Электрохимические производства

3.4.2 Электрохимические производства

Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) — анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода — процесс окисления.

А (+): nA^n- - ne^- → nA^p-

K (-): nBⁿ⁺ + ne^- → nB^p+

Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их,— окислителем.

Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе тока I, времени электролиза t и электрохимическому эквиваленту этого вещества Э_Э

Масса вещества вычисляется по формуле

 (1.3.1)

где, I - сила тока, F – постоянная Фарадея (96500 Кл)

 (г-экв) (1.3.2)

Mr – относительная молекулярная масса вещества,

n – заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).

Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:

 (1.3.3)

Масса m_теор находится по формуле

 (1.3.4)

Выход по энергии определяется по уравнению

 (1.3.5)

где, Е_теор и Е_пр – теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; η - выход по энергии,%.

Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:

 (1.3.6)

где w_теор и w_пр – количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.

 (1.3.7)

где 1000 – коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;

1*10^-6 – число, используемое для перевода граммов в тонны.

Теоретический расход электроэнергии находится по отношению

 (1.3.8)

где φ_разл – напряжение разложения.

Примеры решения задач

1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?

Решение:

В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа⁺ и ОН. Окисляющиеся у анода ионы ОН в следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:

К(-): 2Na⁺ + 2е^- = 2Na;

А(+): 2ОН - 2e^- = Н₂О + О₂

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О₂. Таким образом, суммарное уравнение

4NаОН = 4Na + 2Н₂О + О₂

При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.

Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода — электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита — растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na⁺ или К^-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:

2H+OH+ 2е^- = Н₂↑ + 2ОН

Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОН из воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:

4Н₂О — 4е^- = 4Н⁺ + 4ОН

4ОН^- 2Н₂О+О₂

Складывая оба уравнения, получаем:

2Н₂О — 4е^- = 4H⁺ + O₂

2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH 125 кг/м^3.

Решение:

По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить

практически было получено

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен

Ответ: выход по току 94,6%.

3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.

Решение:

Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17В, теоретический расход энергии на 1т хлора составит

В этом случае выход по энергии

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч

Задачи для самостоятельного решения

1. Один из способов промышленного получения кальция – электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?

2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30000 А, было получено 8,5 м³ электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м^3. рассчитать выход по току (для щелочи)

3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%

4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.

5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.

6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl₂ и 0,2 моль CuCl₂ и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?

7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении

755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.

8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.

9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м³ водорода и 0,5 м³ кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 – 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.

10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl₂ и FeCl₃, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.

Похожие работы

Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов

Скачать

100324

28

38

... принципа приближения и термодинамической обратимости к экстрактивной ректификации, с одной стороны, и выявить области оптимальности схем экстрактивной ректификации, с другой стороны. Постановка задачи Целью данной работы является разработка технологии разделения азеотропной смеси циклогексан – бензол – этилбензол методом экстрактивной ректификации, обладающей минимальными энергозатратами. Для ...

Использование моделирования в обучении решению задач в 5 классе

Скачать

63891

8

0

... , таблица). Метод моделирования позволяет активизировать познавательную деятельность учащихся на уроке.   2.2. Опытно – экспериментальная работа. Анализ ее результатов Изучив теоретические положения по использованию моделирования при решении задач в 5 классе, у автора возникло желание и интерес реализовать это на практике. Для того чтобы доказать или опровергнуть предположение, что ...

Педагогическая технология развития у учащихся направленности на диалогическое общение при групповой форме обучения на уроках физики при изучении темы "Основы электродинамики" в средней школе

Скачать

128127

10

22

... и дидактические основы организации обучения позволяют более доступно объяснять изучаемый материал на уроках физики при изучении темы «Основы электродинамики». Анализ различных технологий позволил составить авторскую технологию развития у учащихся направленности на диалогическое общение при групповой форме обучения. От того, на сколько правильно будет построен процесс обучения при использовании ...

Принцип межпредметных связей при решении химических задач. Разбор основных способов решения расчетных задач

Скачать

35798

0

3

... групп – в виде краткого отчета о проделанной работе (демонстрация рисунков, таблиц). Далее идет обсуждение выступлений; учитель продумывает со своими коллегами трудовое задание [1]. 1.1 Межпредметные связи при решении расчетных задач К изучению математики учащиеся средней школы приступают на 7 лет раньше, чем к изучению химии. За этот период обучения они приобретают значительный объем ...