ұмыстың жоспары
Қысқаша анықтама және ашылу тарихы.
қаг Фарадей заңдары.
әсер ететiн факторлар.
құбылысы.
ғы техникалық электролиз.
ң өндiрiсте қолданылуы.
Қорытынды.
ң анализi жүргiзiлу үшiн қажеттi негiзгi тапсырмалар келесi әдiспен анықталған болатын.
үсiну үшiн, ең алдымен теориялық бөлiммен танысу керек(ашылу тарихы, Фарадей заңы). Келесi кезеңде әртүрлi факторлардың электролиттiң нәтижелi өнiмдерiнне әсерi қарастырылады (санды және сапалы құрамы).
ғынды электролиттiң сапалы құрамының электролиз өнiм құрамына экспериментальдiк жолмен анықталу тәсiлдерiне тоқталайық.
қ электролиздiң түрлi салаларда, оның iшiнде өндiрiсте қолданылуын қарастырамыз.
Қысқаша анықтама және ашылу тарихы.
ғылым ретiнде ХVIII және XIX ғасырларда шет елдерде қалыптасты. Тек сол кезде шешiмi электрохимия теориясын жаңа дәрежеге көтерген болатын проблемалар туындады. 1799ж итальян физигi А. Вольттiң «вольттiк бағанасының»- адамзат тарихындағы бiрiншi тоқ көзiнiң пайда болуы және итальян физиологы Л. Гальванидiң тәжiрибелерi электрохимияның ғылым ретiнде дамуына бастапқы түрткi болды.
ңа дамып жатқан ғылым. Тек екi ғасыр бұрын электр тогының тұздардың сулы ерiтiндiлерi арқылы өткен кезде жаңа заттар пайда болатын химиялық алмасулар жүретiнi анықталды.
өткен ғасырдың басында ғана заттардың ерiтiндiлерi мен балқымаларында болатын электрохимиялық процестердi зерттеудiң ғылымдық бағыты- электрохимия пайда болды.
ң өндiрiстiк қолданылуы ХІХ ғасырдың 70 жылдарында тұрақта электр токты қуатты генераторлардың пайда болуынан кейiн ғана мүмкiн болды.
ң соңында ғана екi бөлiмге бөле бастады: ионика және электродика. Ионика- электр өрiсiнiң әсерiнен зарядталған бөлшектердiң жүрiсiн және электрөткiзгiштiк құбылысын зерттейтiн бөлiм, ал электродика электрод ерiтiндi (балқыма) шегi арқылы өтетiн электр тогының электродтар бетiнде жүретiн құбылыстарды зерттейдi.
қ сөздiкке көз салатын болсақ, келесi анықтамаға тiрелемiз:
әне lysis- бөлiну, ыдырау)- электрохимиялық тотығу- тотықсыздану процестерiнiң электрлiк тогы өткен кездегi электролитке салынған электродтарға әсерi.» электролиз электрохимиядағы ең маңызды бағыт болып табылатыны ескеру қажет, ол өз кезеңiнде электрохимия облысында маңызды жаңалықтардың ашылуына негiз болды.
ға электр тогының әсерiнен болатын химиялық айналымдарды айтамыз.
қ жағдайларда бiрдей емес, ол бiрқатар факторларға тәуелдi болады- электролиттiң табиғатына, электролиттiк ваннаның типiне, электролиздiк процестер өздерiнiң оптимизациясына.
қ және қолданбалы электролиздi ажыратады, ал ал электролиттiк процестердi келесi түрде жiктейдi:
ң балқымаларының алынуы.
қ қабаттардың алынуы
қ заттардың алынуы (хлор, сутегi, оттегi, сiлтiлер және т. б.)
қ заттардың алынуы
ң тазартылуы (қола, күмiс)
ң алынуы (магнии, цинк, литий, натрий, калий, алюминий,
ң өңделуi.
өмегiмен пленкалардың жабылуы.
әне судың тұзсыздандыруы.
ң мақсатты қолданылуы мынада жатады: оның көмегiмен таза элементтiң массалық үлесi жүз процентке ұмтылатын металдарды алуға болады. Ал натрий, никель, таза сутегi және басқалар тек осы метод арқылы алынады.
қ медь мен алюминийдi көп жағдайда осы әдiс арқылы алады.
ұйымдарға алтын немесе күмiс пленкасымен жабу үшiн қолданылады. Осындай әдiспен бұл металдарды коррозиядан қорғайды.
үгiнгi таңда электрохимиялық процестердiң зерттелуi, оларға әсер ететiн факторларды анықтау, электролиз процессiнiң өндiрiстiк шараларда қолданудың жаңа түрлерiнiң анықталуы жүргiзiлiп жүр. Көптеген факторлар әлi де түсiнiкiз.
ң басты тапсырма болып, электролиз әдiсiн одан әрi дамыту, өнiмдiлiк пайдалы,ал электроэнергия шығындары минимальды болуы. Сонымен қатар электролиз өнiмiнiң саны мен сапасына әсер ететiн түрлi факторларды ескеру қажет(электродтардың материалы, ток тыңыздығы, ток күшi, электролит температурасы, т. б.).
ұрақты токтың жүргiзу энергиясы және электродтардағы химиялық айналымдардан бөлiнетiн энергия арқасында жүредi. Сондықтан, электролиз тек электр тогы жүретiн орталарда өте алады.
ң өткiзгiштерiне назар аударайық.
қылы өтетiн токтың нәтижесiнде жүретiн химиялық процестi айтамыз.
ң өткiзгiштерiне мыналар жатады: тұздардың, қышқылдардың, негiздердiң сулы ерiтiндiлерi. Электр тогын өткiзетiн заттар мен ерiтiндiлер электролит деген атқа ие болды.
қышқылдар, негiздер және тұздар электролит болып табылады.
ң нашар өткiзгiштерi болып дистильднеген су, қанттың, спирттiң, глицериннiң сулы ерiтiндiлерi, сонымен қатар, қалыпты осмотикалық қысымды ерiтiндiлер, соның iшiнде, қышқылдар, тұздар мен негiздердiң басқа сұйықтардағы ерiтiндiлерi жатады. Құрғақ тұздар және сусыз қышқылдар мен негiздер (қатты түрде) ток өткiзбейдi.
