Անցնելիս էլեկտրական հոսանքմետաղների միջոցով (1-ին տեսակի հաղորդիչներ) քիմիական ռեակցիաներ չեն լինում, իսկ մետաղները մնում են անփոփոխ։ Եթե էլեկտրական հոսանք անցնում է հալոցի կամ էլեկտրոլիտի լուծույթի միջով (2-րդ տեսակի հաղորդիչներ), էլեկտրոլիտ-մետաղ հաղորդիչ (էլեկտրոդ) միջերեսում տեղի են ունենում տարբեր քիմիական ռեակցիաներ (էլեկտրոլիզ), և առաջանում են նոր միացություններ։
Էլեկտրոլիզը գործընթացների մի շարք է, որոնք տեղի են ունենում, երբ էլեկտրական հոսանքն անցնում է էլեկտրաքիմիական համակարգով, որը բաղկացած է երկու էլեկտրոդներից և հալոցքի կամ էլեկտրոլիտի լուծույթից:
Էլեկտրոլիզի ժամանակ կատիոնները շարժվում են դեպի բացասական էլեկտրոդ (կաթոդ), իսկ անիոնները՝ դեպի դրական էլեկտրոդ (անոդ)։ Այս դեպքում, սակայն, էլեկտրոլիտի կատիոններն ու անիոնները միշտ չէ, որ լիցքաթափվում են՝ ընդունելով կամ նվիրաբերելով էլեկտրոններ։ Հաճախ էլեկտրոլիտ-լուծիչ, ինչպիսին ջուրն է, մասնակցում է էլեկտրոլիզի ռեակցիաներին:
Գալվանական բջիջի և էլեկտրոլիզատորի ռեակցիաների միջև հիմնարար տարբերությունը կայանում է միայն դրանց ուղղության և ինքնաբուխության մեջ: Գալվանական բջիջի փակ շղթայում էլեկտրաքիմիական ռեակցիան ընթանում է ինքնաբուխ, իսկ էլեկտրոլիզատորում՝ միայն արտաքին աղբյուրից եկող էլեկտրական հոսանքի ազդեցության տակ։
Ուշադրություն դարձրեք էլեկտրոդների անվանմանը. գալվանական բջիջում բացասական էլեկտրոդը անոդն է, իսկ դրական էլեկտրոդը կաթոդն է. խցում, ընդհակառակը, բացասական էլեկտրոդը կաթոդն է, իսկ դրականը՝ անոդը։
Պետք է հիշել, որ «բացասական» և «դրական» տերմինները միշտ վերաբերում են ընթացիկ աղբյուրի բևեռներին, այսպես են նրանք նշանակում բջիջի էլեկտրոդները: Այս գործընթացներում տարածվածն այն է, որ ինչպես գալվանական խցում, այնպես էլ էլեկտրոլիզատորում բացասական էլեկտրոդի վրա առաջանում է էլեկտրոնների ավելցուկ, իսկ դրականի վրա՝ դրանց պակասը։ Կաթոդում իոնները կամ մոլեկուլները կրճատվում են էլեկտրոնների ազդեցությամբ, իսկ անոդում մասնիկները օքսիդանում են՝ իրենց էլեկտրոնները տալով էլեկտրոդին։
Բջջում կատիոնները (M n+) շարժվել դեպի կաթոդ (-), իսկ անիոնները (Ա n–) - դեպի անոդ (+):
Քայքայման լարումըէլեկտրոլիտը էլեկտրոլիզի ընթացքում կոչվում է նվազագույն լարում (արտաքին EMF), որը պետք է կիրառվի էլեկտրոդների վրա: Օրինակ, ցինկի քլորիդի լուծույթի համար ժամը ստանդարտ պայմաններ:
Zn 2+ + 2 ē = Zn φ° = - 0,76 B,
Cl2 + 2 ē \u003d 2Cl - φ ° \u003d + 1,36 Վ,
իսկ տարրալուծման լարումը հավասար է (բացարձակ արժեքով) երկու էլեկտրոդների ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների գումարին` 0,76 + 1,36 = 2,12 Վ, այսինքն. տարրալուծման լարումը չի կարող ցածր լինել համապատասխան գալվանական բջիջի EMF-ից:
Քայքայման լարումըկազմված է երկու էլեկտրոդների պոտենցիալներից՝ իոնների լիցքաթափման պոտենցիալներից։
Վակուումային ներուժկատիոն երբեմն կոչվում է ավանդադրման ներուժմետաղական. Սա նվազագույն ներուժն է, որը պետք է կիրառվի էլեկտրոդի վրա, որպեսզի կատիոնը կորցնի լիցքը և տեղի ունենա մետաղի նստվածք: Որոշ իոնների համար (Cu 2+, Ag +, Cd 2+) նստվածքի պոտենցիալը մոտ է էլեկտրոդի պոտենցիալին, մինչդեռ մյուս իոնների համար (Fe 2 +, Co 2 +, Ni 2 +) նստվածքի պոտենցիալները զգալիորեն գերազանցում են էլեկտրոդի պոտենցիալը: մետաղների - էլեկտրոլիզի համար անհրաժեշտ է որոշակի գերլարում.
Տարբերել լուծույթների էլեկտրոլիզև հալեցման էլեկտրոլիզ. Լուծույթների էլեկտրոլիզը բաժանվում է էլեկտրոլիզ իներտ էլեկտրոդներովև լուծելի անոդային էլեկտրոլիզ. Մետաղական (Pt, Au) և ոչ մետաղական (գրաֆիտ) էլեկտրոդները կարող են իներտ լինել։ Որպես լուծվող անոդներ օգտագործվում են Cr, Ni, Cd, Zn, Ag, Cu և այլն անոդները։
Որոշ մետաղներ գործնականում չեն լուծվում բարձր անոդային բևեռացման պատճառով, ինչպիսիք են Ni-ը և Fe-ը ալկալային լուծույթում, Pb-ը՝ H2SO4-ում:
Իներտ էլեկտրոդներով լուծույթների էլեկտրոլիզ.Էլեկտրոլիտների ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզում մետաղի փոխարեն կաթոդում հաճախ արտազատվում է ոչ թե մետաղ, այլ ջրածին։ Թթվային միջավայրում ջրածինը ձևավորվում է հետևյալ ռեակցիայի միջոցով.
2H++2 ē =H2.
Չեզոք և ալկալային միջավայրերում ջրածինը ձևավորվում է ջրի մոլեկուլների ներգրավմամբ.
2H2O+2 ē = H 2 + OH -.
Կատիոնները, ինչպիսիք են Na + կամ K +-ը, ընդհանրապես չեն արտանետվում ջրային լուծույթում, բայց ջրածինը ազատվում է:
Կատիոնները կարող են խմբավորվել ըստ իրենց լիցքաթափման ունակության՝ չլիցքաթափվողից մինչև հեշտությամբ լիցքաթափվող միջակայքում: Միաժամանակ փոխվում են նաև էլեկտրոլիզի արտադրանքները։ Որոշ կատիոնների համար հնարավոր է մետաղի և ջրածնի միաժամանակյա առաջացում։
Ստորև բերված են կատիոնները՝ ըստ դրանց լիցքաթափման դժվարության նվազման և էլեկտրոլիզի արտադրանքները.
Կատիոններ Էլեկտրոլիզի արտադրանք
Li +, K +, Na +, Mg 2+, Al 3+, H + (վերահղում) H 2
Mn 2+, Zn 2+, Cr 3 +, Fe 2 +, H + (pH 7) M + H 2
Co 2+, Ni 2+, Sr 2+, Pb 2+, H + (pH 0) M + H 2
Cu 2+, Ag +, Au 3 + M
Այս շարքում ջրածնի տարբեր դիրքը բացատրվում է հետևյալ պատճառներով. Կապարի և պղնձի միջև ջրածնի դիրքը համապատասխանում է ստանդարտ էլեկտրոդների պոտենցիալների թվային արժեքներին. ԻՑՄ n+ = ԻՑ H + = 1 մոլ / լ, այսինքն. pH=0-ում: Ջրածնի դիրքը երկաթի և կոբալտի միջև համապատասխանում է ջրածնի էլեկտրոդային պոտենցիալին ջրի մեջ pH=7 (φº H 2 / H + = –0,414 V): Այս պայմաններում բոլոր մետաղները կարող են նստեցվել լուծույթներից, φ-ի արժեքը ° որոնք մեծ են –0,414 Վ-ից: Այնուամենայնիվ, գործնականում, բացի կոբալտից, նիկելից, անայից և կապարից, հնարավոր է նաև ջրային լուծույթներից նստեցնել ցինկը, քրոմը և երկաթը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ տեղումները կաթոդում ջրածնի գազխոչընդոտվում է ջրածնի գերլարման պատճառով:
Այսպիսով, կատիոնների շարքում ից Li +-ից մինչև A1 3+ մետաղը չի ձևավորվում, իսկ էլեկտրոլիզի ժամանակ ջրածինը ազատվում է ջրի կրճատման պատճառով։ ից կատիոնների շարքում Mn 2+-ից Pb 2+ էլեկտրոլիզի ժամանակ մետաղը և ջրածինը ձևավորվում են միաժամանակ և, վերջապես, մի շարք Cu 2+ - Au 3+ միայն մետաղ է ձևավորվում.
Հետևաբար, որքան ձախ կողմում (սկզբին ավելի մոտ) մետաղը գտնվում է ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալների շարքում (լարումների շարք), այնքան ավելի դժվար է ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզով մեկուսացնել այս մետաղը։
Եթե աստիճանաբար աճող լարումը կիրառվում է մի քանի կատիոն պարունակող լուծույթի վրա, ապա էլեկտրոլիզը սկսվում է, երբ հասնում է ամենաբարձր էլեկտրոդային պոտենցիալ ունեցող կատիոնի (առավել դրական) ներուժը: Ցինկի իոններ պարունակող լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ (φ °= -0,76 Վ) և պղինձ (φ ° = +0,34 Վ), պղինձը սկզբում ազատվում է կաթոդի վրա, և միայն այն բանից հետո, երբ գրեթե բոլոր Cu 2+ իոնները լիցքաթափվեն, ցինկը կսկսի ազատվել: Այս կերպ, եթե լուծույթը միաժամանակ պարունակում է տարբեր կատիոններ, ապա էլեկտրոլիզի ընթացքում դրանք կարող են հաջորդաբար մեկուսացվել իրենց էլեկտրոդային պոտենցիալների արժեքներին համապատասխան:. Այս դեպքում ենթադրվում է, որ մետաղի արձակման գերլարումը նրանց համար մոտավորապես նույնն է (և փոքր):
Ինչ վերաբերում է անիոնների արտանետման պոտենցիալները, ապա այստեղ պատկերը շատ ավելի բարդ է ջրի էլեկտրոլիզի գործընթացին մասնակցելու ունակության պատճառով։ Ընդհանուր առմամբ, կարելի է ասել, որ ամենացածր պոտենցիալով (նվազ դրական) անիոնները սկզբում լիցքաթափվում են անոդում։ Եթե լուծույթը պարունակում է Cl - (φº = 1,36 V), Br - (φº = 1,09 V) և I - (φº = 0,54 Վ) իոններ, ապա նախ կառաջանա յոդ, ապա բրոմ և, վերջապես, քլոր: Ֆտորի իոնները ջրային լուծույթում ընդհանրապես չեն կարող արտանետվել (φ ° = 2.87 V):
Թթվածին պարունակող անիոնների մեծ մասը (բացառությամբ ացետատի իոնի) չի արտանետվում ջրային լուծույթում, փոխարենը՝ թթվային և չեզոք լուծումներջուրը քայքայվում է.
2H 2 O - 4 ē \u003d O 2 + 4H +,
իսկ ալկալային լուծույթներում՝ հիդրօքսիդի իոնների արտանետումը.
2OH - - 2 ē \u003d 1/2 O 2 + H 2 O:
Ըստ ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզի ընթացքում լիցքաթափվելու ունակության՝ անիոնները դասավորվում են հետևյալ շարքում թթվածին պարունակող թթուների անիոններից, ինչպիսիք են SO 4 2–, NO 3, որոնք չեն լիցքաթափվում ջրային լուծույթում, որպեսզի հեշտությամբ. դուրս գրվածները.
Անիոնների էլեկտրոլիզի արտադրանք
SO 4 2–, NO 3 - և այլն, OH - O 2
Cl -, Br -, I - Cl 2 (ClO -, ClO 3 -), Br 2, I 2 (+ O 2)
S 2– S, SO 2 (+ O 2)
Այսպիսով, հնարավոր է ձևակերպել հետևյալ հիմնականը չլուծվող էլեկտրոդներով էլեկտրոլիտների ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզի կանոններ:
1. Էլեկտրոլիտների անիոններից անոդում նախ լիցքաթափվում են թթվածնազուրկ թթուների (Cl -, Br -, S 2- և այլն) անիոնները։
2. Թթվածին պարունակող թթուների անիոնները (SO 4 2–, NO 3 –, CO 3 2– և այլն) ջրի առկայությամբ չեն արտանետվում, դրանց փոխարեն ջուրն օքսիդանում է ըստ ռեակցիայի.
2H2O-4 ē \u003d O 2 + 4H +:
3. ակտիվ մետաղներԿաթոդում գտնվող մինչև Al (ներառյալ) լարումների շարքում չեն վերականգնվում, փոխարենը վերականգնվում է ջուրը.
2H2O+2 ē \u003d H 2 + 2OH -.
4. Ալյումինից հետո, բայց ջրածնից առաջ լարումների շարքում գտնվող մետաղները ջրի մոլեկուլների հետ միասին կրճատվում են կաթոդում.
K՝ 1) Zn 2+ + 2 ē = Zn
2) 2H 2 O + 2 ē \u003d H 2 + 2OH -.
5. Էլեկտրոդային ներուժի դրական արժեք ունեցող մետաղները առաջին հերթին կաթոդում կրճատվում են.
Cu 2+ + 2 ē = Cu
Օրինակ՝ ծծմբաթթվի (գրաֆիտի էլեկտրոդների) էլեկտրոլիզի ժամանակ տեղի են ունենում հետևյալ գործընթացները.
կաթոդի մոտ 2H + + 2 ē = Հ 2
անոդում 2H 2 O - 4 ē \u003d O 2 + H +:
Ամփոփիչ հավասարում.
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2,
դրանք. ծծմբաթթվի լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ ջրի մոլեկուլների քայքայման պատճառով արտազատվում են ջրածին և թթվածին։ Էլեկտրոլիզի արտադրանք՝ ջրածին և թթվածին:
Պղնձի սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզ.
կաթոդի մոտ Cu 2 + + 2 ē = Cu,
անոդում 2H 2 O - 4 ē \u003d O 2 + 4H +
Ամփոփիչ հավասարում.
2Cu 2+ + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4H +
2CuSO 4 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4:
Էլեկտրոլիզի արտադրանք՝ պղինձ, թթվածին, ծծմբաթթու:
Անիոնի արտանետման հնարավորությունը կախված է դրա կոնցենտրացիայից: Այսպիսով, կենտրոնացված և նոսր NaCl լուծույթների էլեկտրոլիզի արտադրանքները համապատասխանաբար քլորն ու թթվածինն են։
Նատրիումի քլորիդի նոսր լուծույթի էլեկտրոլիզը տեղի է ունենում առանց Cl - իոնների (և, համապատասխանաբար, Na + իոնների) արտանետման, այսինքն. ջուրը քայքայված է. Քանի որ անոդում աղի կոնցենտրացիան մեծանում է, քլորն ազատվում է թթվածնի հետ միասին, և քլորը ձևավորվում է կենտրոնացված լուծույթներում (թթվածնի խառնուրդով).
կաթոդի մոտ 2H2O+2 ē \u003d H 2 + 2OH -
անոդում 2Cl - - 2 ē = Cl2 .
Ամփոփիչ հավասարում.
2Cl - + 2H 2 O \u003d H 2 + Cl 2 + 2OH -
2NaCl + 2H 2 O \u003d H 2 + Cl 2 + 2NaOH:
Էլեկտրոլիզի արտադրանք՝ ջրածին, քլոր և նատրիումի հիդրօքսիդ:
Քլորի լուծույթների էլեկտրոլիզի ժամանակ քլորի արտազատման դեպքում քլորի առաջացման հիմնական պրոցեսը դրվում է ջրի հետ քլորի փոխազդեցության (հիդրոլիզ) և ստացված նյութերի հետագա փոխակերպումների ռեակցիաներով։ Քլորի հիդրոլիզն ընթանում է թույլ հիպոքլորաթթվի և քլորիդ իոնների (հիդրոքլորային թթու) ձևավորմամբ.
Cl 2 + H 2 O \u003d H + + Cl - + HC1O:
Հիպոքլորային թթուն էլեկտրոլիզի ընթացքում առաջացած ալկալի հետ (ավելի ճիշտ՝ Na + + OH -) որպես արտադրանք տալիս է նատրիումի հիպոքլորիտ NaClO։ Ալկալային միջավայրում ռեակցիայի ընդհանուր հավասարումն ունի հետևյալ ձևը.
Cl 2 + 2NaOH \u003d NaCl + NaClO + H 2 O:
Բարձր ջերմաստիճաններում (եռացող ջուր) քլորի հիդրոլիզը ընթանում է քլորատ իոնի ձևավորմամբ։ Հնարավոր ռեակցիաների հավասարումներ.
3Cl 2 + 3H 2 O \u003d ClO 3 - + 5 Cl - + 6H +,
3HClO \u003d ClO 3 - + 2Cl - + 3H +,
3СlО - = СlO 3 - + 2Сl -.
Ալկալային միջավայրում ընդհանուր հավասարումն ունի ձև
3Cl 2 + 6NaOH \u003d NaClO 3 + 5NaCl + 3H 2 O:
Դիֆրագմայի էլեկտրոլիզ:Նատրիումի քլորիդի նոսր լուծույթի էլեկտրոլիզի ընթացքում Na + իոնները շարժվում են դեպի կաթոդ, բայց ջրածինը ազատվում է.
2H 2 O + 2 ē \u003d H 2 + OH -
իսկ նատրիումի հիդրօքսիդի լուծույթը խտացված է։
Քլորիդ իոնները շարժվում են դեպի անոդ, բայց դրանց ցածր կոնցենտրացիայի պատճառով հիմնականում ձևավորվում է ոչ թե քլորը, այլ թթվածինը.
2H2O-4 ē \u003d O 2 + 4H +
և լուծումը կենտրոնացված է աղաթթվի.
Եթե էլեկտրոլիզն իրականացվում է գավաթով կամ այլ նմանատիպ անոթով, ապա ալկալային և թթվային լուծույթները խառնվում են, և էլեկտրոլիզը վերածվում է ջրածնի և թթվածնի առաջացման՝ ջրի քայքայման պատճառով: Եթե, մյուս կողմից, անոդի և կաթոդի տարածքները բաժանված են միջնորմով (դիֆրագմ), որը թույլ է տալիս հոսանք կրող իոններին անցնել, բայց թույլ չի տալիս մոտ էլեկտրոդի լուծույթների խառնվելը, ապա թթու և ալկալային լուծույթները կարող են ստացվել որպես էլեկտրոլիզի արտադրանք: .
Նատրիումի քլորիդի լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ կաթոդում առաջացել են հիդրօքսիդի իոններ՝ ըստ ռեակցիայի.
2H2O+2 ē \u003d H 2 + 2OH -
նրանք անմիջապես սկսում են մասնակցել էլեկտրաէներգիայի փոխանցմանը և C1 իոնների հետ միասին շարժվում են դեպի անոդ, որտեղ երկու իոններն էլ լիցքաթափվում են և առաջանում է թթվածնի և քլորի խառնուրդ։ Հետևաբար, քլորի ելքը ընկնում է։ Եթե անոդը պատրաստված է ածխից (գրաֆիտ), ապա այն օքսիդանում է թթվածնով և առաջանում են CO և CO 2 ածխածնի օքսիդներ՝ աղտոտելով քլորը։ Ավելին, անոդում ձևավորված քլորը փոխազդում է հիդրօքսիդի իոնների հետ.
C1 2 + OH - \u003d H + + Cl - + OSl -.
Հիպոքլորիտի իոնների առաջացումը նույնպես անցանկալի գործընթաց է (եթե նատրիումի հիպոքլորիտի լուծույթ ստանալը նպատակ չէ): Այս բոլոր անցանկալի հետևանքներից կարելի է խուսափել՝ օգտագործելով դիֆրագմ, որը բաժանում է կաթոդի և անոդի տարածությունները և պահպանում է OH-իոնները, բայց անցնում է Cl-իոններ: Ի վերջո, դիֆրագմը կանխում է գազերի տարածումը և հնարավորություն է տալիս ստանալ ավելի մաքուր ջրածին։
Եթե լուծույթը պարունակում է մի քանի անիոններ, ապա ավելի դժվար է կանխատեսել դրանց արտանետման հաջորդականությունը անոդում, քան կատիոնների համար, բայց, ընդհանուր առմամբ, պահպանվում է այն կանոնը, որ ամենացածր պոտենցիալ արժեք ունեցող անիոնը (կամ ամենաբարձր բացասական արժեքը) Անոդում տեղի ունեցող ռեակցիայի էլեկտրոդային ներուժը):
Լուծվող անոդով լուծույթների էլեկտրոլիզ:Լուծվող անոդով էլեկտրոլիզը հնարավոր է, երբ մետաղն ավելի հեշտությամբ էլեկտրոններ է տալիս, քան Cl-, OH- իոնները կամ ջրի մոլեկուլները: Օրինակ՝ պղնձի անոդի վրա պղնձի քլորիդի կամ պղնձի սուլֆատի լուծույթում քլոր կամ թթվածին չի արտազատվում, սակայն տեղի է ունենում անցում Cu 2+ իոնների լուծույթին։ Միևնույն ժամանակ, նույն իոնները լիցքաթափվում են կաթոդում և նստում մետաղական պղինձ: Այսպիսով, լուծվող անոդով էլեկտրոլիզը կրճատվում է մինչև պղնձի տեղափոխումը անոդից կաթոդ:
Անոդում ռեակցիան շատ դեպքերում բարդանում է բազմաթիվ կողմնակի և հաճախ անցանկալի գործընթացներով: Օրինակ, ստացված իոնները կարող են ձևավորել օքսիդներ, հիդրօքսիդներ և դրանց թաղանթներ.
M 2+ + 2OH - \u003d MO + H 2 O:
Թթվածնի էվոլյուցիան հնարավոր է նաև անոդում.
2H2O-4 ē \u003d O 2 + 4H +,
որոնք կարող են մասնակցել էլեկտրոլիտիկ համակարգի մի շարք ռեակցիաների:
Գազային արգասիքների, հատկապես թթվածնի ձևավորման ժամանակ շատ դեպքերում քայքայման պոտենցիալները չեն համընկնում էլեկտրոդների պոտենցիալների հետ՝ գերլարման բարձր արժեքների պատճառով։ . Գերլարումը իրական տարրալուծման լարման տարբերությունն է և տեսականորեն հաշվարկված համապատասխան ռեակցիայի EMF-ի էլեկտրոդների պոտենցիալներից:. Ազատված նյութի բնույթը (քլորի, բրոմի և յոդի համար գերլարումը շատ աննշան է) և էլեկտրոդի նյութը հատկապես ուժեղ ազդեցություն ունեն գերլարման մեծության վրա։ Ստորև բերված են տարբեր կաթոդներում և անոդներում ջրածնի և թթվածնի էվոլյուցիայի ընթացքում գերլարման մասին տվյալները:
Էլեկտրոդի գերլարում, Վ
Ջրածին Թթվածին
Pt սևացած 0,00 0,2–0,3
Pt պայծառ 0,1 0,4–0,5
Fe 0,1–0,2 0,2–0,3
Ni 0,1–0,2 0,1–0,3
Сu 0.2 0.2–0.3
Pb 0,4–0,6 0,2–0,3
Գերլարումը կախված է նաև էլեկտրոդների ձևից, դրանց մակերեսի վիճակից, հոսանքի խտությունից, լուծույթի ջերմաստիճանից, լուծույթի խառնման ինտենսիվությունից և այլ գործոններից։
Երկաթի վրա ջրածնի գերլարումը ~ 0,1 Վ է, իսկ թթվածինը նույն նյութի վրա՝ ~ 0,3 Վ։ Հետևաբար, երկաթի էլեկտրոդների վրա էլեկտրոլիզի ժամանակ գերլարումը կկազմի 0,1 + 0,3 = 0,4 Վ։ Այս արժեքի գումարը և տեսականորեն հաշվարկված կլինի։ համապատասխան էլեկտրոլիտի լիցքաթափման լարման նվազագույն արժեքը.
Գերլարման նկատմամբ վերաբերմունքը երկիմաստ է: Մի կողմից, գերլարումը հանգեցնում է էլեկտրաէներգիայի սպառման ավելացման, մյուս կողմից, գերլարման պատճառով ջրային լուծույթներից կարող են կուտակվել բազմաթիվ մետաղներ, որոնք, ըստ իրենց ստանդարտ էլեկտրոդների պոտենցիալների արժեքների, չպետք է տեղավորվեն: Սրանք են Fe, Pb, Sn, Ni, Co, Zn , քր. Գերլարման, ինչպես նաև լուծույթի կոնցենտրացիայի ազդեցության շնորհիվ էլեկտրոդային ներուժի վրա, հնարավոր է էլեկտրոլիտային քրոմապատում և երկաթե արտադրանքի նիկելապատում, և նույնիսկ նատրիում կարելի է ստանալ սնդիկի էլեկտրոդի ջրային լուծույթից: .
Cl-ի իոնների, այլ ոչ OH-ի ջրային լուծույթում հազվադեպությունը էլեկտրոլիտի բարձր կոնցենտրացիայով լուծույթներում բացատրվում է նաև թթվածնի գերլարմամբ: Սակայն այս գերլարումը բավարար չէ F իոնների արտանետման և ազատ ֆտորի արտազատման համար։
Գերլարման մեծության վրա ազդում են բազմաթիվ այլ կինետիկ գործոններ՝ էլեկտրոդներին մասնիկների փոխանցման արագությունը և էլեկտրոլիզի արտադրանքի հեռացումը, հիդրատի և լիցքաթափող իոնների այլ թաղանթների ոչնչացման գործընթացի արագությունը, ատոմների համակցման արագությունը: երկատոմային գազի մոլեկուլների մեջ և այլն:
Քիմիական խնդիրների լուծում
տեղյակ է Ֆարադեյի օրենքին
ավագ դպրոց
Հեղինակի զարգացում
Քիմիական տարբեր խնդիրների մեծ բազմազանության մեջ, ինչպես ցույց է տալիս դպրոցում դասավանդման պրակտիկան, ամենամեծ դժվարությունները ծագում են այն խնդիրների պատճառով, որոնց լուծման համար, բացի ամուր քիմիական գիտելիքներից, անհրաժեշտ է լավ տիրապետել նյութին: ֆիզիկայի դասընթացը։ Եվ չնայած յուրաքանչյուր միջնակարգ դպրոցից հեռու ուշադրություն է դարձնում առնվազն ամենապարզ խնդիրները լուծելու երկու դասընթացի գիտելիքները՝ քիմիա և ֆիզիկա, այս տիպի խնդիրներ երբեմն հանդիպում են. ընդունելության քննություններայն համալսարաններում, որտեղ քիմիան հիմնական առարկան է: Եվ հետևաբար, առանց դասարանում նման խնդիրների վերլուծության, ուսուցիչը կարող է ակամա զրկել իր աշակերտին քիմիական մասնագիտությամբ համալսարան ընդունվելու հնարավորությունից։
Այս հեղինակի մշակումը պարունակում է ավելի քան քսան առաջադրանքներ՝ այս կամ այն կերպ կապված «Էլեկտրոլիզ» թեմայի հետ։ Այս տիպի խնդիրներ լուծելու համար անհրաժեշտ է ոչ միայն լավ տիրապետել դպրոցական քիմիայի դասընթացի «Էլեկտրոլիզ» թեմային, այլ նաև իմանալ Ֆարադեյի օրենքը, որն ուսումնասիրվում է դպրոցական ֆիզիկայի կուրսում։
Միգուցե առաջադրանքների այս ընտրությունը կհետաքրքրի դասարանի բացարձակապես բոլոր ուսանողներին կամ հասանելի է բոլորին: Այնուամենայնիվ, այս տիպի առաջադրանքները խորհուրդ է տրվում վերլուծել հետաքրքրված ուսանողների խմբի հետ շրջանակում կամ ընտրովի դասարանում: Կարելի է վստահորեն նշել, որ այս տեսակի առաջադրանքները բարդ են և առնվազն բնորոշ չեն դպրոցական քիմիայի դասընթացին (խոսքը միջինի մասին է. հանրակրթական դպրոց), և, հետևաբար, այս տեսակի առաջադրանքները կարող են ապահով կերպով ներառվել դպրոցի կամ շրջանի տարբերակներում քիմիական օլիմպիադա 10-րդ կամ 11-րդ դասարանցիների համար.
Հասանելիություն մանրամասն լուծումյուրաքանչյուր առաջադրանքի համար զարգացումը դարձնում է արժեքավոր գործիք, հատկապես սկսնակ ուսուցիչների համար: Ուսանողների հետ ընտրովի դասի կամ շրջանագծի դասի մի քանի առաջադրանք վերլուծելով՝ ստեղծագործ աշխատող ուսուցիչը, անշուշտ, տանը կդնի նույն տիպի մի քանի առաջադրանքներ և կօգտագործի այս զարգացումը տնային առաջադրանքները ստուգելու գործընթացում, ինչը զգալիորեն կխնայի ուսուցչի արժեքավոր ժամանակը:
Խնդրի վերաբերյալ տեսական տեղեկատվություն
քիմիական ռեակցիաներԷլեկտրոլիտի լուծույթում կամ հալված էլեկտրոդների վրա էլեկտրական հոսանքի ազդեցությամբ հոսելը կոչվում է էլեկտրոլիզ։ Դիտարկենք մի օրինակ։
Մոտ 700 ° C ջերմաստիճանի բաժակի մեջ կա NaCl նատրիումի քլորիդի հալվածք, էլեկտրոդները ընկղմված են դրա մեջ: Նախքան հալոցքի միջով էլեկտրական հոսանք անցնելը, Na + և Cl- իոնները շարժվում են պատահականորեն, սակայն, երբ էլեկտրական հոսանք է կիրառվում, այս մասնիկների շարժումը կարգավորված է դառնում. Na + իոնները շտապում են դեպի բացասական լիցքավորված էլեկտրոդ, իսկ Cl-ի իոնները. դրական լիցքավորված էլեկտրոդին:
Եւ նաԼիցքավորված ատոմ կամ ատոմների խումբ, որն ունի լիցք:
Կատիոնդրական լիցքավորված իոն է։
Անիոնբացասական լիցքավորված իոն է։
Կաթոդ- բացասական լիցքավորված էլեկտրոդը (դրական լիցքավորված իոններ - կատիոններ) շարժվում է դեպի այն:
Անոդ- դրական լիցքավորված էլեկտրոդը (բացասական լիցքավորված իոններ - անիոններ) շարժվում է դեպի այն:
Նատրիումի քլորիդի հալման էլեկտրոլիզ պլատինե էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Ածխածնի էլեկտրոդների վրա նատրիումի քլորիդի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ
Ընդհանուր արձագանքը:
կամ մոլեկուլային ձևով.
Պղնձի (II) քլորիդի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզը ածխածնային էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Մետաղների ակտիվության էլեկտրաքիմիական շարքում պղինձը գտնվում է ջրածնի աջ կողմում, հետևաբար պղինձը կկրճատվի կաթոդում, իսկ քլորը կօքսիդանա անոդում։
Նատրիումի սուլֆատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ պլատինե էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Նմանապես, տեղի է ունենում կալիումի նիտրատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզը (պլատինե էլեկտրոդներ):
Ցինկի սուլֆատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ գրաֆիտի էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Երկաթի(III) նիտրատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ պլատինե էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Արծաթի նիտրատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ պլատինե էլեկտրոդների վրա
Ընդհանուր արձագանքը:
Պլատինի էլեկտրոդների վրա ալյումինի սուլֆատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ
Ընդհանուր արձագանքը:
Պղնձի սուլֆատի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզ պղնձի էլեկտրոդների վրա - էլեկտրաքիմիական զտում
Լուծույթում CuSO 4-ի կոնցենտրացիան մնում է հաստատուն, գործընթացը կրճատվում է մինչև անոդ նյութի կաթոդ տեղափոխումը: Սա էլեկտրաքիմիական զտման (մաքուր մետաղի ստացման) գործընթացի էությունն է։
Որոշակի աղի էլեկտրոլիզի սխեմաներ կազմելիս պետք է հիշել, որ.
- մետաղական կատիոնները, որոնք ունեն ավելի բարձր ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալ (SEP), քան ջրածինը (պղնձից մինչև ոսկի ներառյալ) էլեկտրոլիզի ընթացքում գրեթե ամբողջությամբ կրճատվում են կաթոդում.
- փոքր SEP արժեքներով մետաղական կատիոններ (լիթիումից մինչև ալյումին ներառյալ) կաթոդում չեն կրճատվում, փոխարենը ջրի մոլեկուլները վերածվում են ջրածնի.
- մետաղական կատիոնները, որոնցում SEC արժեքները ջրածնի արժեքից փոքր են, բայց ավելի մեծ են, քան ալյումինինը (ալյումինից ջրածին), ջրի հետ միաժամանակ կրճատվում են կաթոդում էլեկտրոլիզի ժամանակ.
- եթե ջրային լուծույթը պարունակում է տարբեր մետաղների կատիոնների խառնուրդ, օրինակ՝ Ag +, Cu 2+, Fe 2+, ապա այս խառնուրդում առաջինը կկրճատվի արծաթը, ապա պղինձը և վերջինը երկաթը.
- էլեկտրոլիզի ժամանակ չլուծվող անոդի վրա անիոնները կամ ջրի մոլեկուլները օքսիդանում են, իսկ S 2–, I –, Br – , Cl– անիոնները հեշտությամբ օքսիդանում են.
– եթե լուծույթը պարունակում է թթվածին պարունակող թթուների անիոններ, , , , ապա ջրի մոլեկուլները անոդում օքսիդացվում են թթվածնի.
- եթե անոդը լուծելի է, ապա էլեկտրոլիզի ժամանակ այն ինքնին ենթարկվում է օքսիդացման, այսինքն՝ էլեկտրոններ է ուղարկում արտաքին միացում. երբ էլեկտրոններն ազատվում են, էլեկտրոդի և լուծույթի միջև հավասարակշռությունը տեղաշարժվում է, և անոդը լուծվում է։
Եթե էլեկտրոդային պրոցեսների ամբողջ շարքից առանձնացնենք միայն ընդհանուր հավասարմանը համապատասխանող
Մ զ+ + զե=M,
ապա մենք ստանում ենք մետաղական լարվածության միջակայք. Ջրածինը նույնպես միշտ տեղադրվում է այս շարքում, ինչը հնարավորություն է տալիս տեսնել, թե որ մետաղներն են կարողանում ջրածինը տեղահանել թթուների ջրային լուծույթներից, իսկ որոնք՝ ոչ (աղյուսակ):
Աղյուսակ
Սթրեսային մետաղների մի շարք
| Հավասարումը էլեկտրոդ գործընթաց |
Ստանդարտ էլեկտրոդ ներուժը ժամը 25 °С, Վ |
Հավասարումը էլեկտրոդ գործընթաց |
Ստանդարտ էլեկտրոդ ներուժ 25 °C-ում, Վ |
|---|---|---|---|
| Li + + 1 ե= Li0 | –3,045 | Co2+ + 2 ե= Co0 | –0,277 |
| Rb + + 1 ե= Rb0 | –2,925 | Նի 2+ + 2 ե= Ni0 | –0,250 |
| K++1 ե= K0 | –2,925 | Sn 2+ + 2 ե= Sn0 | –0,136 |
| Cs + + 1 ե= Cs 0 | –2,923 | Pb 2+ + 2 ե= Pb 0 | –0,126 |
| Ca 2+ + 2 ե= Ca0 | –2,866 | Fe 3+ + 3 ե= Fe0 | –0,036 |
| Na + + 1 ե= Na 0 | –2,714 | 2H++2 ե=H2 | 0 |
| Mg 2+ + 2 ե=Mg0 | –2,363 | Bi 3+ + 3 ե= Bi0 | 0,215 |
| Ալ 3+ + 3 ե=Al0 | –1,662 | Cu 2+ + 2 ե= Cu 0 | 0,337 |
| Ti 2+ + 2 ե= Ti0 | –1,628 | Cu + +1 ե= Cu 0 | 0,521 |
| Mn 2+ + 2 ե=Mn0 | –1,180 | Hg 2 2+ + 2 ե= 2Hg0 | 0,788 |
| Cr 2+ + 2 ե=Cr0 | –0,913 | Ag + + 1 ե= Ag0 | 0,799 |
| Zn 2+ + 2 ե= Zn0 | –0,763 | Hg 2+ + 2 ե= Hg0 | 0,854 |
| Cr 3+ + 3 ե=Cr0 | –0,744 | Pt 2+ + 2 ե= Pt0 | 1,2 |
| Fe 2+ + 2 ե= Fe0 | –0,440 | Au 3+ + 3 ե= Au 0 | 1,498 |
| CD 2+ + 2 ե= CD 0 | –0,403 | Au++1 ե= Au 0 | 1,691 |
Ավելի պարզ ձևով մետաղական սթրեսների մի շարք կարելի է ներկայացնել հետևյալ կերպ.
Էլեկտրոլիզի խնդիրների մեծ մասը լուծելու համար պահանջվում է Ֆարադեյի օրենքի իմացություն, որի բանաձևի արտահայտությունը տրված է ստորև.
մ = Մ Ի տ/(զ Ֆ),
որտեղ մէլեկտրոդի վրա արձակված նյութի զանգվածն է, Ֆ- Ֆարադայի թիվը, հավասար է 96 485 Ա վ/մոլի կամ 26,8 Աժ/մոլի, Մ – մոլային զանգվածտարր, որը կրճատվում է էլեկտրոլիզի գործընթացում, տ- էլեկտրոլիզի գործընթացի ժամանակը (վայրկյաններով), Ի- ընթացիկ ուժ (ամպերով), զգործընթացում ներգրավված էլեկտրոնների թիվն է:
Առաջադրանքի պայմանները
1. Նիկելի ի՞նչ զանգված կթողնի նիկելի նիտրատի լուծույթի էլեկտրոլիզը 1 ժամ 20 Ա հոսանքի ժամանակ.
