Elektrolisis — prinsip aksi, tujuan dan aplikasi

Proses elektrolisis

Elektrolisis tersebar luas dalam metalurgi non-ferrous dan di sejumlah industri kimia. Logam seperti aluminium, seng, magnesium diperoleh terutama dengan elektrolisis. Selain itu, elektrolisis digunakan untuk memurnikan (memurnikan) tembaga, nikel, timbal, serta menghasilkan hidrogen, oksigen, klorin, dan sejumlah bahan kimia lainnya.

Inti dari elektrolisis adalah pemisahan partikel zat dari elektrolit ketika arus searah melewati bak elektrolitik dan pengendapan pada elektroda yang direndam dalam bak (elektroekstraksi) atau ketika zat ditransfer dari satu elektroda melalui elektrolit ke yang lain ( pemurnian elektrolitik). Dalam kedua kasus tersebut, tujuan dari proses tersebut adalah untuk mendapatkan zat yang paling murni yang tidak terkontaminasi oleh kotoran.

Sebaliknya konduktivitas elektronik logam dalam elektrolit (larutan garam, asam dan basa dalam air dan dalam beberapa pelarut lain, serta dalam senyawa cair), konduktivitas ionik diamati.

Elektrolit adalah konduktor kelas dua.Dalam larutan dan lelehan ini, terjadi disosiasi elektrolitik — disintegrasi ion bermuatan positif dan negatif.

Jika elektroda yang terhubung ke sumber energi listrik ditempatkan di bejana dengan elektrolit - elektroliser, maka arus ionik akan mulai mengalir di dalamnya, dan ion bermuatan positif - kation akan pindah ke katoda (ini terutama logam dan hidrogen ), dan ion bermuatan negatif - anion (klorin, oksigen) - ke anoda.

Di anoda, anion melepaskan muatannya dan menjadi partikel netral yang mengendap di elektroda. Di katoda, kation mengambil elektron dari elektroda dan juga dinetralkan, mengendap di atasnya, dan gas yang dilepaskan pada elektroda dalam bentuk gelembung naik.

Beras. 1. Proses selama elektrolisis. Sirkuit mandi listrik: 1 - mandi, 2 - elektrolit, 3 - anoda, 4 - katoda, 5 - catu daya

Arus listrik pada rangkaian eksternal adalah pergerakan elektron dari anoda ke katoda (Gbr. 1). Dalam hal ini, larutan habis, dan untuk menjaga kelangsungan proses elektrolisis, harus diperkaya. Ini adalah bagaimana zat tertentu diekstraksi dari elektrolit (electroextraction).

Jika anoda dapat larut dalam elektrolit, karena yang terakhir habis, maka partikelnya, yang larut dalam elektrolit, memperoleh muatan positif dan diarahkan ke katoda, tempat mereka disimpan, sehingga memindahkan material dari anoda ke katoda. . Karena proses tersebut dilakukan agar pengotor yang terkandung dalam logam anoda tidak dipindahkan ke katoda, proses ini disebut pemurnian elektrolitik.

Jika elektroda ditempatkan dalam larutan dengan ion dari zat yang sama dari mana ia dibuat, maka pada potensial tertentu antara elektroda dan larutan, tidak ada elektroda yang larut atau zat yang disimpan di atasnya dari larutan.

Potensial ini disebut potensial normal zat. Jika potensial yang lebih negatif diterapkan pada elektroda, maka pelepasan suatu zat (proses katodik) akan dimulai di atasnya, tetapi jika lebih positif, maka pembubarannya akan dimulai (proses anodik).

Nilai potensial normal bergantung pada konsentrasi ion dan suhu. Secara umum dianggap bahwa potensi normal hidrogen adalah nol. Tabel 1 menunjukkan potensial elektroda normal dari beberapa larutan zat berair pada +25 °C.

Tabel 1. Potensi elektroda normal pada + 25 ° C

Jika elektrolit mengandung ion logam yang berbeda, maka ion dengan potensial normal negatif yang lebih rendah (tembaga, perak, timbal, nikel) dipisahkan terlebih dahulu di katoda; logam alkali tanah adalah yang paling sulit diisolasi. Selain itu, selalu ada ion hidrogen dalam larutan berair, yang akan dilepaskan lebih awal dari semua logam dengan potensial normal negatif, oleh karena itu, selama elektrolisis yang terakhir, energi yang signifikan atau bahkan sebagian besar dihabiskan untuk pelepasan hidrogen. .