қсатты өнiмдердiң қалыптасуы процессi жүйесiнiң гиббстiк энергиясын арттруға жұмсалады және электролизер және электр жүйенiң басқа аудандарындағы кедергi нәтижесiнде болатын бiртiндеп жылу ретiнде ыдырайды.
әтижесiнде катодта жаңа өнiмдердiң пайда болуымен электролит молекулалары мен иондарының тотығуы жүредi. Катиондар электрондарды қабылдап, тотықсызданудың төмен дәрежелi иондарға немесе атомдарға айналады.
әтижесiнде анодта анод материалына жататын немесе электролитте болатын иондар немесе молекулалардың тотықсыздануы жүредi (анод ыдырайды немесе тотықсызданады).
әдiспен, электролиздердiң бастапқы өнiмдерi қышқылдар, негiздер және тұздардың алмасу реакциясы кезiндегi бөлшектерi болып табылады, олар өзгермейдi, бiр заттан екiншiсiне ауысады.
өлiнетiн өнiмдердi зерттей отырып, қышқылдар, негiздер және тұздардың электролизi кезiнде катодта әрқашан металл мен сутегi, ал анодта қышқыл қалдықтары мен кейiн өзгерiстерге ұшырайтын гидроксильдi топтар бөлiнетiнi анықталды.
әлiрек қарастырайық.
қты өткiзгiштер белгiлi, оларда электр электрондар арқылы тасымалданады, ал екiншi жақты өткiзгiштерде электр иондар арқылы тасымалданады.
қты өткiзгiштер екiншi жақты өткiзгiштермен шектесетiн электр тiзбегi бар жерлерде өзара әсерлеседi. Сол арқылы электрохимиялық процестер жүредi.
ұл жүйе энергияның химиялық көзi деп аталады, егер бұл процесстер өзiмен жүретiн болса.
ң жүруi электр энергиясының қосылуымен шартталатын болса, онда электролиз жүредi.
үретiн электрохимиялық процестер ең алдымен электрохимиялық жүйелерге сәйкес болатын электродтық потенциалдар қатынасына тәуелдi болады.
үмкiн болатын процестерден минимальды энергия шығыны болатыны жүредi.
ұл катодта ең көп электродты потенциалы болатын электрохимиялық жүйелердiң тотықсызданған формаларының тотықтануы жүредi, ал анодта ең аз электродты потенциалы болатын жүйелердiң тотықтанған формалары тотықсызданады.
қымасы мысалында электролиз процессiн қарастырайық.
қымасы арқылы ток өткiзетiн болсақ, магний катиондары терiс iшкi тiзбек арқылы келетiн электрондармен өзара әсер ететiн
ға қарай тартылады.
ң әсерiнен оң электродқа қарай тартыла бастайды, артық электрондарды бере отырып және тотықсызданады.
ң тотықсыздануы- электрохимиялық кезең бастапқы процесс болып келедi.
ң молекулаларына өзара байлануы жүредi.
қыманың электролиз кезiндегi тотығу-тотықсыздану реакциясының электродта жүретiн процестер теңдiктерiн қоса алғанда
ңдеуiн аламыз.
қа кез келген сулы ерiтiндiде судың диссоциация өнiмдерi болатын иондар болады – Н+ және OH-. Судың молекулалары да берiлген шартарда электрохимиялық тотығу-тотықсыздануға ұшырайды.
қты катодта разрядталады. Және аналогия бойынша, анодта электролит аниондарының және гидроксид иондарының разрядтары жүредi.
ң электролизi кезiнде катодты процестердi қарастыра отырып сутегi иондарының тотығу процессiндегi потенциал мөлшерiн ескеру қажет. Бұл потенциал сутегi иондарының концентрациясына тәуелдi болады және бейтарап ерiтiндiлер жағдайында (рН=7) мына мәнге ие болады: φ=─0¸059•7= ─0¸41B.
ң электролитi кезiнде және ─0¸41B ке қарағандағы электродты потенциалы оң болатын металл бөлiнедi.
ғдайында, потенциалы ─0¸41Bке қарағанда терiс потенциал болатын металдар тотықтанбайды, сутегiнiң бөлiнуi жүредi.
─0¸41B көрсеткiшiне жақын болса (орта қатардың металдары – Zn, Cr, Fe, Ni), электролиз шарттарына және ерiтiндi концентрациясына байланысты металдың тотығуымен қатар сутегiнiң бөлiнуi мүмкiн; металл мен сутегiнiң бiрқатар бөлiнуi көп кездеседi.
ң қышқыл ерiтiндiлерiнен электрохимиялық бөлiнуi сутегi иондарының разрядталыну нәтижесiнде пайда болады. Бейтарап немесе сiлiтiлi орталар жағдайында ол судың электрохимиялық тотығуының нәтижесi болып келедi:
ң электролизi кезiнде катодты процестердiң мiнезi ең алдымен кернеу қатарындағы сәйкес металдың орналасуымен анықталады. көп жағдайда ерiтiндiнiң рН ,металл иондарының концентрациясы және электролиздiң басқа шарттары маңызды болады. Анодты процестердi қарастырған кезде анодтың материалы электролиз кезiнде тотығу мүмкiншiлiгiн ескеру қажет. Осыған байланысты инерттiк анодпен электролиз және активтi анодпен электролиз деп ажыратады. Активтi анод деп, материалы электролиз кезiнде тотыға алатын анодты айтады. Инерттi анод материалы негiзiнде көбiнесе көмiр графитiн немесе платинаны қолданады. Инерттi анодта сiлтiлердiң сулы ерiтiндiлерiнде, құрамында оттегi болатын қышқылдар және оның тұздары, сонымен қатар, фторлысутектi қышқылдар және фторидтердiң электролизi кезiнде судың оттегi бөлу арқылы электрохимиялық тотықсыздануы жүредi.
ң рН на байланысты бұл процесс әртүрлi жүредi және әр түрлi теңдеулермен жазылуы мүмкiн.
қышқыл немесе бейтарап ортада
Қарастырылып отырған жағдайларда судың электрохимиялық тотықсыздануы энергетика жағынан ең пайдалы болып келедi. Құрамында оттегi болатын аниондар не тотыға алмайды, не тотығу процессi өте жоғары потенциалдарда өтедi. Мысалы, SO42 ионы тотықсыздануының стандартты потенциалы
ң, су тотықсыздануының стандартты потенциалын бiршама арттырады. (1,228B).
қсыздануының стандартты потенциалыодан үлкен көрсеткiшке ие (2,87B).
ң оттексiз қышқылдары және олардың тұздарының анодтағы электролизi кезiнде аниондар разрядталады. Көбiнесе, HI, HBr, HCl ерiтiндiлерi және олардың тұздарының электролизi кезiнде анодта сәйкес галоген бөлiнедi. HCl және оның тұздарының кезiнде хлордың бөлiнуi жүйелердiң орналасуын керi тұжырымдайды
2Cl-=2Cl+2e-(φ=1¸359B)
әне
φ=1¸228B)
қатарында. Бұл аномалия аса маңызды екi электроды процесстердiң бiреуiнiң кернеуiнiң тым жоғары болып кетуiне байланысты- анодтың материалы оттегi бөлiну процессiне тежеулi әсер етедi.
ғдайында бәсекелесетiн тотқсыздану процестердiң саны үшке дейiн өседi: судың оттегi бөлiнуiмен электрохимиялық тотықсыздануы, анионның разрядталуы (яғни оның тотықсыздануы) және анод металының электрохимиялық тотықсыздануы (металдың анодтық еруi деп те атайды). Бұл мүмкiн болатын процесстерден тек энергетикасы жағынан ең пайдалысы ғана жүредi. Егер анод металы стандарттық потенциалдар қатарында басқа екi электрохимиялық жүйелерден ертерек орналасқан болса, металдың анодтық еруi байқалады. Керi жағдайда оттегiнiң бөлiнуi немесе анионның разрядталуы жүредi.
ң электролизiнiң бiрнеше типтiк жағдайларын қарастырайық.
ң инердтi анодпен электролизi. Қола керну қатарында сутектен кейiн орналасқан; сондықтан катодта Cu2+ иондарының разрядталуы және металдық қоланың бөлiнуi жүредi. Анодта хлорид-иондар разрядталады.
Қола хлоридi (ІІ) ерiтiндiсiнiң электролиздiк сұлбасы.
CuCl2
←Cu2+2Cl-→Анод
Cu2++2e-=Cu2Cl-=2Cl+2e-
ң инерттi анодпен электролизi. Калий кернеу қатарында сутегiден бiршама ерте орналасқандықтан, катодта сутегiнiң бөлiнуi және ОН- жиналуы болады. Анодта оттегiнiң бөлiнуi және Н+ иондарының жиналуы жүредi. Сонымен қатар катодты кеңiстiкке К+иондары жиналады, ал анодтiкiне- SO42 иондары. Сол арқылы ерiтiндi барлық жағынан электрбейтарапты болып қалады. Алайда катоды кеңiстiкте сiлтi жиналады, ал анодта-қышқыл.
ң электролизiнiң сұлбасы:
←4K+2SO42-→Анод
ңникельдiанодпенэлектролизi. Никельдiңстандарттыпотенциалы (-0,250B) -0,41Bденкiшкенеартық; сондықтан NiSO4 бейтараперiтiндiсiнiңэлектролизiкезiндекатодтанегiзiнен Ni2+ иондарыныңразрядтарыжәнеметалдыңбөлiнуiжүредi. Анодтакерiбағыттапроцессжүредi – металдыңтотықсыздпнуы, никельдiңпотенциалысудыңтотықсызданупотенциалынанәлдеқайдааз. Соларқылы, берiлгенжағдайдаэлектролизанодметалыныңеруiменоныңкатодабөлiнуiнеәкелiпсоғады.
ң электролиз сұлбасы:
NiSO4
→Ni2+SO42←Анод
SO42-
ұлпроцессникельдiңэлектрохимиялықтазартылуыкезiндеқолданылады.
ңдары.
ң бiрiншi заңы.
ң электролит ерiтiндiсi арқылы өькендегi электродта бөлiнетiн зат массасы электр көлемiне тура пропорционалды болады».
∆m=kэQ
ұндағы ∆m-реакцияға түскен заттың мөлшерi; Q- электр мөлшерi; kэ- электр мөлшерiнiң бiрлiгiне қанша зат әсер еткенiн көрсететiн пропорционалдық коэффициент.
өлшерi электрохимиялық эквивалент деп аталады.
ұндағы z ион валенттiлiгi; М электродта бөлiнген заттың молярлық массасы; Na Авогадро тұрақтысы, e=1,6•10-19 Кл.
ң екiншi заңы.
ң екiншi заңы бойынша, өткен электрдiң берiлген мөлшерiнде реакцияға түскен заттардың массаларының қатынасы олардың химиялық эквиваленттерiнiң қатынасына тең:
∆m1\A1=∆m2\A22=∆m3\A3=const
ңхимиялықэквивалентiсутегiнiңбiратомдықмассасыннемесеоттегiнiңжартыатомдықмассасынқосатыннемесеалмастыратынхимиялыққосылыстарда 1\12 атоммассасының C12болатынэлементбөлшегiмассасықатынасынатең. «химиялықэквивалент» түсiнiгiқосылыстарғақолданылады. Солай, қышқылдыңхимиялықэквивалентiсанбойыншаоныңмолярлықмассасыныңнегiзiнебөлiнуiнайтамыз (сутегiиондарыныңсаны), негiздiңхимиялықэквивалентi-оныңмолярлықмассасыныңқышқылдығынабөлiнуiн (бейорганикалықнегiздерде- гидроксильдiтоптардыңсанына), тұздыңхимиялықэквивалентi- оныңмолярлықмассасыныңкатиондарнемесеаниондарзарядтарыныңқосындысынақатынасыболыптабылады.
әсер ететiн факторлар.
қатарымен баға бередi: ток күшi, кернеу, ток тығыздығы, ток көзiнiң ПӘКi, ток шығыны, зат бойынша шығыны, электрэнергияның ПӘКi, алынған өнiмнiң бiрлiгiне кетiрiлген электр энергиясының шығыны.
үшi мен кернеулiк оның өнiмдiлiгiн сипаттайды. Электролизер арқылы өтетiн ток күшi неғұрлым көп болса, берiлген электролизердiң эксплуотациясы кезiнде соншалықты көп өнiм алуға болады. Жақында қуатты электролизерлердiң жасалу тенденциялары байқалуда. Олар ондаған және жүздеген мың Амперге саналған (хлор, алюминий және т. б. өнiмдерi) электролизердегi кернеу бiрнеше ұүрамдастардан түрады:
∆ea+∆ek+eэл. -eдиафр.+еконт.
ұндағы U- жарлықтағы жалпы кернеу; ea және ek – анодты және катодты реакциялардың тепе теңдiк потенциалдары; eэл. және eдиафр – электролит және диаграммадағы кернеудiң кемуi; еконт. - байланыстағы кернеудiң кемуi. ea-ek қосындысы ыдырудың кернеуi деп аталады. Бұл өлшем электролизге кеткен заттардың iшкi энергиясының өзгеруiне ұшырайтын электроэнергияның мөлшерiн көрсетедi.
әне осмикалық кернеу балансының күйi мөлшерiнен жарлықтағы кернеулер кемуге тырысады. Ыдырау кернеуi әсер етушi заттың табиғатына шартталған, сондықтан өзгере алмайды. ∆ек мен ∆еа мәндерi араластыру, электролит температурасын арттыру , электрод бетiнiң күйiн өзгертуi және бiрқатар факторлардың әсерiнен электродта өтетiн электрохимиялық реакцияның түрiне байланысты өзгере алады.
ρl\s теiдеуi арқылы берiлген электролиттегi кернеудiң кемуiн (мұндағы ρ- электролиттiң шектi тежеуi; Ом•см, l-электродтардың арасындағы арақашықтық,см (диаграмманы есептемегенде); S- электр тогы өтетiн электролиттiң көлденең қимасының ауданы, см2, ол электродтардың жылжытылуы, ерiтiндiге электр терiстiгi мол қосылыстарды қосу, температураның арттыру арқылы кiшiрейтiлуi мүмкiн. Егер электролиз газ бөлiнумен қатар жүрсе, жоғарыда көрсетiлген теңдеу әрқашан кернеудiң электролитте кемуiне сәйкес болмайды. Оның мазмұны электродтағы газ көпiршiктерi электролиттiң активтi қимасын S азайтады және токтың бiрiншi электродтан екiншiсiне дейiнгi жолды ұзартады. Бұл құбылыс газдытолтырылу деп аталады, оны берiлген моменттегi көпiршiктiң алып жатқан көлемiнiң жалпы электролиттiк жарлықтың көлемiне қатынасын айтуға болады. Газдытолтырылудың электролиттiң электрөткiзгiштiгiне әсерiн келесi теңдiк арқылы анықтауға болады:
ρ\ρο=1-1. 78φ+φ2
ұндағы ρ және ρο электролиттiң жалпы және газдытолтырылған электролиттiң шектi кедергiсi; φ- газдытолтырылу. φ – дiң мөлшерi температураның арттыруымен, сонымен қатар жарлықтан газдарды еркiн жоятынын қамтамасыз ететiн арнайы электродтардың құрылғысы арқылы азайтуға болады.
ғы кернеудiң кемуi диафрагманың электролиздегi рөлi жайлы сұрақты шешу кезiнде анықталды. Байланыстардағы кернеулердiң төмендеуi жайлы айтатын болсақ, бөл мөлшер байланыстардың дамығандығынан, әсерлесушi беттердiң тазалығынан тәуелдi. Электродтық байланыстардың көптеген шешiмдерi бар. Кернеудiң пайдалану әсер коэффициентi депыдырау кернеуiнiң жалпы кернеуге қатынасын айтамыз:
ғыздығы деп, электролит арқылы өтетiн токтың электрод бетiнiң мөлшерiне қатынасын айтамыз; А\см2 (дм2, м2). өндiрiсте токтардың әртүрлi тығыздықтарымен жұмыс iстейдi- бiрнеше жүз А\см2 тан (гальваностегия, гидроэлектрометаллургия, Хлор өндiрiснде) бiрнеше мыңдаған А\см2 ке дейiн. Ток тығыздығының мөлшерi электродты беттiң бiрлiгiнен, яғни электролизер өнiмдiлiгiнен алынатын өнiм мөлшерiн сипаттайды. Сондықтан, ток тығыздығының арттырылуы электролиз өнiмiнiң ешқандай шығынын келтiрмейтiн болса, ток тығыздығының максимальды мүмкiндiктерiмен жүргiзiлетiн процестерге ұмтылады. Алайда, ток тығыздығының қалыпты мәнiн таңдаған кезде, кейбiр жағдайларда электролизге кеткен электрэнергиясының шығынының артуы нiтижесiнде кернеудiң ток тығыздығының артуы болады. Электролиз кезiнде электролит арқылы жiберiлетiн ток бiрнеше параллельдi электрохимиялық реакцияларға шығындала алады. Мысалы, сулы ерiтiндiлердiң электролизi кезiнде электрохимия тотығу тотықсыздану реакцияларына сәйкесiнше анодта және катодта бөлiнетiн судың О2 және H2 ге ыдырауы қатар жүредi. Криолитқарабалшықтың балқымасының электролизi кезiнде ток берiлген жағдайларда тек алюминийдiң бөлiнуiне ғана шығындалмайды, сонымен қатар катодта металл натрийдiң жиналуына кетедi.
қылы жүргiзiлетiн ток берiлген анодта бiр уақытта өтетiн бiрнеше процестерге таралады:
ұндағы І- электролизер арқылы өтетiн ток; i1 және i2 электролиттiң реакциясының бiрiншi және екiншi бiрлiгiне шығындалған ток.
қылы өткiзiлген электр мөлшерiнiң қолданылуының тиiмдiлiгiн ескеру үшiн ток шығыны деген түсiнiгi енгiзiледi.
ғын- кез келген электр көлемiн алу үшiн телориялық қажеттi электр мөлшерiнiң практикалық шығындалған электр көлемiне қатынасы.
Қажет емес электрохимиялық реакцияларға кететiн энергияны азайту үшiн электролиздi ерiтiндiнiң ыдырауы қиын болатын жағдайларда жүргiзуге тырысады. өйткенi ерiткiштiң тотығу тотықсыздану поляризациясы мүмкiндiгi жоғары болады (мысалы сутегiнiң немесе оттегiнiң кернеуiнiң тым артуы). Бұл ток тығыздығының артуы, электролит температурасының өзгертуi, электролит материалының таңдалуымен нәтиже бередi.
ғын- электрохимиялық реакция нәтижесiнде алынған өнiм мөлшерiнiң теория бойынша пайда болатын зат мөлшерiне қатынасын айтамыз. Электроэнергия жұмсалуының ПӘКi (энергия бойынша шығын)- зат мөлшерiнiң бiрлiгi алыну үшiн қажеттi электроэнергия мөлшерiнiң практика бойынша шығындалған энерги мөлшерiне қатынасын айтамыз. Теория бойынша қажеттi электроэнергия мөлшерi – егер процесс кернеу бойынша 100%-тi ток күшiнiң шығынымен жүргендегi зат мөлшерiнiң бiрлiгi алыну үшiн қажеттi мөлшерi. Сонымен, энергия бойынша шығын мына формула арқылы анықталады.
ηэ=Wп\N=ηток•ηкернеу
ғын һ және зат бойынша, электроэнергия пайдаланудың ПӘКi һкерн көбiнесе процентте есептейдi. Электроэнергия шығынын көбiнесе өндiрiлген зат мөлшерiнiң бiрлiгiне теңестiредi, вт сағ\кг немесе квт сағ\т өлшенедi. Тұрақты ток электрэнергиясының 1т электролизбен өндiрiлген өнiмге кеткен шығымын есептеу үшiн келесi формуланы қолдануға болады:
ηток•1000
үндағы W-тұрақты ток электроэнергиясының шығыны кВтсағ\т; U- электролизердегi кернеу,В; k-электрохимиялық эквивалент, грамм\а•r; һ ток- ток бойынша шығыны, бiрлiк мөлшерi; 1000-айналдыру коэффициентi, вт•сағ тан квт•сағ қа. Айнымалы токтың өндiрiлген өнiмгiң бiрлiгне кеткен электрэнергия шығымын тұрақты ток энергиясы шығымы айнымалы токтың тұрақтыға айналу кезiндегi коэффициент мөлшерiне қатынасымен анықталады. электролит балқымасы немес ерңтңндң арқылы электр тогының өткiзiлуi уақыт аралығында және пайда болатын және шығындалатын зат мөлшерi аралығында Фарадей заңдарымен анықталатын қатаң қатынастар болады.
ң қолданылуы.
әне катодта өтетiн электролиз өнiмдерiнiң әрекеттесуiн тоқтату кездерiнде электролизер iшiне көпiршiктi қалқа кiргiзiледi-диафпагма, оны минимум екi электродты кеңiстiктерге – анодты, катодты етiп бөледi. Анодты кеңiстiкке құйылатын ерiтiндiнi анолит, ал катодты кеңiстiкке құйылатын ерiтiндiнi католит деп атайды. Диафрагмалар орнатылған және фильтрлейтiн болып бөлiнедi. Орнатылған диафрагмаларда диффузиондық кедергiлер болу керек және олар электролит иондары үшiн ғана селективтi өткiштi болу керек, сонымен бiрге олар электролиз өнiмдерiн тежемеуi қажет. Фильтрлейтiн диафрагмалардың диффузиондық кедергiсi төмен болғандықтан, оларды электролиздi керi бағытта- электролит бiр электродты кеңiстiктен келесiге диафрагма арқылы иондар қозғалысы бағытына қарама қарсы көшкен кезде қолданылады. Диафагмалар көлемдi көпiршiктенуiмен, өткiзгiштiгiмен, электр кедергiсiмен сипатталады. Диафрагманың көлемдi көпiршiктенуi көпiршiктер көлемiнiң мөлшерiнiң жалпы диафрагма көлемiне қатынасымен сипатталады, мына теңдiкпен анықталады:
үндағы dкаж- диафрагманың тұжырымды тығыздығы, dист- шын тығыздығы. Диафрагманың өтiмдiлiгi – р диафпагманың ауданына, бетiне, қалыңдығына, гидростатикалық қысымына һ және өту уақытына тәуелдi болады.
δη
ұндағы k- өтiмдiлiк коэффициентi, диафрагманың берiлген типiне сипатты мөлшерi. Диафрагманың электрлiк кедергiсi R келесi қатынастан анытай аламыз:
ρδβ\gS
үндағы δ көпiршiктердiң бұралаңдануының коэффициентi, көпiршiктiң ұзындығы диафрагма ұзындығынан неше есе кем екенiн көрсетедi.
ғдайында мықты химикалық тұрақтылыққа және механикалық берiктiлiкке ие болу керек. Диаграма жасалатын зат болып асбест, керамика, пластмаса болып келедi. Кейбiр жағдайларда, мысалы, балқымалардың электролизiкезiнде металдық диафрагмалар қолданылады.
ңғы жылдары электролиз процессiнен тек бiр зарядтың ионы (катион немесе анион) үшiн енетiн иониттi диафрагмалардың таралуын алады. Электролиз өнiмдерiнiң өзара әсерлесуiне ғана кедергi етпей, электродтарда өнiмдердiң тотығу тотықсыздануын болдырмайды. Осындай жағдайларда не орнатылған, не иониттi диафрагмаларды қолданылады.
құбылысы.
ға салатын болсақ, оның катиондары сұйықтыққа өте бастайды. Катион бетiнде электр зарядының болуына байланысты метал бетiнде өлшемi бойынша тең, таңбасы бойынша қарама қарсы болатын заряд артық электрондар түрiнде жүредi, яғни металл бетi терiс зарядталған болады. Ол өзiне металдың ерiтiндiге өткен оң зарядты иондарын бiртiндеп тарта бастайды, сол арқылы ктиондар ерiтiндi көлемiне еркiн өте алмайды. Сондықтан, металл мен ерiтiндi шекарасында терiс жағы металл бетi, ал оң жағы ерiген иондардың жанасу қабаты болып келетiн жазық конденсатор тәрiздi жұп электрлiк қабат түзiледi. Иондардың аз мөлшерi ерiгеннен кейiннен ақ жұп қабаттың заряды соншалықты өседi, металдың балқуы тоқталады.
ға емес, өзiнiң иондарының ерiтiндiсне салынған болса, (мвсалы, Zn тi ZnSO4 ке салғанда), онда бұл процесс бiршама өзгеше болады. Егер ерiтiндi концентрациясы аз болса, онда жұп электрлiк қабаттың түзiлуi металдың судағы ерiтiндiсiндегiдей өтедi.
ғары болса, онда алдымен металл бетiндегi оң зарядталған катиондардың тұнбаға түсуi байқалады. Ендi металл бетi өзiне терiс иондарды тарта бастайды және жұп электрлiк қабат түзiледi.