2. Ի՞նչ հոսանքի ուժգնությամբ է անհրաժեշտ իրականացնել արծաթի նիտրատի լուծույթի էլեկտրոլիզի գործընթացը 10 ժամվա ընթացքում 0,005 կգ մաքուր մետաղ ստանալու համար։
3. Պղնձի ի՞նչ զանգված կթողարկվի պղնձի (II) քլորիդային հալվածքի էլեկտրոլիզի ժամանակ 2 ժամ 50 Ա հոսանքի դեպքում.
4. Որքա՞ն ժամանակ է պահանջվում 120 Ա հոսանքի տակ ցինկի սուլֆատի ջրային լուծույթը էլեկտրոլիզացնելու համար, որպեսզի ստացվի 3,5 գ ցինկ:
5. Ի՞նչ զանգվածով երկաթ կթողարկվի երկաթի (III) սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզը 2 ժամ 200 Ա հոսանքի դեպքում.
6. Ի՞նչ հոսանքի ուժգնությամբ է անհրաժեշտ իրականացնել պղնձի (II) նիտրատի լուծույթի էլեկտրոլիզի գործընթացը 15 ժամվա ընթացքում 200 գ մաքուր մետաղ ստանալու համար։
7. Որքա՞ն ժամանակ է անհրաժեշտ 30 Ա հոսանքի տակ երկաթի (II) քլորիդի հալման էլեկտրոլիզի պրոցեսը 20 գ մաքուր երկաթ ստանալու համար։
8. Ի՞նչ հոսանքի ուժգնությամբ է անհրաժեշտ իրականացնել սնդիկի (II) նիտրատի լուծույթի էլեկտրոլիզի գործընթացը 1,5 ժամվա ընթացքում 0,5 կգ մաքուր մետաղ ստանալու համար։
9. Ի՞նչ հոսանքի ուժգնությամբ է անհրաժեշտ իրականացնել նատրիումի քլորիդի հալվածքի էլեկտրոլիզի պրոցեսը 1,5 ժամվա ընթացքում 100 գ մաքուր մետաղ ստանալու համար։
10. Կալիումի քլորիդի հալվածքը 2 ժամ էլեկտրոլիզի է ենթարկվել 5 Ա հոսանքի ժամանակ: Ստացված մետաղը արձագանքել է 2 կգ կշռող ջրի հետ: Ալկալային լուծույթի ի՞նչ կոնցենտրացիան է ստացվել այս դեպքում.
11.
Քանի՞ գրամ աղաթթվի 30% լուծույթ կպահանջվի երկաթի (III) սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզից ստացված երկաթի հետ ամբողջական փոխազդեցության համար 0,5 ժամ ընթացիկ ուժգնությամբ:
10 Ա?
12. 15 Ա հոսանքով 245 րոպե անցկացված ալյումինի քլորիդի հալվածքի էլեկտրոլիզի գործընթացում ստացվել է մաքուր ալյումին։ Քանի՞ գրամ երկաթ կարելի է ստանալ ալյումինջերմային մեթոդով, երբ ալյումինի տվյալ զանգվածը փոխազդում է երկաթի (III) օքսիդի հետ:
13. Քանի՞ միլիլիտր KOH-ի 12% լուծույթ՝ 1,111 գ/մլ խտությամբ, կպահանջվի ալյումինի հետ (կալիումի տետրահիդրօքսիալյումինատի ձևավորմամբ) արձագանքելու համար, որը ստացվում է ալյումինի սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզով 300 րոպե 25 Ա հոսանքի ժամանակ։ ?
14. Քանի՞ միլիլիտր ծծմբաթթվի 20% լուծույթ կպահանջվի 1,139 գ/մլ խտությամբ ցինկի հետ 100 րոպե 55 Ա հոսանքի դեպքում ցինկի սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզով ստացված ցինկի հետ փոխազդելու համար:
15. Ինչ ծավալի ազոտի օքսիդ (IV) (n.o.) կստացվի տաք խտանյութի ավելցուկի փոխազդեցությամբ. ազոտական թթուքրոմով, որը ստացվել է քրոմ(III) սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզով 100 րոպե 75 Ա հոսանքի ժամանակ.
16. Ի՞նչ ծավալի ազոտի օքսիդ (II) (n.o.) կստացվի ազոտական թթվի լուծույթի ավելցուկը պղնձի հետ 50 րոպե 10,5 Ա հոսանքի դեպքում պղնձի (II) քլորիդի հալոցի էլեկտրոլիզից ստացված պղնձի հետ փոխազդելով.
17. Որքա՞ն ժամանակ է անհրաժեշտ երկաթի (II) քլորիդի հալման էլեկտրոլիզը 30 Ա հոսանքի տակ, որպեսզի 100 գ աղաթթվի 30% լուծույթի հետ ամբողջական փոխազդեցության համար անհրաժեշտ երկաթը ստացվի:
18. Որքա՞ն ժամանակ է պահանջվում նիկելի նիտրատի լուծույթը էլեկտրոլիզացնելու համար 15 Ա հոսանքի տակ, որպեսզի ստացվի նիկել, որն անհրաժեշտ է 200 գ 35% ծծմբաթթվի լուծույթի հետ տաքացնելիս ամբողջական փոխազդեցության համար:
19. Նատրիումի քլորիդի հալոցքը էլեկտրոլիզվել է 20 Ա հոսանքով 30 րոպե, իսկ կալիումի քլորիդի հալոցքը էլեկտրոլիզվել է 80 րոպե 18 Ա հոսանքով։ Երկու մետաղներն էլ լուծվել են 1 կգ ջրի մեջ։ Ստացված լուծույթում գտե՛ք ալկալիների կոնցենտրացիան:
20.
Մագնեզիում, որը ստացվում է մագնեզիումի քլորիդի հալման էլեկտրոլիզից 200 րոպե ընթացիկ ուժգնությամբ
10 Ա, լուծված 1,5 լ 25% ծծմբաթթվի լուծույթում 1,178 գ/մլ խտությամբ: Ստացված լուծույթում գտե՛ք մագնեզիումի սուլֆատի կոնցենտրացիան։
21. Ցինկը ստացվում է ցինկի սուլֆատի լուծույթի էլեկտրոլիզից 100 րոպե ընթացիկ ուժգնությամբ
17 Ա, լուծվել է 1 լ 10% ծծմբաթթվի 1,066 գ/մլ խտությամբ լուծույթում։ Ստացված լուծույթում գտե՛ք ցինկի սուլֆատի կոնցենտրացիան։
22. Երկաթի (III) քլորիդի հալոցքի էլեկտրոլիզից ստացված երկաթը 70 րոպե 11 Ա հոսանքով փոշիացվել և ընկղմվել է 300 գ 18% պղնձի (II) սուլֆատի լուծույթի մեջ։ Գտեք նստվածքի պղնձի զանգվածը:
23.
Մագնեզիում, որը ստացվում է մագնեզիումի քլորիդի հալման էլեկտրոլիզից 90 րոպե ընթացիկ ուժգնությամբ
17 Ա, ընկղմվել են աղաթթվի ավելցուկի մեջ: Գտեք արձակված ջրածնի ծավալը և քանակը (n.o.s.):
24. Ալյումինի սուլֆատի լուծույթը 1 ժամ էլեկտրոլիզի է ենթարկվել 20 Ա հոսանքի ժամանակ: Քանի՞ գրամ աղաթթվի 15% լուծույթ կպահանջվի ստացված ալյումինի հետ ամբողջական փոխազդեցության համար:
25. Քանի՞ լիտր թթվածին և օդ (N.O.) կպահանջվի մագնեզիումի ամբողջական այրման համար, որը ստացվում է մագնեզիումի քլորիդի հալվածքի էլեկտրոլիզով 35 րոպե 22 Ա հոսանքի դեպքում:
Պատասխանների և լուծումների համար տե՛ս հետևյալ համարները
Պիրոմետալուրգիական մեթոդով ստացված կոմերցիոն մաքուր երկաթի (Armco տեսակի) կոմերցիոն սորտերը ունեն 99,75-99,85% մաքրություն։ Այս երկաթի մեջ պարունակվող հիմնականում ոչ մետաղական կեղտերի հետագա հեռացումը (C, O, S, P, N) հնարավոր է հատուկ վերահալման միջոցով բարձր վակուումում կամ չոր ջրածնի մթնոլորտում կռելու միջոցով: Սակայն նույնիսկ նման մշակումից հետո կեղտերի պարունակությունը հասնում է 2000-1500 մասի մեկ միլիոն մասի երկաթի, իսկ հիմնական կեղտերը C, P, S, Mn և O են։
ավելի շատ երկաթ բարձր աստիճանմաքրությունը ստացվում է էլեկտրոլիտիկ և քիմիական մեթոդներով, սակայն այն նաև պահանջում է լրացուցիչ համալիր մաքրում։
Էլեկտրոլիտիկ մեթոդներով երկաթը ստացվում է երկաթի քլորիդի կամ սուլֆատի չափավոր խտացված կամ խտացված լուծույթներից, համապատասխանաբար ցածր հոսանքի խտությամբ և սենյակային ջերմաստիճանում կամ բարձր խտություններև 100° կարգի ջերմաստիճան:
Մեթոդներից մեկի համաձայն երկաթը նստեցվել է հետևյալ բաղադրության՝ գ/լ լուծույթից՝ 45-60 Fe2+ (FeCl2-ի տեսքով), 5-10 BaCl2 և 15 NaHCOs։ Որպես անոդ օգտագործվել են Armco երկաթից կամ Ural տանիքի երկաթից պատրաստված թիթեղները, իսկ որպես կաթոդներ՝ մաքուր ալյումին։ Էլեկտրոլիզն իրականացվել է սենյակային ջերմաստիճանում և 0,1 Ա/դմ2 հոսանքի խտությամբ։ Ստացվել է կոպիտ բյուրեղային կառուցվածքով նստվածք, որը պարունակում է մոտ 0,01% C, ֆոսֆորի հետքեր և ծծումբ չպարունակող։
Էլեկտրոլիտային երկաթի մաքրությունը կախված է էլեկտրոլիտի մաքրությունից և անոդների մետաղի մաքրությունից: Տեղումների ժամանակ կարող են հեռացվել երկաթից ավելի ազնիվ կեղտեր, ինչպիսիք են անագը, ցինկը, պղինձը։ Նա ենթակա է նիկելի, կոբալտի, մանգանի հեռացմանը: Էլեկտրոլիտիկ երկաթի կեղտերի ընդհանուր պարունակությունը մոտավորապես նույնն է, ինչ կոմերցիոն մաքուր երկաթում: Այն սովորաբար պարունակում է զգալի քանակությամբ թթվածին (մինչև 0,1-0,2%), ինչպես նաև ծծումբ (0,015-0,05%), եթե տեղումներն իրականացվել են սուլֆատային բաղնիքներից։
Էլեկտրոլիտիկ երկաթից թթվածնի հեռացումն իրականացվում է ռեդուկցիոն գործընթացներով՝ հեղուկ կամ պինդ մետաղի մշակում ջրածնով կամ հալվածքի դեօքսիդացում վակուումում ածխածնով։ Չոր ջրածնի հոսքի մեջ 900-1400°C ջերմաստիճանում եփելը նվազեցնում է թթվածնի պարունակությունը մինչև 0,003%:
Կիսաարդյունաբերական մասշտաբով բարձր մաքրության երկաթ ստանալու համար վակուումային հալեցման գործարանում օգտագործվում է ջրածնի նվազեցման մեթոդ։ Էլեկտրոլիտիկ երկաթը սկզբում ենթարկվում է ծծմբազրկման մանգանային հավելումով կրաքարի և ֆտորսպինի խառնարանում՝ ածխածնի մոնօքսիդի մթնոլորտում (ծծմբի պարունակությունը նվազել է 0,01-ից մինչև 0,004%), այնուհետև հալոցքը կրճատվում է ջրածնի հետ՝ փչելով կամ փչելով ալյումինի խառնարանում։ օքսիդ. Այս դեպքում հնարավոր է եղել թթվածնի պարունակությունը նվազեցնել մինչև 0,004-0,001%: Մետաղների ծծմբազերծումը կարող է իրականացվել նաև բարձր վակուումում՝ օգտագործելով հավելումներ այնպիսի մետաղների (անագ, անտիմոն, բիսմուտ) հալման մեջ, որոնք առաջացնում են ցնդող սուլֆիդներ։ Բարձր վակուումային վառարաններում հալոցքը ածխածնով օքսիդազերծելով՝ հնարավոր է երկաթ ստանալ յուրաքանչյուրում մինչև 0,002% թթվածնի և ածխածնի պարունակությամբ։
Ավելի ցածր թթվածնի պարունակությամբ երկաթ ստանալը բարձր վակուումում դօքսիդացման միջոցով խոչընդոտում է մետաղի փոխազդեցությունը խառնարանի նյութի հետ, որն ուղեկցվում է թթվածնի անցումով մետաղի մեջ։ լավագույն նյութըԹթվածնի նվազագույն փոխանցումը ապահովող կարասներն են՝ ZrO2 և ThO2:
Բարձր մաքրության երկաթը ստացվում է նաև կարբոնիլային մեթոդով պենտակարբոնիլ Fe (CO) 5-ից՝ 200-300 °-ում դրա տարրալուծմամբ։ Կարբոնիլ երկաթը սովորաբար չի պարունակում երկաթի հետ կապված կեղտեր՝ ծծումբ, ֆոսֆոր, պղինձ, մանգան, նիկել, կոբալտ, քրոմ, մոլիբդեն, ցինկ, սիլիցիում: Դրանում պարունակվող հատուկ կեղտեր են ածխածինը և թթվածինը: Թթվածնի առկայությունը պայմանավորված է առաջացած ածխաթթու գազի և երկաթի միջև երկրորդական ռեակցիաներով: Ածխածնի պարունակությունը հասնում է 1%-ի; այն կարող է կրճատվել մինչև 0,03%՝ երկաթի կարբոնիլ գոլորշու մեջ ավելացնելով փոքր քանակությամբ ամոնիակ կամ ջրածնի մեջ երկաթի փոշի մշակելով: Ածխածնի և թթվածնի հեռացումը կատարվում է վակուումային հալման նույն մեթոդներով, որոնք օգտագործվում են էլեկտրոլիտիկ երկաթի համար:
Ամենամաքուր երկաթը կարելի է ձեռք բերել քիմիական ճանապարհով, սակայն այս մեթոդը շատ բարդ է և թույլ է տալիս մետաղ ստանալ փոքր քանակությամբ։ AT քիմիական մեթոդներվերաբյուրեղացում, տեղումների ռեակցիաներ կամ տեղումների միջոցով կեղտերի արդյունահանում օգտագործվում են երկաթի աղերը Co, Ni, Cu, Cr, Mn կեղտերից մաքրելու համար:
Մեկը քիմիական մեթոդներ, որը թույլ է տալիս ստանալ մաքրության շատ բարձր աստիճանի երկաթ (մեկ միլիոն կեղտերի 30-60 մասից պակաս), ներառում է հետևյալ հաջորդական փուլերը.
1) 6-ն HCl լուծույթից եթերով FeCl3 համալիրի արդյունահանումը ջրային լուծույթի վերածնմամբ և եթերի հետագա արդյունահանմամբ.
2) բարձր մաքրության երկաթով FeCls-ի նվազեցումը FeCl2-ի.
