Электролит процестері

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 6 бет
Таңдаулыға:

Мұндағы U- жарлықтағы жалпы кернеу; e _a және e _k - анодты және катодты реакциялардың тепе теңдік потенциалдары; e _эл . және e _диафр - электролит және диаграммадағы кернеудің кемуі; е _конт . - байланыстағы кернеудің кемуі. e _a - e _k қосындысы ыдырудың кернеуі деп аталады. Бұл өлшем электролизге кеткен заттардың ішкі энергиясының өзгеруіне ұшырайтын электроэнергияның мөлшерін көрсетеді.
Электролиз кезінде поляризация және осматикалық кернеу балансының күйі мөлшерінен жарлықтағы кернеулер кемуге тырысады. Ыдырау кернеуі әсер етуші заттың табиғатына шартталған, сондықтан өзгере алмайды. ∆е _к мен ∆е _а мәндері араластыру, электролит температурасын арттыру, электрод бетінің күйін өзгертуі және бірқатар факторлардың әсерінен электродта өтетін электрохимиялық реакцияның түріне байланысты өзгере алады.

$\ R = \frac{\rho \bullet l\ }{s}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \$

теңдеуі арқылы берілген электролиттегі кернеудің R - [Ом], кемуін

мұндағы ρ- электролиттің шекті тежеуі [Ом•см], l - электродтардың арасындағы арақашықтық [см], (диаграмманы есептемегенде) ; S- электр тогы өтетін электролиттің көлденең қимасының ауданы [см] ² , ол электродтардың жылжытылуы, ерітіндіге электр терістігі мол қосылыстарды қосу, температураның арттыру арқылы кішірейтілуі мүмкін. Егер электролиз газ бөлінумен қатар жүрсе, жоғарыда көрсетілген теңдеу әрқашан кернеудің электролитте кемуіне сәйкес болмайды. Оның мазмұны электродтағы газ көпіршіктері электролиттің активті қимасын S азайтады және токтың бірінші электродтан екіншісіне дейінгі жолды ұзартады. Бұл құбылыс газдытолтырылу деп аталады, оны берілген моменттегі көпіршіктің алып жатқан көлемінің жалпы электролиттік жарлықтың көлеміне қатынасын айтуға болады.

Газдытолтырылудың электролиттің электрөткізгіштігіне әсерін келесі теңдік арқылы анықтауға болады:

$\rho/\rho_{o}\ \ \$ = I - 1. 78φ + φ ₂

мұндағы ρ және ρ _ο электролиттің жалпы және газ толтырылған электролиттің шекті кедергісі; φ- газтолтырылу. φ ₂ - дің мөлшері температураның арттыруымен, сонымен қатар жарлықтан газдарды еркін жоятынын қамтамасыз ететін арнайы электродтардың құрылғысы арқылы азайтуға болады.
Диафрагмадағы кернеудің кемуі диафрагманың электролиздегі рөлі жайлы сұрақты шешу кезінде анықталды. Байланыстардағы кернеулердің төмендеуі жайлы айтатын болсақ, бөл мөлшер байланыстардың дамығандығынан, әсерлесуші беттердің тазалығынан тәуелді. Электродтық байланыстардың көптеген шешімдері бар. Кернеудің пайдалану әсер h _керн коэффициенті деп ыдырау кернеуінің жалпы кернеуге қатынасын айтамыз:

$h_{керн} = \ \frac{(e_{a} - e_{k}) }{U}$ Ал J = $\frac{I}{S}$ ток тығыздығы деп, электролит арқылы өтетін I - токтың электрод бетінің мөлшеріне S қатынасын айтамыз [А/м ² ] . Өндірісте токтардың әртүрлі тығыздықтарымен жұмыс істейді- бірнеше жүз А/см ² (гальваностегия, , Хлор өндіріснде) бірнеше мыңдаған А/см ² - ке дейін.

Ток тығыздығының мөлшері электродты беттің бірлігінен, яғни электролизер өнімділігінен алынатын өнім мөлшерін сипаттайды. Сондықтан, ток тығыздығының арттырылуы электролиз өнімінің ешқандай шығынын келтірмейтін болса, ток тығыздығының максимальды мүмкіндіктерімен жүргізілетін процестерге ұмтылады. Алайда, ток тығыздығының қалыпты мәнін таңдаған кезде, кейбір жағдайларда электролизге кеткен электрэнергиясының шығынының артуы нітижесінде кернеудің ток тығыздығының артуы болады.