ң бiр таңбалы заттарының және оның иондарының ары қарай тұнбаға түсуi тоқталатынға дейiн катиондар тұнбаға түседi.
ңбалы зарядталған денелер болғанда олардың арасында потенциалдар айырмасының болатыны белгiлi. Бұндай потенциалдар айырмасы мұнда да, жұп электрлi қабатта, металл-ерiтiндi шекарасында байқалады. Иондардың металдан ерiтiндiге және қайта өтуi олардың арасында потенциалдар айырмасын тудырады. Металл-ерiтндi жұбын электрод деп айту қабылданған. Бұл жағдайда потенциал электродты деп аталады.
әуелдi болады? Оны өлшеуге бола ма және қалай? Осы сұраққа жауап бере отырып, электрохимиктер бiзге Нернст теңдеуiн бередi:
φ=φο+RT\nF•lg[Men+]
ұндағыφ- электродтыпотенциал; [Men+]- металлиондарыныңконцентрациясы, моль\л; Т- абсолюттемпература; n- металлиондарыныңваленттiлiгi; φο- стандарттыэлектродтыпотенциал; F- Фарадейсаны (F=96500 Кл).
ңдеудегi ең маңызды өлшем- стандартты электродты потенциал φο. Оның физикалық мәнi анық болады, [Men+]=1 моль\л.
ңдеудiң екiншi мүшесi нөлге тең болады. Яғни, стандартты электродты потенциал дегенiмiз, соңғы 1моль\л концентрациясы үшiн металл мен ерiтiндi иондарының шекарасында өтетiн потенциалды айтады. Бұл электродтың ең негiзгi сипаты болып табылады. Нернсттiң теңдеуi әрбiр электродтың электродты потенциалы әр түрлi өзгерiстерге ұшырай алады. Оны ерiтiндi концентрациясына тәуелдi болатын теңдеудiң екiншi мұшесi растайды. Ендi мынадай сұрақ туындайды, электродты потенциалды қалай өлшеуге болады? Егер екi электродты қосатын болсақ гальваникалық элемент пайда болатыны бiзге мәлiм. Бұл элементтiң кернеуi оның екi құрамдас электродының потенциалдар айырмасына тең болады. Егер бiзге бiр электродтың электродты потенциалы белгiлi болса, бiз екiншiсiнiң электродты потенциалын анықтай аламыз. Қиыншылықтың барлығы мынада жатыр: бiр электродты потенциалдың мәнiн бiлу қажет. Сутектi стандартты электродтың потенциалы нөлге теi деп қабылданған. Сутектi электрод платинадан жасалған және күкiрт қышқылы ерiтiндiсiне батырылған (концентрация Н +--1 моль\л). Электрон бетi кедiр бұдырлы, әрi үлкен. Газ тәрiздi сутегiнiң ағымы электродқа бiрқалыпты жабысады. Сутегi платиналық электродтың бетiмен жанасады, бiртiндеп жиналады, Н2 бiр бөлiгi сутегу атомдарына ыдырайды. Платинада түзiлген сутегi атомдары мен ерiтiндiдегi сутегу иондары арасында тепе теңдiк орнайды. Металл-ерiтiндi шекарасында электрохимиктер нөл деп алатын потенциалдар айырмасы пайда болады. Әрине, шынында бұл потенциал нөлге тең емес, бiрақ оның мәнi бiзге беймәлiм. Сондықтан сутектiк стандартты электродтың көмегiмен электродты потенциалды анықтау сипаты қатынасты болып келедi; бiз оны сутектiк стандартты потенциалдың шартты алынған нөл мәнi етiп анықтаймыз.
өрiмiнiң қатысуымен байланысты, оның әсерiнен электролитте оған тән процессте жүруi мүмкiн. Электро кинетикалық процесстер бiр фаза басқасымен диспергирленгенде жүредi; олардың қатарына электрофорез- сұйық iшiнде өлшенген қатты бөлшектердiң қозғалысы. Электр өрiсiнiң iшiнде электроосмос құбылысы байқалады- қатты денеге қатысты сұйықтың қозғалысы. Электролиз аппараты электролизер немесе электролиттiк ванна деп аталады. Электролизердiң қарапайым сұлбасы 1 суретте көрсетiлген. Электролизердiң корпусын керамика, пластмасса, шыныдан немесе болаттан жасайды. Коррозия немесе жоғары температуралардан қорғалу үшiн электролизер корпусын кейде гумреирлейдi, пластмассамен, коррозияға тұрақты металдармен қаптайды. Белглi жылулық режимдi қалыпта ұстау үшiн кейбiр жағдайларда теплоизоляциямен қамтамасыз етедi. Катодтарды дайындау үшiн болат, түрлi түстi металдар, сынап, қорғасын, цинк, қалайы, қола, алюминий, металдардың балқымалары, көмiр немесе графит қолданылады. Анодтар еритiн және ерiмейтiн болады. Еритiн анодтарды жоғары айтылып өткен түстi металдардан, көмiртектi болаттан, кейбiр басқа балқымалардан, ал ерңмейтiн анодтар болаттан, графит немесе көмiрден, никельден, тотталмайтын болаттан жасайды, кейбiр жағдайларда жұқа қабаты бағалы металдан жасалған биометалды анодтарды қолданады, ол мысалы қорғасынның ток өткiзгiштiк негiзiне берiлген жағдайда берiлген электролитте инерттi болатын басқа металл үстiне жабылады. Электродтың материалы көптеген факторларды ескере отырылып таңдалады- электролиздiң бастапқы және нәтижелi өнiмнiң табиғатына, процесс жүргiзу жағдайларына, т. б. байланысты.
қ қышқылдар, тұздар және олардың қосылыстары электролиттер бола алады. Кейбiр жағдайларда электролит электрохимиялық тотығу тотықсыздану өнiмi ретiнде
қатар шығынды зат болып келедi, басқа жағдайларда, ток өткiзгiш қосымша зат болып келедi. Электролитер үшiн ерiткiштер болып сулар, спирттер, пиридин, диметилформальдегид, ацетонитрил және басқа да органикалық қосылыстар немесе олардың қоспалары бола алады. Электролиздi ерiткiшсiз де өткiзуге болады, электролит балқымаларында немесе электролит қоспаларында.
ғы техникалық электролиз.
ң техникалық электролизi металдардың бөлiнуiнсiз немесе олардың катодта бөлiнуiмен жүре алады. Электрохимиялық процесстердiң арасында сулы ерiтiндiлердiң металл бөлiнуiнсiз ыдырауы натрий хлоридiнiң сулы ерiтiндiсi мысалында көрсетемiз.
ң электролизi. Хлорид натрий сулы ерiтiндiсiнiң электролизi кезiнде хлор, сутегi, каустикалық соданы аламыз.
қ қысым және қалыпты температура кезiнде сары-жасыл түстi нашар иiстi газ. Атмосфералық қысымда қайнау температурасы -33,60C, қату температурасы -1020C. Хлор суда, органикалық ерiткiштерде еридi және өте жоғары химиялық активтi болып келедi.
ң алдымен химиялық өндiрiсте әртүрлi органикалық хлорөндiрушiлердi: пластикалық массаларды, синтетикалық каучукты, химиялық талшықтарды, ерiткiштердi, инсектицидтердi,т. б. алу үшiн қолданылады. Қазiргi кезде дүниежүзiлiк хлор өндiрiсiнiң 60%-i органикалық синтез үшiн қолданылады. Соған қарамастан хлор тұзды қышқылды, хлор әктасын, хлораттарды және т. б. өндiру үшiн қолданылады. Хлордың көптеген мөлшерлерi металлургияға полиметалдық рудаларды өңдегенде, рудалардан алтынды бөлiп алу үшiн, мұнай өндiру саласында хлорлирлеу үшiн қолданылады, солай да медицина мен санитарияда, суларды зарасыздандыру үшiн, пиротехникада және т. б. көптеген халық шаруашылық салаларында қолданылады. Хлорды пайдалану салаларының кеңкйтiлуi нәтижесiнде, органикалық синтезде атқарылған еңбектер арқасында, дүниежүзiлiк хлор өндiрiсi жылына 20 млн тонн құрайды.
қ сода немесе улы натрий- мөлдiр емес кристалды зат, суда жақсы еридi, атмосфера қысымында балқу температурасы 3280C болады. өндiрiсте қатты улы натр және оның сулы ерiтiндiлерi өндiрiледi. Улы натр өндiрiстiң көптеген салаларында кең қолданылады-целлюлоз-қағазды, химиялық талшықтар, мұнайөндiрушi, органикалық синтез, лак сырлы тағы көптеген қатар салаларда қолданылады.
қысымындағы қайнау температурасы -252,80C. Сутегiнi көптеген маңызды органикалық және бейорганикалық өнiмдердi синтездеу кезiнде қолданылады: аммиак, метанол және басқа спирттер, майлардың, қатты және сұйық отынның гидрогенизациясы, мұнай өнiмдерiн тазарту кезiнде қолданылады.
өндiрiсiнiң шикiзаты ретiнде, ең алдымен қатты тұздың ерiтiндiсiнен алынатын ас тұзының ерiтiндiлерi, немесе табиғи тұздар бола алады. Ас тұзының ерiтiндiлерi олардың алыну жолына қарамастан, кальций және магний қоспаларынан тұрады, электролиз цехтарында бұл тұздардан тазартуға ұшырайды. Бұл тазарту не үшiн қажет? Электролиз процессiнде нашар еритiн кальций мен магний гидроксидтерi түзiлуi мүмкiн, кейiн олар электролиздiң қалыпты жүрiсiн бұзады. Химикалық тазартудан басқа, ерiтiндiлерфильтрацияның механикалық қоспаларынан ажыратылады. Ас тұзы ерiтiндiсiнiң электролизi қатты темiр немесе болат катодпен ванналарда және ванналарда сұйық сынапты катод пен диафрагмалармен жүргiзiледi. Қазiргi үлкен хлорлы цехтардағы жабдықтар қолданылатын өндiрiстiк электролизерлер жоғары өнiмдiлiктi, қарапайым конструкциялы, компакттi болып, сенiмдi жұмыс iстеу керек.
ң болатты катод және графиттi анодпен ваннадағы электролизi улы натр, хлор, сутектi бiр электролизерде алуға мүмкiншiлiк бередi. Натрий хлоридiнiң сулы ерiтiндiсi арқылы тұрақты токтың өтуi кезiнде хлордың және оттегiнiң бөлiнуiн күтуге болады:
→1\2I2+H2O (а)
→Cl2
ң қалыпты электродты потенциалы +0,41 B құрайды, ал хлор иондарының разрядының қалыпты қалыпты электродты потенциалы +1,36 B құрайды. Натрий хлоридiнiң қаныққан бейтарап ерiтiндiсiнде гидроксильдi иондардың крнцентрациясы 1•10-7г- экв\л. 250C температурада гидроксильдi иондардың тепе теңдiк потенциалы jар=0. 82 B болады. хлор иондарының разрядталуының тепе теңдiк потенциалы NaCl концентрациясының ерiтiндiдегi 4,6г-экв\л jар=1,32 B болады.
әйкесiнше, анодта кiшкене кернеумен ең алдымен оттегi разрядталуы керек. Алайда, графиттi анодтарда оттегiнiң кернеунiң асырылуы хлор кернеуiнен жоғары, сондықтан оларда негiзiнен (а) реакциясы бойынша газ тәрiздi хлор бөлiнуiмен қатар Cl иондарының разрядталуы жүредi. Ерiтiндiдегi NaCl концентрациясын арттыру нәтижесiнде хлор бөлiнуi жеңiлденедi, осының нәтижесiнде тепе теңдiк потенциалы кемидi. Бұл электролиз кезiнде концентрленген натрий хлоридiнiң ерiтiндiсiн қолданудың себептерiнiң бiрi болып келедi. Сiлтiлi ерiтiндiде катодта су молекулаларының разрядталуы мына теңдеу бойынша жүредi:
→H+OH-
қ сутегi түрiнде түзiледi:
→H2
ң сулы ерiтiндiде қатты катодта разрядталуы мүмкiн емес, өйткенi олар разрядтарының потенциалының сутегiмен салыстырғандағы жоғары болуына байланысты. Сондықтан ерiтiндiде қалған гидроксильдi иондары натрий иондарымен сiлтi ерiтiндiсiн түзедi. NaCl ыдырау процессiн келесi реакциялар арқылы көрсетуге болады.
2Cl—2e-→ Cl2
→H2
ңдеулердi қоссақ,
ғни анодта хлор, катодта сутегi мен улы натр түзiледi.
қатар электролиз кезiнде қажет емес процесстер де жүредi. Осыған қарамастан, анода бөлiнетiн хлор электролитте еридi және мына реакция бойынша анықталады.
↔HOCl+HCl
ң анодқа диффузиясы жағдайында немесе аноды және катодты өнiмдердiң араластырылуы кезiнде хлорлы және тұзды қышқылдар Натрий хлоридi мен гипохлорит түзiлуiмен қатар сiлтiмен нейтралданады.
қсызданады. Сондықтан, натрий, хлорат, хлорид, гипохлорит түзiледi. Сiлтiлi ортада анодта оттегiнiң түзiлуi еркiн болады,сонымен ол электролиздiң көрсеткiшiн нашарлатады. Қажет емес реакциялардың өтуiн азайту үшiн катодты және анодты өнiмдердiң араласуына кедергi жасайтын жағдайлар құру керек. Оларға анодты және катодты кеңiстiктердi диафрагмалармен бөлуi, электролиттiң диафрагма арқылы фильтрациясы. Бұл диафрагмаларды фильтрлiк деп атайды және олар асбесттен жасалады.
өндiрiсте электролиздiң қолданылуы.
қтың барлық салаларында және өндiрiсте электролиз барлық жақты қолданылады.
ң тұстi металлургияда қолданылуы: металдардың рафинирлеуi, рудалардан металды бөлiп алу үшiн. Балқыланған орталардан электролиз арқылы алынған металдар қатарына аллюминий, магний, цирконий, титан, уран, берилий және басқа металдардың қатары.
өлiнiп ала алмайтын металдарды жоғары терiс потенциал нәтижесiнде түстi металлургияда балқыған орталадың электролизi нәтижесiнде алады. Бұл балқыған орталар болып әртүрлi қоспалардың қосындысынан тұратын тұздар болады. Олар балқыманың балқу температурасын төмендету, электрөткiзгiштiктi мақсатында жоғарылату үшiн қолданылады. Химиялық өндiрiсте электролиз арқылы хлорат және перхлорат, персульфат, калий перманганаты, хлор және сiлтiлер, органикалық қосылыстар, химиялық таза сутегi, оттегi фтор және басқа да маңызды өнiмдердi алуға болады.
қндiрiс салаларында электролиздi металдар немесе бұйымдар бетiне жұқа жабылғы салу үшiн қолданады, оның себебi бұл пленка коррозиядан сақтайды және декоротивтi түрге келтiредi, ыстыққа төзiмдi болады. өндiрiстiк ванналардың классификация негiзiне әт. рлi белгiлер жатқызылуы мүмкiн. Мысалы, ванналардың полярлығы бойынша түрлерi полярлы, биополярлы және комбинирленген болады.
ң типтерi: шығынды (химиялық реакцияға кiрiсетiн), қатты еритiн, сұйық еритiн, көпiршiктi қатты ерiмейтiн және ерiмейтiн.
үшiн ең жақсы материал болып, тантал мен титан қоспалары, графит, манетит.
ң алуан түрлiгiне қарамастан, техникалық электролиздiң көптеген проблемалары болады. Оған зарядтардың, жылудың, массаның алмастырылуын, электр өрiстерiнiң орналасуын жатқызуға болады. Электродтық процесстер шектi токтарының өлшенуiмен қадағалана алады.
ң мақсаттарына қарай, катод және анодтардың түрлi типтерiн қолданады: горизонтальдi сұйық сынапты катодпен, верикальды катодпен және фильтрлейтiн диафрагмамен, горизонтальды диафрагмамен өткiзгiштi электролитпен, қозғалыстағы электродтармен және т. б.
үшiн келесi электролит типтерi қолдана алады: тұздар, қышқыл, негiздердiң сулы ерiтiндiлерi; бейорганикалық ерiткiштердегi сулы емес ерiтiндiлерi, органикалық ерiткiштердегi сусыз ерiтiндiлер; балқыған тұздар, қатты электролиттер.
Қорытынды.
ған жұмыстың негiзiнде қорытындылар мынада жатыр:
ң зерттеу облыстарында әзiрге дейiн өзiнiң актуалдығын жоғалтқан жоқ, осған орай бұл күрделi физико химиялық құбылыстың теориялық базасы үнемi толтырылып жатады.
ұл зерттеулер бұл процесстердi қолданудың перспективалы бағдарларын анықтауға мүмкiндiк бередi. Ол экономикалық тиiмдi және берiлген сапаның алуымен мақсатымен.
қта кең қолданылады. Электролиздiң ең маңызды қасиетi металдарды тазарту және бөлiп алу, сiлтiлер, хлор, сутегiнiң алынуы болып табылады.
ң балқымаларының ерекшелiгi химиялық тотығу тотықсыздану реакциямен бәсекелес жүретiн электродтарды өту қабiлетi болып табылады. Электролиз өнiмдерi мен электрод материалдарына әсерiн тигiзедi.
Қола, никель, қорғасынның тазартылуын толығымен электрохимиялық әдiспен ғана алады. Фтор өндiрiсi калий фторид қоспасының балқыған электролизiнде және фторсутектi қышқылда электролизi негiзiнде, ал хлор, хлоридтер балқымасы немесе сулы ерiтiндiлер электролизi кезiнде алынады.
қымалардың электролизi арқылы алынады. өйткенi олардың сулы ерiтiндiден бөлiну потенциалы сутектiкiне қарағанда терiс болады. Жоғары дәрежелi таза оттегi мен сутегiн сiлтiлердiң сулы ерiтiндiлерi электролизi арқылы алады. Сол арқылы электролиз көмегiмен тотығу тотықсыздану реакцияларының үлкен өнiмдiлiгiмен жоғары селективтi жүргiзуге болады, олар қарапайым химиялық процестерде күрделi жолмен алынады. Электролиз қолданудың маңызды саласы болып металдарды коррозиядан сақтау болып келедi: осындай электрохимиялық әдiспен бiр металл бұйымының бетiне коррозияға төзiмдi басқа металл қабаты жабылады. Сулы электролит ерiтiндiлерi электролизi кезiнде анодтағы және катодтағы тотығу тотықсыздану процесстерi катиондардың тотығу қабiлетi мен электролит анионының сипатына тәуелдi болады.
ғы және анодтағы тотығу тотықсыздану процесстерi электролиттiк процестерге бөлшектердiң электродты потенциал мәнiмен анықталады.
| 