3) FeCl2-ի լրացուցիչ մաքրում պղնձից՝ մշակելով ծծմբային ռեագենտով, այնուհետև եթերով.
4) մետաղի էլեկտրոլիտային նստեցում FeCl2 լուծույթից.
5) մետաղական հատիկների կռում ջրածնում (թթվածինը և ածխածինը հեռացնելու համար).
6) կոմպակտ երկաթի ստացում փոշու մետալուրգիայով (ձուլակտորների մեջ սեղմելով և ջրածնի մեջ սինթեզում).
Վերջին փուլը կարող է իրականացվել անխառնարանային գոտու հալման միջոցով, որը վերացնում է վակուումային մշակման թերությունը՝ թթվածնի փոխանցումը կարասից դեպի մետաղ։
14.06.2019
Vanguard-ից կցամասերի ճկման մեքենա: Գործարկման սկզբունքը, նախագծման առանձնահատկությունները և կռելու հարմարանքների, հավաքների, ապարատների և այլ սարքավորումների ընդհանուր տվյալները ...
14.06.2019
Խոհանոցի տարածքում լվացարանը փոխարինելիս՝ ծորակի, լոգարանի, պատուհանների և դռների տեղադրման ժամանակ, նախատեսվում է հերմետիկների օգտագործում։ Սրանք հատուկ կոմպոզիտային նյութեր են, ...
13.06.2019
Սփրեյ կրպակի հիմնական նպատակը որակյալ և միատեսակ ներկումն է։ փոխադրամիջոց. Իհարկե, այս մեթոդը չի կարելի անվանել ...
13.06.2019
«Ալմալիկ» լեռնահանքային մետալուրգիական ձեռնարկությունը սկսել է երկաթուղու կառուցմանն ուղղված ծրագրի երկրորդ փուլի իրականացումը...
13.06.2019
Պտտումը արտադրանքի վերամշակման տեսակներից մեկն է, որի ընթացքում ստանդարտ մետաղական բլանկը վերածվում է ցանկալի կառուցվածքային տարրի: Կատարման համար...
13.06.2019
Տարիների ընթացքում այս աշխարհում նկատելի միտում է նկատվել մետաղական կոնստրուկցիաների արտադրությունն ավելացնելու ուղղությամբ։ Նման օբյեկտների զգալի պահանջարկը կապված է դրանց առավելությունների հետ ...
12.06.2019
Բրազիլական Vale կորպորացիան հայտարարել է, որ նախատեսում է մեկ միլիարդ ինը հարյուր միլիոն ԱՄՆ դոլար հատկացնել հանելու և մեծացնելու...
12.06.2019
Տեռասը, կամ ինչպես մարդիկ սիրում են այն անվանել՝ պատշգամբը, այսօր ցանկացած ամառանոցի ամենակարեւոր հատկանիշն է։ Քչերը կվիճեն այն փաստի հետ, որ նա հիանալի ...
12.06.2019
Այս պահին չժանգոտվող պողպատից պատրաստված արտադրանքը պատրաստ է սպառողներին առաջարկել մեծ քանակությամբ ապրանքներ՝ չժանգոտվող կցամասեր, անկյուններ, վեցանկյուններ,...
Երկաթի (կարդացեք չուգուն և պողպատ) արտադրությունը էլեկտրոլիզի և ոչ թե սովորական ձուլման միջոցով կարող է կանխել միլիարդ տոննա արտանետումը ածխաթթու գազամեն տարի մթնոլորտում: Այսպես է ասում Դոնալդ Սադոուեյը Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտից (MIT), ով մշակել և փորձարկել է երկաթի արտադրության «կանաչ» միջոց՝ դրա օքսիդների էլեկտրոլիզով:
Եթե լաբորատոր պայմաններում ցուցադրված գործընթացը կարող է ընդլայնվել, ապա դա կարող է վերացնել սովորական ձուլման անհրաժեշտությունը, որը մթնոլորտ է արտազատում գրեթե մեկ տոննա ածխաթթու գազ՝ արտադրված պողպատի յուրաքանչյուր տոննայի դիմաց:
Սովորական տեխնոլոգիայի մեջ երկաթի հանքաքարը համակցվում է կոքսի հետ։ Կոքսը փոխազդում է երկաթի հետ՝ առաջացնելով CO2 և ածխածնի երկօքսիդ, և թողնելով երկաթի և ածխածնի համաձուլվածք՝ չուգուն, որն այնուհետև կարող է հալվել պողպատի:
Sadoway մեթոդով երկաթի հանքաքարը 1600 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում խառնում են լուծիչի` սիլիցիումի երկօքսիդի և բաց կրաքարի հետ, և այս խառնուրդով անցնում է էլեկտրական հոսանք:
Բացասական լիցքավորված թթվածնի իոնները գաղթում են դեպի դրական լիցքավորված անոդ, որտեղից թթվածինը դուրս է գալիս: Դրական լիցքավորված երկաթի իոնները գաղթում են դեպի բացասական լիցքավորված կաթոդ, որտեղ դրանք վերածվում են երկաթի, որը հավաքվում է բջջի հիմքում և դուրս մղվում։
Նմանատիպ գործընթաց օգտագործվում է ալյումինի արտադրության մեջ (և պահանջում է պատշաճ քանակությամբ էլեկտրաէներգիա), որի օքսիդն այնքան կայուն է, որ այն իրականում չի կարող կրճատվել ածխածնի հետ պայթեցման վառարանում, որտեղ, օրինակ, արտադրվում է խոզի երկաթ։ . Եվ պարզ է, որ պողպատի արդյունաբերությունը երբեք որևէ պատճառ չի ունեցել անցնելու երկաթի հանքաքարի էլեկտրոլիզին, քանի որ այն հեշտությամբ կրճատվում է ածխածնի միջոցով:
Բայց եթե կառավարությունները տարբեր երկրներսկսում են ծանր հարկեր սահմանել ջերմոցային գազերի արտանետումների վրա՝ մասնավորապես ածխաթթու գազի, այնուհետև խոզի երկաթի արտադրության նոր մեթոդը կարող է ավելի գրավիչ դառնալ։ Ճիշտ է, նման լաբորատոր կայանքներից մինչև արդյունաբերական կայանքները, գիտնականների գնահատմամբ, 10-15 տարի կպահանջվի։
Աշխատության հեղինակն ասում է, որ ամենամեծ խոչընդոտը անոդի համար գործնական նյութ գտնելն է։ Փորձերում նա օգտագործել է գրաֆիտից պատրաստված անոդ։ Բայց, ցավոք, ածխածինը փոխազդում է թթվածնի հետ՝ օդի մեջ արտանետելով նույնքան ածխաթթու գազ, որքան սովորական երկաթի ձուլումը:
Իդեալական պլատինե անոդները, օրինակ, չափազանց թանկ են լայնածավալ արտադրության համար: Բայց կարող է լինել ելք՝ որոշ դիմացկուն մետաղական համաձուլվածքների ընտրության մեջ, որոնք իրենց արտաքին մակերևույթի վրա օքսիդ թաղանթ են կազմում, բայց դեռ էլեկտրականություն են հաղորդում: Կարող է օգտագործվել նաև հաղորդիչ կերամիկա:
Մեկ այլ խնդիր այն է նոր գործընթացօգտագործում է շատ էլեկտրաէներգիա՝ արտադրված երկաթի մեկ տոննայի դիմաց մոտ 2 հազար կվտ/ժամ։ Այսպիսով, երկաթի արտադրության նոր եղանակի տնտեսական և նույնիսկ էկոլոգիական իմաստը կհայտնվի միայն այն պայմանով, որ այդ էլեկտրաէներգիան կստեղծվի ինչ-որ էկոլոգիական, և միևնույն ժամանակ էժան եղանակով, առանց ածխաթթու գազի արտանետումների։ Սա խոստովանում է հենց ինքը՝ մեթոդի հեղինակը։
