Что такое электролиз и где он применяется?
Содержание
Обзор литературы
2.2. ПОСТОЯННЫЙ ТОК ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ
2 Н3О++ 2 е ⇒ H2+ 2 H2О
2 О Н—— 2 е ⇒ 12О2+ Н2О
Кислород развивается как газ, но вода диссоциирует на ионы снова. Там производятся три части объема газообразного вещества в процессе, описанном — две части водорода и одного — кислорода. В случае щелочного электролита есть поляризованные молекулы воды, которые имеют свои атомы водорода, ориентированные на электроде, вблизи катода и диссоциации имеет место реакция:
2 Н2О + е ⇒ 2 O H—+ Н2
Первый закон термодинамики для открытой системы говорится, что:
Вопрос — W с = DH
где Q является количество тепла подается в систему, Вт с количество соответствующей работы, выполняемой системой и ΔH является изменение энтальпии системы. Работа, проделанная электричество используется в электролизер, поэтому W с является:
W с =-NFe
где:
н — количество переданных электронов;
F — постоянная Фарадея: = 23074 кал / вольт . г-эквивалентно;
E — электрический потенциал клетки в вольтах.
E= Δ H— Qн F
В обратимого процесса изотермического (без потери) Q является:
Вопрос ATG = TΔS
где Т -абсолютная температура и ΔS является изменение энтропия системы. Из (6) и (7) величина обратимой реакции потенциала получается, когда невозможно для разложения воды на водород и кислород в реальном времени:
Eг е V= Δ H— ТΔ Sн F
Eг е V= Δ Gн F= 56 , 6902 ( 23 , 074 )= 1 , 23 V
Eт ч е т м о= Δ Hн F= 1 , 48 V
Напряжение для расщепления воды на практике электролиза устройств выше, чем термо-нейтральным напряжения ячейки должным преобразования в тепло, которое нагревает ячейку.Поэтому промышленный электролизер требуется дополнительное охлаждение, и значение напряжения постоянного тока определяется:
Е = Е об потеря + (11)
где
Потеря = Е анод + E катод + E т + IR
Можно написать выражение для КПД электролиза воды, рассчитанный по отношению к термо-нейтральным напряжения, используя отношения выше (Бокриса и Поттер, (1952):
η= Δ HΔ G + л о с ы= Eт ч е т м оE
яс= я⃗ — я←= яехр ( — βА пFR T) — ехр ( ( 1 — β) А пFR T)
β является фактором симметрия (0, ½, 1 для процесса без активации, нормальный процесс, и для инвалидов по зрению процесс соответственно).
Литература
1.Бахир В.М., Лиакумович А.Г., Кирпичников П.А., Спектор Л.Е., Мамаджанов У.Д. “Физическая природа явлений активации веществ”, Изв. АН УзССР. Сер.техн. наук, 1, 60-64 (1983).
2. Кульский Л. А. Очистка воды электрокоагуляцией / Л.А. Кульский, П.П. Строкач, В.А. Слипченко и др., Будiвельник, Kiев (1978), 112 с.
3. Липовецкий Я.М. Электрохимические способы очистки питьевых и сточных вод / Я.М. Липовецкий, Я.Д. Рапопорт, ЦБНТИ Минжилкомхоза РСФСР, Москва (1985), 56 с.
4. Кирпичников П. А., Бахир В. М., Гамер П.У., Добреньков Г.А., Лиакумович А.Г., Фридман Б.С., Агаджанян С.И. “О природе электрохимической активации сред”, Докл. АН СССР, 286(3), 663-666 (1986).
5. Бахир В.М.,Задорожний Ю.Г. Электрохимические реакторыРПЭ, Гиперокс, Москва (1991), 35 c.
6. Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки воды / С.В. Яковлев, И.Г. Краснобородько, В.М. Рогов. Л.О. Стройиздат, Ленинград (1987), 312 с.
7. Бахир В.М. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и активирования воды. ВНИИИМТ, Москва (1999), 84 с.
8. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов, ВНИИИМТ, Москва (2001), 176 с.
9. Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: В 2-х частях. Часть 1 / Л.А. Кульский, И.Т. Гороновский, А.М. Когановский и др., Наукова думка, Киев (1980), 680 с.
10. Медриш Г.Л. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза / Г.Л. Медриш, А.А. Тайшева, Д.Л. Басин., Стройиздат, Москва (1982), 80 с.
11. Воловник Г.И. Теоретические основы очистки воды / Г.И. Воловник, Л.Д. Терехов. Часть 1., Издательство ДВГУПС, Хабаровск (2000), 167 с.
12. Бахир В. М. Электрохимическая активация, ВНИИИ мед. техники, 2 часть, Москва (1992), 657 c.
13. Бабцова Н.Ф., Комаров И.Ф. Опыт использования установки СТЭЛ в хирургическом отделении. Второй международный симпозиум. Электрохимическая активация. Тез. докладов и краткие сообщения. ч.1 (1999), с. 131-132.
14. Леонов Б.И., Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Физико-химические аспекты биологического действия электрохимически активированной воды, ВНИИИМТ, Москва (1999), 244 с.
15. Бахир В.М. Теоретические аспекты электрохимической активации. / Второй международный симпозиум. Электрохимическая активация. Тез. докладов и краткие сообщения, ч.1 (1999), с.39-49.
16. Торопков В.В., Альтшуль Э.Б., Торопкова Е.В. Токсикологическая характеристика препарата католит / Третий Международный симпозиум «Электрохимическая активация»// Доклады и краткие сообщения, Москва (2001), с.57-62.
17. Леонов Б.И., Бахир В.М., Вторенко В.И. Электрохимическая активация в практической медицине / Второй Международный симпозиум «Электрохимическая активация»// Тез. докл. и краткие сообщения, ч.1, Москва (1999), с.15-23.
18. Торопков В.В.Альтшуль Э.Б., Пересыпкин О.И. Фармакологическая эффективность действия анолитов АН и АНК на слизистые оболочки ротовой полости / Второй Международный симпозиум «Электрохимическая активация»// Тез. докл. и краткие сообщения, ч.1, Москва (1999), с. 93-95.
19. Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия, ВНИИИМТ, Москва (1997), 228 с.
20. Паничева С.А. Новые технологии дезинфекции и стерилизации сложных изделий медицинского назначения, ВНИИИМТ, Москва (1998), 122 с.
Что произошло
Молекулы воды H2O очень устойчивы. Чтобы разрушить их, потребуется много энергии. Под действием электричества из батареек крепкие связи молекул воды разрываются. Так выделяется кислород O2 и водород H2 , которые затем улетают из раствора.
Смесь газов H2 и O2 (в соотношении 2 к 1) называется гремучей неспроста: ее можно легко зажечь, например, пламенем свечи. При этом происходит реакция с характерным хлопком и выбросом энергии . Удивительно, но это та самая энергия, которая в начале потребовалась для разрушения молекул воды. Просто теперь она выделяется в иной форме. Так снова образуется вода H2O .
Эту реакцию обычно проводят ради получения не воды, а энергии. Ее используют в качестве движущей силы ракетных двигателей
Только такую реакцию очень важно тщательно контролировать: она может быть очень опасной. В 1937 году потерпел крушение дирижабль «Гинденбург» из-за этой реакции
Он был наполнен водородом в объеме 200 000 м3, который прореагировал с кислородом воздуха, и дирижабль сгорел дотла. При этом образовалось более 150 тонн воды!
Почему содержимое баночки загорается?
Химическая формула молекулы воды выглядит как H2O. Это означает, что она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Баночка как раз наполнена смесью из газообразного водорода и кислорода в отношении 2 к 1, полученной электролизом воды.
Когда эта смесь воспламеняется, тут же запускается реакция образования воды, которая сопровождается характерным хлопком.
Узнать больше
Реакция образования воды выглядит довольно просто:
2H2 + O2 → H2O
Однако все немного сложнее. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой кислород является окислителем (забирает электроны водорода), а водород — восстановителем (отдает свои электроны кислороду):
O2o + 4e− → 2O2−
H2o — 2e− → 2H+
Реакция протекает весьма интенсивно, особенно когда кислород смешивается с водородом в соотношении 1:2, как это было в нашем эксперименте. Это связано с тем, что водяной пар, который мы получили, содержит один атом кислорода и два атома водорода, то есть соотношение как раз равно 1:2.
Как кислород и водород оказались в баночке?
Эти газы появились там благодаря электролизу — процессу, в котором вода под действием электричества разлагается на кислород и водород. В ходе электролиза кислород и водород переходят в газообразную форму в соотношении 1:2. Образуется гремучая смесь, которая и гасит свечу.
Как протекает электролиз?
Для этого процесса нужна щелочная среда, поэтому мы добавляем гидроксид натрия NaOH. Теперь вода может расщепляться на ионы в жидком состоянии:
H2O → H+ + OH−
Щелочная среда повышает концентрацию гидроксид-ионов OH− . Электролизёр (устройство для электролиза воды) имеет положительно заряженный анод , который притягивает анионы, и отрицательно заряженный катод , который привлекает катионы. Таким образом, катионы H+ мигрируют к катоду, а анионы OH− — к аноду.
Тогда ионы H+ берут электроны с катода и превращаются в водород H2 , а гидроксидные ионы OH− отдают свои электроны аноду и превращаются в кислород O2 .
В нашем эксперименте электролизёром выступает штекер RCA, в котором металлическое кольцо служит катодом, а штифт — анодом. Однако полюса можно менять, соединяя провода вилки и держателя батареи наоборот — это не повлияет на эксперимент.
Что такое штекер RCA?
Штекер RCA когда-то широко использовался для аудио- и видеосистем. Он может подключить, например, видеопроигрыватель к телевизору. Он по-прежнему используется для некоторого визуального оборудования, но уже не так массово. Он состоит из двух металлических частей, внешнего кольца, штифта и пластмассового изолирующего кольца между ними. Отдельные провода подключаются к каждой металлической части: короткие провода — к металлическому кольцу, а длинные — к штифту.
Примеры
Расплавы
Активные металлы, менее активные металлы и неактивные металлы в расплавах ведут себя одинаково.
| Соль активного металла и бескислородной кислоты | Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты | Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион |
|---|---|---|
|
NaCl⟷Na++Cl−{\displaystyle {\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}}
K(-): Na++e−=Na{\textstyle {\ce {Na+ + e- = Na^0}}} A(+): Cl−−e−⟶Cl⟶Cl2{\displaystyle {\ce {Cl- — e- -> Cl^0 -> Cl2}}} |
Na2SO4⟷2Na++SO42−{\displaystyle {\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}}
K(-): 2Na++2e−=2Na{\displaystyle {\ce {2Na+ + 2e- = 2Na^0}}} A(+): 2SO42−−4e−=2SO3+O2{\displaystyle {\ce {2SO4^2- — 4e- = 2SO3 + O2}}} |
NaOH⟷Na++OH−{\displaystyle {\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}}
K(-): Na++e−=Na{\displaystyle {\ce {Na+ + e- = Na^0}}} A(+): 4OH−−4e−=2H2O+O2{\displaystyle {\ce {4OH- — 4e- = 2H2O + O2}}} |
Активные металлы
| Соль активного металла и бескислородной кислоты | Соль активного металла и кислородсодержащего кислотного остатка | Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион |
|---|---|---|
|
NaCl⟷Na++Cl−{\displaystyle {\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}}
K(-): 2H2O+2e−=H2+2OH−{\displaystyle {\ce {2H2O + 2e- = H2 + 2OH-}}} A(+): 2Cl−−2e−=Cl2{\displaystyle {\ce {2Cl- — 2e- = Cl2}}} |
Na2SO4⟷2Na++SO42−{\displaystyle {\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}} | NaOH⟷Na++OH−{\displaystyle {\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}} |
Менее активные металлы и неактивные металлы
| Соль менее активного металла и бескислородной кислоты | Соль менее активного металла и кислородсодержащей кислоты | Гидроксид |
|---|---|---|
|
ZnCl2⟷Zn2++2Cl−{\displaystyle {\ce {ZnCl2 <-> Zn^2+ + 2Cl-}}}
K(-): Zn2++2e−=Zn{\displaystyle {\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0}}} A(+): 2Cl−−2e−=2Cl{\displaystyle {\ce {2Cl- — 2e- = 2Cl^0}}} |
ZnSO4⟷Zn2++SO42−{\displaystyle {\ce {ZnSO4 <-> Zn^2+ + SO4^2-}}}
K(-): Zn2++2e−=Zn{\displaystyle {\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0}}} Вывод: 2ZnSO4+2H2O⟶2Zn+2H2SO4+O2{\displaystyle {\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + 2H2SO4 + O2}}} |
Невозможно: гидроксиды неактивных металлов нерастворимы в воде |
Использование процесса
Электролиз растворов используется в разных отраслях современной промышленности. В химической отрасли с помощью данного процесса получают хлор, щелочи, перхлораты, хлораты, персульфаты, органические вещества, перманганат калия, надсерную кислоту, фтор, кислород, водород, иные ценные продукты.
В цветной металлургии электролиз расплавов применяют для извлечения чистого металла из руд. Металлы, которые нельзя выделять из-за высокого отрицательного потенциала из водных растворов, в цветной металлургии получают электролизом расплавов. Среди металлов, которые получают путем электролиза так называемых расплавленных сред, отметим магний, алюминий, уран, бериллий, цирконий.
Электролиз используют в машиностроении, электронной промышленности, радиотехнике, полиграфии, чтобы наносить тонкие металлические покрытия на изделия, защищая их от коррозии, увеличивая износостойкость, повышая жаропрочность.
Уход за электролитом
Состояние электролита в значительной степени определяется как количественные показатели электролиза (выход по току и по энергии), так и качество получаемого металла.
Во время электролиза постепенно изменяется состав электролита, так как в первые месяцы работы ванны ее футеровка избирательно впитывает фтористый натрий, а поступающие в ванну с глиноземом различные примеси разлагают криолит. Кроме того, происходят потери электролита за счет его испарения. Поэтому необходимо наблюдать за количеством электролита в ванне и за его составом. Для этого ежедневно отбирают пробы электролита и по излому или с помощью экспресс-анализа определяют криолитовое отношение в электролите. В случае недостатка фтористого алюминия или фтористого натрия в ванну вводят недостающие соли, загружая их на корку электролита и растворяя в нем при очередном анодном эффекте.
Контроль за количеством электролита осуществляют путем замера высоты его слоя. Для этого в электролит опускают вертикально железный лом на 30—40 см. По характеру и цвету застывшей на ломе корки легко определить уровень металла и толщину слоя электролита в ванне. Нормальным считается уровень электролита,равный 15—25 см. Если уровень мал, в ванну добавляют криолит тем же способом, что и глинозем, фтористый натрийи фтористый алюминий. При больших отклонениях от нормы в ванну заливают расплавленный электролит из другой ванны.
Заключение
Электрохимическая обработка воды обладает рядом преимуществ по сравнению с альтернативными механическими, химическими и биологическими методами водообработки и водоочиски. Эти преимущества заключаются в эффективности, устойчивости, контролируемости и удобном автоматическом регулировании процессов, а также простоте конструкции аппаратуры. Установки для электрохимической очистки воды компактны, имеют высокий уровень безотказности, требуют простой эксплуатации и могут быть полностью автоматизированы. С другой стороны, при электрохимической обработке воды возрастает энергопотребление, а в случае применения растворимых анодов расходуется тонколистовая сталь. Поэтому электрохимическая обработка обычно оказывается более выгодной для установок малой производительности (до 10-20 м3/час). В многоступенчатых схемах улучшения качества воды электрохимическая обработка может удобно сочетаться с другими методами водоподготовки.
0
1510
0
585
0
651
0
609
0
475
0
439