Электролиз кезінде электролит арқылы жіберілетін ток бірнеше параллельді электрохимиялық реакцияларға шығындала алады. Мысалы, сулы ерітінділердің электролизі кезінде электрохимия тотығу тотықсыздану реакцияларына сәйкесінше анодта және катодта бөлінетін судың О ₂ және H ₂ ыдырауы қатар жүреді. Криолит қарабалшықтың балқымасының электролизі кезінде ток берілген жағдайларда тек алюминийдің бөлінуіне ғана шығындалмайды, сонымен қатар катодта металл натрийдің жиналуына кетеді. Сонымен, электролит арқылы жүргізілетін ток берілген анодта бір уақытта өтетін бірнеше процестерге таралады:

I=i ₁ +i ₂ +i ₃ +…i _n
Мұндағы І- электролизер арқылы өтетін ток, ал i ₁ және i ₂ электролиттің реакциясының бірінші және екінші бірлігіне шығындалған ток.
Электролизер арқылы өткізілген электр мөлшерінің қолданылуының тиімділігін ескеру үшін ток шығыны деген түсінігі енгізіледі.
Ток бойынша шығын- кез келген электр көлемін алу үшін телориялық қажетті электр мөлшерінің практикалық шығындалған электр көлеміне қатынасы.
Қажет емес электрохимиялық реакцияларға кететін энергияны азайту үшін электролизді ерітіндінің ыдырауы қиын болатын жағдайларда жүргізуге тырысады. өйткені еріткіштің тотығу тотықсыздану поляризациясы мүмкіндігі жоғары болады (мысалы сутегінің немесе оттегінің кернеуінің тым артуы) . Бұл ток тығыздығының артуы, электролит температурасының өзгертуі, электролит материалының таңдалуымен нәтиже береді.
Зат бойынша шығын- электрохимиялық реакция нәтижесінде алынған өнім мөлшерінің теория бойынша пайда болатын зат мөлшеріне қатынасын айтамыз.

Электроэнергия жұмсалуының ПӘКі (энергия бойынша шығын) - зат мөлшерінің бірлігі алыну үшін қажетті электроэнергия мөлшерінің практика бойынша шығындалған энерги мөлшеріне қатынасын айтамыз. Теория бойынша қажетті электроэнергия мөлшері - егер процесс кернеу бойынша 100%-ті ток күшінің шығынымен жүргендегі зат мөлшерінің бірлігі алыну үшін қажетті мөлшері. Сонымен, энергия бойынша шығын мына формула арқылы анықталады.

η _э = W _п \N = η _ток • η _кернеу

ток бойынша шығын һ және зат бойынша, электроэнергия пайдаланудың ПӘКі һ _керн көбінесе процентте есептейді. Электроэнергия шығынын көбінесе өндірілген зат мөлшерінің бірлігіне теңестіреді, вт сағ\кг немесе квт сағ\т өлшенеді. Тұрақты ток электрэнергиясының 1т электролизбен өндірілген өнімге кеткен шығымын есептеу үшін келесі формуланы

W=I•106•U/k∙η _ток •1000
Мүндағы W-тұрақты ток электроэнергиясының шығыны кВт∙сағ/т; U- электролизердегі кернеу, В; k-электрохимиялық эквивалент, грамм/а•r; һ ток- ток бойынша шығыны, бірлік мөлшері; 1000-айналдыру коэффициенті, вт•сағ тан квт•сағ - қа.

Айнымалы токтың өндірілген өнімгің бірлігне кеткен электрэнергия шығымын тұрақты ток энергиясы шығымы айнымалы токтың тұрақтыға айналу кезіндегі коэффициент мөлшеріне қатынасымен анықталады. электролит балқымасы не ерітінділер арқылы электр тогының өткізілуі уақыт аралығында және пайда болатын және шығындалатын зат мөлшері аралығында Фарадей заңдарымен анықталатын қатаң қатынастар болады.

Анодта және катодта өтетін электролиз өнімдерінің әрекеттесуін тоқтату кездерінде электролизер ішіне көпіршікті қалқа кіргізіледі-диафпагма, оны минимум екі электродты кеңістіктерге - анодты, катодты етіп бөледі. Анодты кеңістікке құйылатын ерітіндіні анолит, ал катодты кеңістікке құйылатын ерітіндіні католит деп атайды. Диафрагмалар орнатылған және фильтрлейтін болып бөлінеді.

Орнатылған диафрагмаларда диффузиондық кедергілер болу керек және олар электролит иондары үшін ғана селективті өткішті болу керек, сонымен бірге олар электролиз өнімдерін тежемеуі қажет. Фильтрлейтін диафрагмалардың диффузиондық кедергісі төмен болғандықтан, оларды электролизді кері бағытта- электролит бір электродты кеңістіктен келесіге диафрагма арқылы иондар қозғалысы бағытына қарама қарсы көшкен кезде қолданылады.

Диафагмалар көлемді көпіршіктенуімен, өткізгіштігімен, электр кедергісімен сипатталады. Диафрагманың көлемді көпіршіктенуі көпіршіктер көлемінің мөлшерінің жалпы диафрагма көлеміне қатынасымен сипатталады,

Мына теңдікпен анықталады:

g = I - d _каж / d _ист

мүндағы d _каж - диафрагманың тұжырымды тығыздығы, d _ист - шын тығыздығы. Диафрагманың өтімділігі - р диафрагманың ауданына, бетіне, қалыңдығына, гидростатикалық қысымына һ және өту уақытына тәуелді болады.

p=k∙S∙h∙r/δ∙η
мұндағы k- өтімділік коэффициенті, диафрагманың берілген типіне сипатты мөлшері. Диафрагманың электрлік кедергісі R келесі қатынастан анытай аламыз:
R=ρ∙δ∙β/g∙S
Мүндағы δ көпіршіктердің бұралаңдануының коэффициенті, көпіршіктің ұзындығы диафрагма ұзындығынан неше есе кем екенін көрсетеді.
Диагфрагмалар электролиз жағдайында мықты химикалық тұрақтылыққа және механикалық беріктілікке ие болу керек. Диаграма жасалатын зат болып асбест, керамика, пластмаса болып келеді. Кейбір жағдайларда, мысалы, балқымалардың электролизікезінде металдық диафрагмалар қолданылады.
Соңғы жылдары электролиз процессінен тек бір зарядтың ионы (катион немесе анион) үшін енетін ионитті диафрагмалардың таралуын алады. Электролиз өнімдерінің өзара әсерлесуіне ғана кедергі етпей, электродтарда өнімдердің тотығу тотықсыздануын болдырмайды. Осындай жағдайларда не орнатылған, не ионитті диафрагмаларды қолданылады.
Егер металды суға салатын болсақ, оның катиондары сұйықтыққа өте бастайды. Катион бетінде электр зарядының болуына байланысты метал бетінде өлшемі бойынша тең, таңбасы бойынша қарама қарсы болатын заряд артық электрондар түрінде жүреді, яғни металл беті теріс зарядталған болады. Ол өзіне металдың ерітіндіге өткен оң зарядты иондарын біртіндеп тарта бастайды, сол арқылы ктиондар ерітінді көлеміне еркін өте алмайды. Сондықтан, металл мен ерітінді шекарасында теріс жағы металл беті, ал оң жағы еріген иондардың жанасу қабаты болып келетін жазық конденсатор тәрізді жұп электрлік қабат түзіледі.

Иондардың аз мөлшері ерігеннен кейіннен ақ жұп қабаттың заряды соншалықты өседі, металдың балқуы тоқталады. Егер металл суға емес, өзінің иондарының ерітіндісне салынған болса, (мысалы, Zn ті ZnSO ₄ ке салғанда), онда бұл процесс біршама өзгеше болады. Егер ерітінді концентрациясы аз болса, онда жұп электрлік қабаттың түзілуі металдың судағы ерітіндісіндегідей өтеді. Егер ерітіндіде иондар концентрациясы жоғары болса, онда алдымен металл бетіндегі оң зарядталған катиондардың тұнбаға түсуі байқалады. Енді металл беті өзіне теріс иондарды тарта бастайды және жұп электрлік қабат түзіледі.
Катиондар металдың бір таңбалы заттарының және оның иондарының ары қарай тұнбаға түсуі тоқталатынға дейін катиондар тұнбаға түседі.
Екі теріс таңбалы зарядталған денелер болғанда олардың арасында потенциалдар айырмасының болатыны белгілі. Бұндай потенциалдар айырмасы мұнда да, жұп электрлі қабатта, металл-ерітінді шекарасында байқалады. Иондардың металдан ерітіндіге және қайта өтуі олардың арасында потенциалдар айырмасын тудырады. Металл-ерітнді жұбын электрод деп айту қабылданған. Бұл жағдайда потенциал электродты деп аталады.
Электродты потенциал неге тәуелді болады? Оны өлшеуге бола ма және қалай? Осы сұраққа жауап бере отырып, электрохимиктер бізге Нернст теңдеуін береді:
φ=φ _ο +RT/nF•lg[Me _n+ ]
мұндағы φ- электродты потенциал; [Me _n+ ] - металл иондарының концентрациясы, моль/л; Т- абсолют температура; n- металл иондарының валенттілігі; φ _ο- стандартты электродты потенциал; F- Фарадей саны (F=96500 Кл) .
Осы теңдеудегі ең маңызды өлшем- стандартты электродты потенциал φο. Оның физикалық мәні анық болады, [Me _n+ ] =1 моль/л. Онда теңдеудің екінші мүшесі нөлге тең болады. Яғни, стандартты электродты потенциал дегеніміз, соңғы 1моль\л концентрациясы үшін металл мен ерітінді иондарының шекарасында өтетін потенциалды айтады. Бұл электродтың ең негізгі сипаты болып табылады. Нернсттің теңдеуі әрбір электродтың электродты потенциалы әр түрлі өзгерістерге ұшырай алады. Оны ерітінді концентрациясына тәуелді болатын теңдеудің екінші мұшесі растайды. Енді мынадай сұрақ туындайды, электродты потенциалды қалай өлшеуге болады? Егер екі электродты қосатын болсақ гальваникалық элемент пайда болатыны бізге мәлім. Бұл элементтің кернеуі оның екі құрамдас электродының потенциалдар айырмасына тең болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.