Câu hỏi về sự điện phân được coi là gì trong khóa học vật lý của trường, và đối với hầu hết mọi người, nó không phải là một bí mật. Một điều nữa là tầm quan trọng và ứng dụng thực tế của nó. Quá trình này được sử dụng với nhiều lợi ích trong các ngành công nghiệp khác nhau và có thể hữu ích cho các thợ thủ công tại gia.
Nội dung
Sự điện phân là gì?
Sự điện phân là một phức hợp của các quá trình cụ thể trong hệ thống các điện cực và chất điện phân khi có dòng điện một chiều chạy qua nó. Cơ chế của nó dựa trên sự xuất hiện của dòng điện ion. Chất điện phân là chất dẫn điện loại 2 (độ dẫn ion) trong đó xảy ra sự phân ly điện li. Nó có liên quan đến sự phân hủy thành các ion dương (cation) và phủ định (anion) sạc pin.
Hệ thống điện phân nhất thiết phải chứa một dương (cực dương) và phủ định (cực âm) điện cực. Khi một dòng điện một chiều được đặt vào, các cation bắt đầu di chuyển về phía cực âm và các anion - về phía cực dương. Các cation chủ yếu là các ion kim loại và hydro, và các anion là oxy, clo. Ở catot, các cation tự gắn electron thừa vào, điều này đảm bảo xảy ra phản ứng khử Men + + ne → Me (trong đó n là hóa trị của kim loại). Ngược lại, ở cực dương, một điện tử được tặng từ anion với phản ứng oxy hóa diễn ra.
Do đó, một quá trình oxy hóa khử được cung cấp trong hệ thống. Điều quan trọng là phải xem xét rằng đối với dòng chảy của nó, năng lượng thích hợp là cần thiết. Nó phải được cung cấp bởi một nguồn hiện tại bên ngoài.
Định luật Faraday về sự điện phân
Nhà vật lý vĩ đại M. Faraday, với công trình nghiên cứu của mình, không chỉ giúp hiểu được bản chất của quá trình điện phân mà còn có thể thực hiện các tính toán cần thiết để thực hiện nó. Năm 1832, các định luật của ông xuất hiện, liên kết các tham số chính của các quá trình đang diễn ra.
Luật đầu tiên
Định luật đầu tiên của Faraday phát biểu rằng khối lượng của chất bị giảm ở cực dương tỷ lệ thuận với điện tích gây ra trong chất điện phân: m = kq = k * I * t, trong đó q là điện tích, k là hệ số hoặc đương lượng điện hóa của chất đó, I là cường độ dòng điện chạy qua chất điện phân, t là thời gian dòng điện chạy qua.
Luật thứ hai
Định luật thứ hai của Faraday cho phép xác định hệ số tỉ lệ k. Nghe có vẻ như thế này: đương lượng điện hóa của bất kỳ chất nào cũng tỷ lệ thuận với khối lượng mol của nó và tỷ lệ nghịch với hóa trị. Luật được thể hiện như sau:
k = 1 / F * A / z, trong đó F là hằng số Faraday, A là khối lượng mol của chất, z là hóa trị của nó.
Tính cả hai định luật, có thể suy ra công thức cuối cùng để tính khối lượng đọng lại trên điện cực của chất: m = A * I * t / (n * F), với n là số electron tham gia điện phân. Thông thường n tương ứng với điện tích của ion. Từ quan điểm thực tế, mối liên hệ giữa khối lượng của một chất và dòng điện đặt vào là rất quan trọng, nó có thể điều khiển quá trình bằng cách thay đổi cường độ của nó.
Điện phân nóng chảy
Một trong những lựa chọn để điện phân là sử dụng chất nóng chảy làm chất điện phân. Trong trường hợp này, chỉ có các ion nóng chảy tham gia vào quá trình điện phân. Một ví dụ cổ điển là điện phân muối nóng chảy NaCl (Muối). Các ion âm chạy đến cực dương, có nghĩa là khí được giải phóng (Cl). Sự khử kim loại sẽ xảy ra ở cực âm, tức là sự lắng đọng của Na nguyên chất tạo thành từ các ion dương đã hút các êlectron thừa. Các kim loại khác có thể thu được tương tự (K, Ca, Li, v.v.) từ sự tàn sát của các muối tương ứng.
Trong quá trình điện phân nóng chảy, các điện cực không bị hòa tan mà chỉ tham gia như một nguồn dòng điện. Trong sản xuất của họ, bạn có thể sử dụng kim loại, than chì, một số chất bán dẫn. Điều quan trọng là vật liệu có đủ độ dẫn điện. Một trong những vật liệu phổ biến nhất là đồng.
Đặc điểm của sự điện ly trong dung dịch
Sự điện phân trong dung dịch nước khác hẳn với sự nóng chảy. Ở đây diễn ra ba quá trình cạnh tranh: quá trình oxy hóa nước với quá trình oxy hóa, quá trình oxy hóa anion và sự hòa tan anốt của kim loại. Các ion của nước, chất điện phân và cực dương tham gia vào quá trình này.Theo đó, ở catot có thể xảy ra quá trình khử hiđro, các cation điện phân và kim loại ở anot.
Khả năng xảy ra các quá trình cạnh tranh này phụ thuộc vào độ lớn của các thế điện của hệ thống. Chỉ quá trình cần ít năng lượng bên ngoài hơn mới được tiến hành. Do đó, các cation có thế điện cực lớn nhất sẽ bị khử ở cực âm và các anion có điện thế thấp nhất sẽ bị oxi hóa ở cực dương. Thế điện cực của hydro được coi là "0". Ví dụ, đối với kali, nó là (-2,93V), natri - (-2,71V), chỉ huy (-0,13V), trong khi bạc có (+0,8 V).
Sự điện li trong chất khí
Khí có thể đóng vai trò chất điện phân chỉ khi có chất ion hóa. Trong trường hợp này, dòng điện đi qua môi trường bị ion hóa gây ra quá trình cần thiết trên các điện cực. Tuy nhiên, định luật Faraday không áp dụng cho quá trình điện phân chất khí. Để thực hiện, các điều kiện sau là cần thiết:
- Không có sự ion hóa nhân tạo của chất khí, điện áp cao và dòng điện cao cũng không giúp ích được gì.
- Chỉ có những axit không chứa oxi và ở trạng thái khí, còn một số chất khí mới xảy ra hiện tượng điện phân.
Quan trọng! Khi các điều kiện cần thiết được đáp ứng, quá trình tiến hành tương tự như điện phân trong chất điện phân lỏng.
Đặc điểm của các quá trình xảy ra ở cực âm và cực dương
Đối với ứng dụng thực tế của sự điện phân, điều quan trọng là phải hiểu những gì xảy ra ở cả hai điện cực khi có dòng điện. Các quy trình điển hình là:
- Cực âm. Các ion mang điện tích dương lao đến nó. Tại đây, quá trình khử kim loại hoặc quá trình tiến hóa của hydro diễn ra. Có một số phân loại kim loại theo hoạt độ cation.Các kim loại như Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al chỉ bị khử từ các muối nóng chảy. Nếu sử dụng một dung dịch thì hiđro thoát ra do quá trình điện phân của nước. Có thể đạt được tính khử trong dung dịch, nhưng với nồng độ vừa đủ của các cation, đối với các kim loại sau - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Quá trình này diễn ra dễ dàng nhất đối với Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Cực dương. Các ion mang điện tích âm đi vào điện cực này. Bị oxy hóa, chúng lấy các electron từ kim loại, dẫn đến sự hòa tan anốt của chúng, tức là chuyển đổi thành các ion tích điện dương, được gửi đến cực âm. Các anion cũng được phân loại theo hoạt động của chúng. Các anion như PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F chỉ có thể được thải ra khi tan chảy. Trong dung dịch nước, không phải chúng trải qua quá trình điện phân mà là nước có giải phóng oxy. Các anion như OH, Cl, I, S, Br dễ phản ứng nhất.
Khi đảm bảo quá trình điện phân, điều quan trọng là phải tính đến xu hướng oxy hóa của vật liệu điện cực. Về mặt này, các cực dương trơ và hoạt động là nổi bật. Các điện cực trơ được làm bằng than chì, cacbon hoặc bạch kim và không tham gia vào việc cung cấp các ion.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân
Quá trình điện phân phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Thành phần điện giải. Các tạp chất khác nhau có ảnh hưởng đáng kể. Chúng được chia thành 3 loại - cation, anion và hữu cơ. Các chất có thể âm nhiều hơn hoặc ít hơn so với kim loại cơ bản, điều này cản trở quá trình này. Trong số các tạp chất hữu cơ, chất ô nhiễm (ví dụ như dầu) và chất hoạt động bề mặt là nổi bật. Nồng độ của chúng có giá trị cực đại cho phép.
- mật độ hiện tại. Theo định luật Faraday, khối lượng của chất lắng đọng tăng lên khi cường độ dòng điện tăng lên. Tuy nhiên, các trường hợp bất lợi phát sinh - phân cực tập trung, tăng điện áp, làm nóng mạnh chất điện phân. Với ý nghĩ này, có các giá trị mật độ dòng điện tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.
- pH điện giải. Tính axit của môi trường cũng được lựa chọn có tính đến kim loại. Ví dụ, giá trị tối ưu của độ axit điện phân đối với kẽm là 140 g / cu.dm.
- Nhiệt độ điện phân. Nó có một hiệu ứng không rõ ràng. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ điện phân tăng, nhưng hoạt tính của các tạp chất cũng tăng lên. Có nhiệt độ tối ưu cho mọi quá trình. Thông thường nó nằm trong khoảng 38-45 độ.
Quan trọng! Quá trình điện phân có thể được tăng tốc hoặc làm chậm lại bởi các ảnh hưởng khác nhau và sự lựa chọn thành phần chất điện phân. Mỗi ứng dụng có phác đồ riêng, phải được tuân thủ nghiêm ngặt.
Điện phân được sử dụng ở đâu?
Điện phân được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Có một số lĩnh vực sử dụng chính để thu được kết quả thực tế.
Mạ điện
Một lớp mạ mỏng, bền của kim loại có thể được áp dụng bằng phương pháp điện phân. Sản phẩm cần phủ được lắp đặt trong bể ở dạng cực âm và chất điện phân chứa muối của kim loại mong muốn. Vì vậy, bạn có thể bao phủ thép bằng kẽm, crom hoặc thiếc.
Lọc điện - luyện đồng
Một ví dụ về làm sạch điện có thể là tùy chọn sau: cực âm - đồng nguyên chất cực dương - đồng có tạp chất, chất điện giải - dung dịch nước của đồng sunfat. Đồng từ cực dương chuyển thành các ion và lắng xuống ở cực âm mà không có tạp chất.
Khai thác kim loại
Để thu được các kim loại từ các muối, chúng được chuyển đến nhiệt độ nóng chảy, và sau đó điện phân được cung cấp trong đó. Một phương pháp như vậy khá hiệu quả để thu nhận nhôm từ bôxít, natri và kali.
Anodizing
Trong quá trình này, lớp phủ được tạo ra từ các hợp chất phi kim loại. Một ví dụ cổ điển là nhôm anodizing. Phần nhôm được lắp đặt làm cực dương. Chất điện phân là dung dịch axit sunfuric. Kết quả của quá trình điện phân, một lớp oxit nhôm được lắng đọng trên cực dương, có tính chất bảo vệ và trang trí. Những công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau. Bạn có thể tự tay mình thực hiện các quy trình tuân thủ các quy định về an toàn.
Tiền điện
Quá trình điện phân đòi hỏi chi phí năng lượng cao. Quá trình sẽ có giá trị thực tế nếu dòng điện anốt là đủ, và đối với điều này, cần phải sử dụng một dòng điện một chiều đáng kể từ nguồn điện. Ngoài ra, khi nó được thực hiện, tổn thất điện áp bên xảy ra - quá áp cực dương và cực âm, tổn thất trong chất điện phân do điện trở của nó. Hiệu quả của việc lắp đặt được xác định bằng cách liên hệ giữa công suất tiêu thụ năng lượng với một đơn vị khối lượng hữu ích của chất thu được.
Điện phân đã được sử dụng trong công nghiệp từ rất lâu và đạt hiệu suất cao. Các lớp phủ anot hóa và mạ điện đã trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, và việc khai thác và thụ hưởng vật liệu giúp chiết xuất nhiều kim loại từ quặng. Quá trình có thể được lập kế hoạch và tính toán, biết các mô hình chính của nó.
Các bài tương tự:
