השאלה מהי אלקטרוליזה נשקלת בקורס הפיזיקה של בית הספר, ועבור רוב האנשים זה לא סוד. דבר נוסף הוא החשיבות והיישום המעשי שלו. תהליך זה משמש בתועלת רבה בתעשיות שונות ויכול להיות שימושי עבור האומן הביתי.
תוֹכֶן
מהי אלקטרוליזה?
אלקטרוליזה היא קומפלקס של תהליכים ספציפיים במערכת האלקטרודות והאלקטרוליטים כאשר זורם דרכה זרם חשמלי ישיר. המנגנון שלו מבוסס על התרחשות של זרם יוני. האלקטרוליט הוא מוליך מסוג 2 (מוליכות יונית) שבו מתרחשת ניתוק אלקטרוליטי. זה קשור לפירוק ליונים עם חיובי (קטיון) ושלילי (אניון) לחייב.
מערכת האלקטרוליזה מכילה בהכרח חיובי (אָנוֹדָה) ושלילי (קָטוֹדָה) אלקטרודה. כאשר מופעל זרם חשמלי ישר, קטיונים מתחילים לנוע לכיוון הקתודה, ואניונים - לכיוון האנודה. הקטיונים הם בעיקר יוני מתכת ומימן, והאניונים הם חמצן, כלור. בקתודה, קטיונים מצמידים לעצמם עודפי אלקטרונים, מה שמבטיח את התרחשות תגובת ההפחתה Men+ + ne → Me (כאשר n הוא ערכיות המתכת). באנודה, להיפך, אלקטרון נתרם מהאניון עם תגובה חמצונית.
לפיכך, מסופק תהליך חיזור במערכת. חשוב לקחת בחשבון שלזרימתו יש צורך באנרגיה מתאימה. זה חייב להיות מסופק על ידי מקור זרם חיצוני.
חוקי האלקטרוליזה של פאראדיי
הפיזיקאי הגדול מ' פאראדיי, עם מחקרו, איפשר לא רק להבין את מהות האלקטרוליזה, אלא גם לבצע את החישובים הדרושים ליישום שלה. בשנת 1832 הופיעו חוקיו, המקשרים בין הפרמטרים העיקריים של התהליכים המתמשכים.
חוק ראשון
החוק הראשון של פאראדיי קובע שמסת החומר המופחת באנודה עומדת ביחס ישר למטען החשמלי המושרה באלקטרוליט: m = kq = k*I*t, כאשר q הוא המטען, k הוא המקדם או המקבילה האלקטרוכימית. של החומר, I הוא עוצמת הזרם הזורם דרך האלקטרוליט, t הוא זמן המעבר הנוכחי.
חוק שני
החוק השני של פאראדיי אפשר לקבוע את מקדם המידתיות k. זה נשמע כך: המקבילה האלקטרוכימית של כל חומר עומדת ביחס ישר למסה המולרית שלו וביחס הפוך לערך. החוק מתבטא כך:
k = 1/F*A/z, כאשר F הוא קבוע פאראדיי, A היא המסה המולרית של החומר, z היא הערכיות הכימית שלו.
בהתחשב בשני החוקים, ניתן לגזור את הנוסחה הסופית לחישוב המסה המופקדת על האלקטרודה של החומר: m = A*I*t/(n*F), כאשר n הוא מספר האלקטרונים המעורבים באלקטרוליזה. בדרך כלל n מתאים למטען של היון. מבחינה מעשית חשוב לקשר בין מסת החומר לזרם המופעל, מה שמאפשר לשלוט בתהליך על ידי שינוי חוזקו.
אלקטרוליזה ממיסה
אחת האפשרויות לאלקטרוליזה היא השימוש בממס כאלקטרוליט. במקרה זה, רק יונים נמסים משתתפים בתהליך האלקטרוליזה. דוגמה קלאסית היא אלקטרוליזה של מלח מותך NaCl (מלח). יונים שליליים ממהרים לאנודה, מה שאומר שגז משתחרר (Cl). הפחתת מתכת תתרחש בקתודה, כלומר. שקיעה של Na טהור שנוצרה מיונים חיוביים שמשכו עודף אלקטרונים. ניתן להשיג מתכות אחרות באופן דומה (K, Ca, Li וכו'.) מטבח המלחים המקבילים.
במהלך אלקטרוליזה בהמסה, האלקטרודות אינן עוברות פירוק, אלא משתתפות רק כמקור זרם. בייצור שלהם, אתה יכול להשתמש במתכת, גרפיט, כמה מוליכים למחצה. חשוב שלחומר תהיה מוליכות מספקת. אחד החומרים הנפוצים ביותר הוא נחושת.
תכונות של אלקטרוליזה בתמיסות
אלקטרוליזה בתמיסה מימית שונה באופן משמעותי מהמסה. מתרחשים כאן שלושה תהליכים מתחרים: חמצון מים עם התפתחות חמצן, חמצון אניונים ופירוק אנודי של המתכת. יונים של מים, אלקטרוליט ואנודה מעורבים בתהליך.בהתאם לכך, הפחתה של מימן, קטיונים אלקטרוליטים ומתכת האנודה יכולה להתרחש בקתודה.
האפשרות שתהליכים מתחרים אלה יתרחשו תלויה בגודל הפוטנציאלים החשמליים של המערכת. רק התהליך שדורש פחות אנרגיה חיצונית ימשיך. כתוצאה מכך, קטיונים בעלי פוטנציאל האלקטרודה המקסימלי יצטמצמו בקתודה, ואניונים בעלי הפוטנציאל הנמוך ביותר יתחמצנו באנודה. פוטנציאל האלקטרודה של מימן נלקח כ-"0". לדוגמה, עבור אשלגן זה (-2.93V), נתרן - (-2.71V), להוביל (-0.13V), בעוד לכסף יש (+0.8 וולט).
אלקטרוליזה בגזים
גז יכול לשחק את התפקיד של אלקטרוליט רק בנוכחות מיינן. במקרה זה, הזרם העובר דרך המדיום המיונן גורם לתהליך הדרוש על האלקטרודות. עם זאת, חוקי פאראדיי אינם חלים על אלקטרוליזה של גז. לצורך יישומו, נחוצים התנאים הבאים:
- ללא יינון מלאכותי של הגז, לא מתח גבוה ולא זרם גבוה יעזרו.
- רק חומצות שאינן מכילות חמצן ונמצאות במצב גזי, וחלק מהגזים מתאימים לאלקטרוליזה.
חָשׁוּב! כאשר מתקיימים התנאים הדרושים, התהליך ממשיך בדומה לאלקטרוליזה באלקטרוליט נוזלי.
תכונות של התהליכים המתרחשים בקתודה ובאנודה
ליישום מעשי של אלקטרוליזה, חשוב להבין מה קורה בשתי האלקטרודות כאשר מופעל זרם חשמלי. תהליכים אופייניים הם:
- קָטוֹדָה. יונים טעונים חיובית ממהרים אליו. כאן מתרחשת הפחתת המתכות או התפתחות המימן. ישנן מספר קטגוריות של מתכות בהתאם לפעילות הקטיונית.מתכות כגון Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al מופחתות היטב רק ממלחים מותכים. אם משתמשים בתמיסה, אז מימן משתחרר עקב אלקטרוליזה של מים. אפשר להשיג הפחתה בתמיסה, אך עם ריכוז מספיק של קטיונים, עבור המתכות הבאות - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. התהליך ממשיך בקלות רבה ביותר עבור Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- אָנוֹדָה. יונים טעונים שליליים נכנסים לאלקטרודה זו. מחומצנים, הם לוקחים אלקטרונים מהמתכת, מה שמוביל לפירוק האנודי שלהם, כלומר. מעבר ליונים טעונים חיובית, הנשלחים אל הקתודה. אניונים מסווגים גם לפי פעילותם. אניונים כאלה PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F ניתנים לשחרור רק מהמסים. בתמיסות מימיות, לא הם עוברים אלקטרוליזה, אלא מים עם שחרור חמצן. אניונים כגון OH, Cl, I, S, Br מגיבים בצורה הכי קלה.
כאשר מקפידים על אלקטרוליזה, חשוב לקחת בחשבון את הנטייה של חומר האלקטרודה להתחמצן. בהקשר זה, אנודות אינרטיות ופעילות בולטות. אלקטרודות אינרטיות עשויות גרפיט, פחמן או פלטינה ואינן משתתפות באספקת היונים.
גורמים המשפיעים על תהליך האלקטרוליזה
תהליך האלקטרוליזה תלוי בגורמים הבאים:
- הרכב אלקטרוליטים. לזיהומים שונים יש השפעה משמעותית. הם מחולקים ל-3 סוגים - קטיונים, אניונים ואורגניים. חומרים יכולים להיות פחות או יותר שליליים מהמתכת הבסיסית, מה שמפריע לתהליך. בין זיהומים אורגניים בולטים מזהמים (למשל שמנים) וחומרי שטח. לריכוז שלהם יש ערכים מרביים המותרים.
- צפיפות נוכחית. בהתאם לחוקי פאראדיי, מסת החומר המופקד גדלה עם הגדלת חוזק הזרם. עם זאת, נוצרות נסיבות שליליות - קיטוב מרוכז, מתח מוגבר, חימום אינטנסיבי של האלקטרוליט. עם זאת בחשבון, ישנם ערכי צפיפות זרם אופטימליים עבור כל מקרה ספציפי.
- pH של אלקטרוליט. החומציות של הסביבה נבחרת גם תוך התחשבות במתכות. לדוגמה, הערך האופטימלי של חומציות אלקטרוליט עבור אבץ הוא 140 גרם/מ"ק דמ"ר.
- טמפרטורת אלקטרוליט. יש לזה השפעה לא ברורה. עם עלייה בטמפרטורה, קצב האלקטרוליזה עולה, אך גם פעילות הזיהומים עולה. יש טמפרטורה אופטימלית לכל תהליך. בדרך כלל זה בטווח של 38-45 מעלות.
חָשׁוּב! ניתן להאיץ או להאט את האלקטרוליזה על ידי השפעות שונות ובחירת הרכב האלקטרוליטים. לכל יישום יש משטר משלו, שיש להקפיד עליו.
היכן משתמשים באלקטרוליזה?
שימוש באלקטרוליזה בתחומים רבים. ישנם מספר תחומי שימוש עיקריים להשגת תוצאות מעשיות.
ציפוי אלקטרו
ניתן ליישם ציפוי מתכת דק ועמיד על ידי אלקטרוליזה. המוצר המיועד לציפוי מותקן באמבטיה בצורה של קתודה, והאלקטרוליט מכיל מלח של המתכת הרצויה. אז אתה יכול לכסות את הפלדה באבץ, כרום או פח.
זיקוק אלקטרו - זיקוק נחושת
דוגמה לניקוי חשמלי יכולה להיות האפשרות הבאה: קָטוֹדָה - נחושת טהורה אָנוֹדָה - נחושת עם זיהומים, אלקטרוליט - תמיסה מימית של נחושת גופרתית. נחושת מהאנודה עוברת ליונים ומתיישבת בקתודה כבר ללא זיהומים.
כריית מתכות
כדי להשיג מתכות ממלחים, הן מועברות להמסה, ולאחר מכן ניתנת בה אלקטרוליזה. שיטה כזו יעילה למדי להשגת אלומיניום מבוקסיטים, נתרן ואשלגן.
אנודיזציה
בתהליך זה, הציפוי עשוי מתרכובות לא מתכתיות. דוגמה קלאסית היא אילגון אלומיניום. חלק האלומיניום מותקן כאנודה. האלקטרוליט הוא תמיסה של חומצה גופרתית. כתוצאה מאלקטרוליזה מונחת על האנודה שכבה של תחמוצת אלומיניום, בעלת תכונות הגנה ודקורטיביות. טכנולוגיות אלו נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות שונות. אתה יכול לבצע את התהליכים במו ידיך בהתאם לתקנות הבטיחות.
עלויות אנרגיה
אלקטרוליזה דורשת עלויות אנרגיה גבוהות. התהליך יהיה בעל ערך מעשי אם זרם האנודה מספיק, ולשם כך יש צורך להפעיל זרם ישר משמעותי ממקור הכוח. בנוסף, כאשר הוא מתבצע, מתרחשים הפסדי מתח צדדיים - מתח יתר של האנודה והקתודה, הפסדים באלקטרוליט עקב התנגדותו. יעילות המתקן נקבעת על ידי התייחסות כוח צריכת האנרגיה ליחידת מסה שימושית של החומר המתקבל.
שימוש באלקטרוליזה בתעשייה זה זמן רב וביעילות גבוהה. ציפויים מצופים אנודייז ומצופה אלקטרוניקה הפכו לדבר שבשגרה בחיי היומיום, וכרייה והטבה של חומרים עוזרים להפיק מתכות רבות מעפרות. ניתן לתכנן ולחשב את התהליך, לדעת את הדפוסים העיקריים שלו.
מאמרים דומים:
