Ηλεκτρόλυση. Παραδείγματα υπολογισμού

Η ηλεκτρόλυση είναι η αποσύνθεση ενός ηλεκτρολύτη (διάλυμα αλάτων, οξέων, βάσεων) μέσω ηλεκτρικού ρεύματος.

Η ηλεκτρόλυση μπορεί να γίνει μόνο με συνεχές ρεύμα. Κατά την ηλεκτρόλυση, το υδρογόνο ή το μέταλλο που περιέχεται στο άλας απελευθερώνεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Εάν το θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) είναι κατασκευασμένο από μέταλλο (συνήθως το ίδιο όπως στο αλάτι), τότε το θετικό ηλεκτρόδιο διαλύεται κατά την ηλεκτρόλυση. Εάν η άνοδος είναι αδιάλυτη (π.χ. άνθρακας), τότε η περιεκτικότητα σε μέταλλο του ηλεκτρολύτη μειώνεται κατά την ηλεκτρόλυση.

Η ποσότητα της ουσίας που απελευθερώνεται κατά την ηλεκτρόλυση στην κάθοδο είναι ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που έχει περάσει από τον ηλεκτρολύτη.

Η ποσότητα της ουσίας που απελευθερώνεται από ένα coulomb ηλεκτρικής ενέργειας ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμο του A, επομένως G = A • Q; G = A • I • t,

όπου G είναι η ποσότητα της απομονωμένης ουσίας. Q είναι η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. I — ηλεκτρικό ρεύμα. είναι χρόνος.

Κάθε μέταλλο έχει το ηλεκτροχημικό του ισοδύναμο Α.

Παραδείγματα υπολογισμού

1. Πόσος χαλκός θα απελευθερωθεί από το θειικό χαλκό (CuSO4) (Εικ. 1) με ρεύμα I = 10 A για 30 λεπτά.Ηλεκτροχημικό ισοδύναμο χαλκού A = 0,329 mg / A • sec.

Ρύζι. 1. Σχέδιο για παράδειγμα 1

G = A • I • t = 0,329 • 10 • 30 • 60 = 5922 mg = 5,922 g.

Ένα αντικείμενο που αιωρείται στην κάθοδο θα απελευθερώσει 5,9 g καθαρού χαλκού.

2. Επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος σε ηλεκτρολυτική επίστρωση χαλκού • = 0,4 A / dm2. Το εμβαδόν της καθόδου που θα καλυφθεί με χαλκό είναι S = 2,5 dm2. Τι ρεύμα απαιτείται για την ηλεκτρόλυση και πόσο χαλκός απελευθερώνεται στην κάθοδο σε 1 ώρα (Εικ. 2).

Ρύζι. 2. Σχέδιο για παράδειγμα 2

I = •• S = 0,4-2,5 = l A; G = A • Q = A • I • t = 0,329 • 1 • 60 • 60 = 1184,4 mg.

3. Το οξειδωμένο νερό (για παράδειγμα, ένα ασθενές διάλυμα θειικού οξέος H2SO4) κατά την ηλεκτρόλυση αποσυντίθεται σε υδρογόνο και οξυγόνο. Τα ηλεκτρόδια μπορεί να είναι άνθρακας, κασσίτερος, χαλκός κ.λπ., αλλά η πλατίνα είναι η καλύτερη. Πόσο οξυγόνο θα απελευθερωθεί στην άνοδο και πόσο υδρογόνο θα απελευθερωθεί στην κάθοδο σε 1/4 ώρα με ρεύμα 1,5 A. Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας 1 A sec απελευθερώνει 0,058 cm3 οξυγόνο και 0,116 cm3 υδρογόνο (Εικ. . 3).

Ρύζι. 3. Σχέδιο για παράδειγμα 3

Ga = A • I • t = 0,058 • 1,5 • 15 • 60 = 78,3 cm3 οξυγόνου θα απελευθερωθούν στην κάθοδο.

Gc = A • I • t = 0,1162 • 1,5 • 15 • 60 = 156,8 cm3 υδρογόνου θα απελευθερωθούν στην άνοδο.

Ένα μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου σε αυτή την αναλογία ονομάζεται εκρηκτικό αέριο, το οποίο, όταν αναφλέγεται, εκρήγνυται, σχηματίζοντας νερό.

4. Οξυγόνο και υδρογόνο για εργαστηριακά πειράματα λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ηλεκτρόλυση νερού (οξειδωμένο θειικό οξύ) (Εικ. 4). Τα ηλεκτρόδια πλατίνας συγκολλούνται στο γυαλί. Χρησιμοποιώντας την αντίσταση, ορίζουμε το ρεύμα I = 0,5 A. (Μια μπαταρία τριών ξηρών κυψελών των 1,9 V χρησιμοποιείται ως πηγή ρεύματος) Πόσο υδρογόνο και οξυγόνο θα απελευθερωθεί μετά από 30 λεπτά.

Ρύζι. 4… Εικόνα 4 για παράδειγμα

Στο δεξί δοχείο θα απελευθερωθεί Gc = A • I • t = 0,1162 • 0,5 • 30 • 60 = 104,58 cm3 υδρογόνου.

Στο αριστερό δοχείο θα εκλυθούν Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 οξυγόνου (τα αέρια εκτοπίζουν το νερό στο μεσαίο δοχείο).

5. Το μπλοκ μετατροπέα (κινητήρας-γεννήτρια) παρέχει ρεύμα για τη λήψη ηλεκτρολυτικού (καθαρού) χαλκού. Σε 8 ώρες θα πρέπει να πάρετε 20 κιλά μέλι. Τι ρεύμα πρέπει να παρέχει η γεννήτρια; • Το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο του χαλκού είναι A = 0,329 mg / A • sec.

Αφού G = A • I • t, ​​τότε I = G / (A • t) = 20.000.000 / (0,329 • 8 • 3600) = 20.000.000 / 9475,2 = 2110,7 A.

6. Είναι απαραίτητο να χρωμιωθούν 200 προβολείς, εκ των οποίων απαιτούνται 3 g χρωμίου για τον καθένα. Τι ρεύμα απαιτείται για να γίνει αυτή η εργασία σε 10 ώρες (ηλεκτροχημικό ισοδύναμο χρωμίου Α = 0,18 mg / A • sec).

I = G / (A • t) = (200 • 3 • 1000) / (0,18 • 10 • 3600) = 92,6 A.

7. Το αλουμίνιο λαμβάνεται με ηλεκτρόλυση διαλύματος αργίλου καολίνη και κρυόλιθου σε λουτρά με τάση λειτουργίας του λουτρού 7 V και ρεύμα 5000 A. Οι άνοδοι είναι από άνθρακα, και το λουτρό από χάλυβα με άνθρακα μπλοκ (Εικ. 5).

Ρύζι. 5 Εικόνα 5 για παράδειγμα

Τα λουτρά παραγωγής αλουμινίου συνδέονται σε σειρά για να αυξήσουν την τάση εργασίας (για παράδειγμα, 40 λουτρά). Για την παραγωγή 1 kg αλουμινίου απαιτούνται περίπου 0,7 kg ανόδους άνθρακα και 25-30 kWh ηλεκτρικής ενέργειας. Με βάση τα δεδομένα που δίνονται, προσδιορίστε την ισχύ της γεννήτριας, την κατανάλωση ενέργειας για 10 ώρες λειτουργίας και το βάρος του αλουμινίου που προκύπτει.

Ισχύς της γεννήτριας κατά την εργασία σε 40 λουτρά P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.

Ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώθηκε για 10 ώρες, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.

Η ποσότητα αλουμινίου που λαμβάνεται G = 14000:25 = 560 kg.

Με βάση το θεωρητικό ηλεκτροχημικό ισοδύναμο, η ποσότητα αλουμινίου που λαμβάνεται πρέπει να είναι ίση με:

GT = A • I • t = 0,093 • 5000 • 40 • 10 • 3600 = 0,093 • 720.000.000 mg = 669,6 kg.

Η απόδοση της ηλεκτρολυτικής εγκατάστασης είναι ίση με: Απόδοση = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83%.