Dengan bantuan tindakan khusus, evolusi hidrogen dapat dicegah dalam batas tertentu, tetapi logam dengan potensial normal kurang dari 1 V (misalnya, magnesium, aluminium, logam alkali tanah) tidak dapat diperoleh dengan elektrolisis dari larutan berair. Mereka diperoleh dengan dekomposisi garam cair dari logam-logam ini.

Potensi elektroda normal dari zat yang ditunjukkan dalam tabel.1, minimal di mana proses elektrolisis dimulai, dalam praktiknya diperlukan nilai potensial yang besar untuk pengembangan proses.

Perbedaan antara potensial aktual elektroda selama elektrolisis dan potensial normalnya disebut tegangan lebih. Ini meningkatkan kehilangan energi selama elektrolisis.

Di sisi lain, peningkatan tegangan berlebih untuk ion hidrogen membuatnya sulit untuk dilepaskan di katoda, yang memungkinkan untuk memperoleh sejumlah logam yang lebih negatif daripada hidrogen dengan elektrolisis dari larutan berair, seperti timbal, timah, nikel. , kobalt, kromium, dan bahkan seng. Ini dicapai dengan melakukan proses pada kerapatan arus yang meningkat pada elektroda, serta dengan memasukkan zat tertentu ke dalam elektrolit.

Jalannya reaksi katodik dan anodik selama elektrolisis ditentukan oleh dua hukum Faraday berikut.

1. Massa zat md yang dilepaskan selama elektrolisis di katoda atau dilewatkan dari anoda ke elektrolit sebanding dengan jumlah listrik yang dialirkan melalui elektrolit Azτ: me = α/τ, di sini a ekuivalen elektrokimia zat tersebut , g / C.

2. Massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis dengan jumlah listrik yang sama berbanding lurus dengan massa atom zat A dan berbanding terbalik dengan valensinya n: mNS = A / 96480n, di sini 96480 adalah bilangan Faraday, C x mol -1 .

Dengan cara ini, ekuivalen elektrokimia suatu zat α= A / 96480n mewakili massa suatu zat dalam gram yang dilepaskan oleh sejumlah satuan listrik yang melewati bak elektrolitik — satu coulomb (ampere-detik).

Untuk tembaga A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g / C, untuk nikel α = 0,000304 g / C, untuk seng α = 0,00034 g / C

Faktanya, massa zat yang dilepaskan selalu lebih kecil dari yang ditunjukkan, yang dijelaskan oleh sejumlah proses samping yang terjadi di bak mandi (misalnya, pelepasan hidrogen di katoda), kebocoran arus, dan korsleting di antara elektroda.

Rasio massa zat yang benar-benar dilepaskan dengan massanya yang seharusnya dilepaskan menurut hukum Faraday disebut hasil saat ini dari zat η1.

Oleh karena itu, untuk proses nyata mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It

Secara alami, selalu η1

Efisiensi arus sangat tergantung pada kerapatan arus elektroda. Ketika kerapatan arus elektroda meningkat, efisiensi arus meningkat dan efisiensi proses meningkat.

Tegangan Uel yang harus disuplai ke elektroliser terdiri dari: tegangan tembus Ep (beda potensial reaksi anodik dan katodik), penjumlahan tegangan lebih anodik dan katodik, penurunan tegangan elektrolit Ep, penurunan tegangan elektrolit Ue = IRep (Rep — resistansi elektrolitik), penurunan tegangan pada ban, kontak, elektroda Uc = I(Rw +Rto +RNS). Kami mendapatkan: Uel = Ep + Ep + Ue + Kami.

Daya yang dikonsumsi selama elektrolisis sama dengan: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Dari daya ini, hanya komponen pertama yang digunakan untuk melakukan reaksi, sisanya adalah kehilangan panas dari proses tersebut. Hanya selama elektrolisis garam cair, bagian dari panas yang dilepaskan dalam elektrolit IUe berguna digunakan, karena digunakan untuk melelehkan garam yang dimuat dalam elektroliser.

Efisiensi bak elektrolisis dapat diperkirakan dengan massa zat dalam gram yang dilepaskan per 1 J listrik yang dikonsumsi.Nilai ini disebut hasil energi suatu zat.Ini dapat ditemukan dengan ekspresi qe = (αη1) /Uel100, di sini α — ekuivalen elektrokimia suatu zat, g / C, η1 — keluaran arus, Uemail — tegangan elektrolit sel, V .