательные ионы могут быть

расположены в следующий ряд:

I-, Вr-, Сl-, S2-, ОН-, SO42-, NO3-, СlO4-

2О)

При электролизе водных растворов соединений, которые содержат

кислородсодержащие ионы, вместо последних на аноде разряжаются гидроксид – ионы или молекулы воды.

 

Связь между количеством выделившегося при электролизе вещества и

количеством прошедшего через электролит электричества выражается

законами Фарадея.

1 закон Фарадея: массы веществ, выделившиеся на электродах при

электролизе, прямо пропорциональны количеству электричества,

прошедшего через электролит, т.е.

m = k · I · τ, (4.1)

где m – масса вещества, образовавшегося на электроде или у электрода, г;

k – электрохимический эквивалент вещества; ;

I – сила тока, А;

τ – время электролиза, с (ч);

F = 96487 Кл или F = 26,8 А/ч;

Мэ(В) – эквивалентная масса вещества.

2 закон Фарадея (закон эквивалентов для электрохимических реакций): одинаковые количества электричества выделяют на электродах

при электролизе эквивалентные массы различных веществ:

(4.2)

или

(4.3)

Отношение количества электричества (q), необходимого для выделения

данной массы вещества, ко всему количеству прошедшего через электролит

электричества (Q), называется выходом по току данного вещества и обычно

выражается в процентах:

или 100%

Напряжение Uэл, которое необходимо подвести к электролизеру, состоит из: напряжения разложения Eр (разность потенциалов анодной и катодной реакций); суммы анодного и катодного перенапряжений Еп; падения напряжения в электролите Uэ=IRвн (Rвн— сопро­тивление электролита); падения напряжения в шинах, контактах, электродах Uc—I(Rш +RK+Rэ). Получаем:

Uэл = EP + En + Uэ + Uc, (4.4)

Мощность, потребляемая при электролизе, равна:

Рэл = IUэл = I(Ерп + Uэ + Uс). (4.5)

Из этой мощности только первая составляющая рас­ходуется на проведение реакций, остальные являются тепловыми потерями процесса. Лишь при электролизе расплавленных солей часть теплоты, выделяющейся в электролите IUэл, используется полезно, так как расхо­дуется на расплавление загружаемых в электролизер солей.

Эффективность работы электролизной ванны, может быть оценена массой вещества в граммах, выделяемого на 1 Дж затраченной электроэнергии. Эта величина но­сит название выхода вещества по энергии; ее можно най­ти по выражению

; (4.6)

здесь α — электрохимический эквивалент вещества, г/Кл; η1—выход по току; Uэл напряжение на электролизе­ре, В.

 

Электролиз водных растворов металлов в металлургии

Электролиз водных растворов металлов осуществля­ется как для их получения (электроэкстракция), так и для их электролитического рафинирования.

Производство цинка. Цинк применяется для произ­водства сплавов (например, латуни), для покрытия из­делий из железа защитным слоем, для производства бе­лил. Основным сырьем для производства цинка служат в основном сульфидные руды, в которых главным цинк-содержащим минералом является цинковая обманка ZnS.

Производство цинка из сульфидного концентрата осу­ществляется пирометаллургическим или гидрометаллур­гическим методом. В России большее развитие получил второй способ, при котором концентрат подвергают окис­лительному обжигу, затем выщелачивают серной кисло­той. Таким образом, электролитом служит водный раст­вор, содержащий 5—6% сернокислого цинка ZnS04 с до­бавлением 10—12% H2SO4, повышающей проводимость электролита.

Электролиз цинка проводят в прямоугольных элек­тролизерах длиной 2—3 м, шириной 0,8—1,1 м и глуби­ной 1,0—1,5 м, выполненных из железобетона или дере­ва. Они устанавливаются в цехе на столбах и изолиро­ваны от земли фарфоровыми или стеклянными изолято­рами. Наружные поверхности электролизеров защищены кислотоупорным лаком, внутри они покрыты вини­пластом или свинцом. Сверху в электролизер опускают 15—30 свинцовых анодов прямоугольной формы разме­рами 1000X600 мм, толщиной 5—10 мм. В верхнюю часть анода залита медная штанга, одним концом она опира­ется на идущую вдоль электролизера анодную шину, а другим — на деревянную изолированную планку у вто­рой стороны электролизера (рис. 4.2.). Срок службы свин­цовых анодов 1,5—2,0 года.

Катоды помещаются между анодами; расстояние меж­ду соседними электродами 30—40 мм. Катоды изготав­ливаются из алюминиевого листа толщиной 4—8 мм, их размеры чуть больше размеров анодов. Верхней частью катоды подвешиваются на крючках к штанге, одним кон­цом лежащей на катодной шине, а другим—.на деревян­ной планке. Цинк наращивают на катоде в течение 40—50 ч, после чего его сдирают с катода и отправляют на переплавку. В процессе электролиза электролит непре­рывно циркулирует через электролизеры и очиститель­ную установку. Процесс ведется при 35—40° С, в ваннах имеются змеевики из свинцовых труб с охлаждающей во­дой. Плотность тока на электродах достигает 400— 600 А/м2; при этих плотностях

 

 

Рис. 4.2. Блок деревянных ванн для электролиза цинка.

1 – катодный токопровод; 2 – катодная шина; 3 – катод; 4 – анод; 5 – анодная шина;
6 – анодный токопровод; 7 – изолятор; 8 – сливной патрубок; 9 – корпус ванны.

 

тока перенапряжения при выделении катионов водорода на катоде достигают —1,1 В, благодаря чему и оказывается возможным осаждение цинка,

имеющего нормальный электродный потенциал — 0,76 В.

Выход по току составляет 88—94%, напряжение на ванне равно 3,5—4,5 В (все электроды включены парал­лельно). Ванны включаются в серию последовательно; ток ванны составляет 7000—12 000 А, напряжение серии ванн 350—450 В.

Удельный расход электроэнергии приблизительно ра­вен 3500 кВт-ч/т цинка.

В последнее время ведутся работы по осуществлению непрерывного процесса электролиза цинка. При этом ка­тод выполняется в виде вращающегося барабана, напо­ловину опущенного в электролитическую ванну в форме полуцилиндра с выстилающим его свинцовым электро­дом, или в виде ленты, движущейся вдоль электролизе­ра. Осаждающийся на катоде цинк непрерывно снима­ется с барабана или ленты и сматывается в рулоны; про­цесс ведется при очень высоких плотностях тока, дости­гающих 6000 А/м2. В полупромышленной установке с барабанным электролизером при катодной плотности тока 4000 А/м2 и напряжении 4 В был достигнут выход по току 97%.

 


Дата добавления: 2014-11-13; просмотров: 66; Нарушение авторских прав


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Физико-химические процессы электролиза | Электролиз расплавленных солей
lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2018 год. (0.013 сек.) Главная страница Случайная страница Контакты