อิเล็กโทรไลซิสคืออะไรและใช้ที่ไหน?

คำถามเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลซิสที่พิจารณาในหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียนและสำหรับคนส่วนใหญ่ก็ไม่ใช่ความลับ อีกประการหนึ่งคือความสำคัญและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ กระบวนการนี้ใช้ให้เกิดประโยชน์อย่างมากในอุตสาหกรรมต่างๆ และเป็นประโยชน์สำหรับช่างฝีมือประจำบ้าน

อิเล็กโทรไลซิสคืออะไร?

อิเล็กโทรไลซิสเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนของระบบอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์เมื่อกระแสไฟฟ้าตรงไหลผ่าน กลไกของมันขึ้นอยู่กับการเกิดขึ้นของกระแสไอออนิก อิเล็กโทรไลต์เป็นตัวนำชนิดที่ 2 (การนำไอออนิก) ซึ่งเกิดการแยกตัวด้วยไฟฟ้า มีความเกี่ยวข้องกับการสลายตัวเป็นไอออนบวก (ไอออนบวก) และค่าลบ (ประจุลบ) ค่าใช้จ่าย.

ระบบอิเล็กโทรไลซิสจำเป็นต้องมีค่าบวก (ขั้วบวก) และค่าลบ (แคโทด) อิเล็กโทรด เมื่อใช้กระแสไฟฟ้าตรง ไอออนบวกจะเริ่มเคลื่อนเข้าหาแคโทด และประจุลบจะเคลื่อนเข้าหาแอโนด ไอออนบวกส่วนใหญ่เป็นไอออนของโลหะและไฮโดรเจน และแอนไอออนคือออกซิเจน คลอรีน ที่แคโทด ไอออนบวกจะยึดอิเล็กตรอนส่วนเกินเข้ากับตัวมันเอง ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยารีดักชัน Men+ + ne → Me (โดยที่ n คือความจุของโลหะ). ในทางกลับกัน ที่ขั้วบวก อิเล็กตรอนจะถูกบริจาคจากประจุลบโดยเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน

ดังนั้นจึงมีกระบวนการรีดอกซ์ไว้ในระบบ สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าสำหรับการไหลของมันจำเป็นต้องมีพลังงานที่เหมาะสม จะต้องมาจากแหล่งกระแสภายนอก

กฎอิเล็กโทรไลซิสของฟาราเดย์

นักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ M. Faraday ด้วยการวิจัยของเขา ทำให้ไม่เพียงแต่จะเข้าใจธรรมชาติของอิเล็กโทรไลซิสเท่านั้น แต่ยังทำการคำนวณที่จำเป็นสำหรับการนำไปใช้ด้วย ในปี ค.ศ. 1832 กฎหมายของเขาปรากฏขึ้นโดยเชื่อมโยงพารามิเตอร์หลักของกระบวนการต่อเนื่อง

กฎข้อที่หนึ่ง

กฎข้อแรกของฟาราเดย์ระบุว่ามวลของสารที่ลดลงที่ขั้วบวกเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในอิเล็กโทรไลต์: m = kq = k*I*t โดยที่ q คือประจุ k คือค่าสัมประสิทธิ์หรือเทียบเท่าทางไฟฟ้าเคมี ของสาร I คือความแรงของกระแสที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์ t คือเวลาผ่านปัจจุบัน

กฎข้อที่สอง

กฎข้อที่สองของฟาราเดย์ทำให้สามารถกำหนดสัมประสิทธิ์ของสัดส่วน k ได้ ฟังดูเหมือนดังนี้: ค่าเทียบเท่าไฟฟ้าเคมีของสารใดๆ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลโมลาร์และแปรผกผันกับวาเลนซี กฎหมายแสดงเป็น:

k = 1/F*A/zโดยที่ F คือค่าคงที่ฟาราเดย์ A คือมวลโมลาร์ของสาร z คือความจุทางเคมี

เมื่อพิจารณาจากกฎทั้งสองข้อแล้ว เป็นไปได้ที่จะได้สูตรสุดท้ายสำหรับการคำนวณมวลที่สะสมบนอิเล็กโทรดของสาร: ม. = A*I*t/(n*F)โดยที่ n คือจำนวนอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรไลซิส โดยปกติ n จะสอดคล้องกับประจุของไอออน จากมุมมองเชิงปฏิบัติ การเชื่อมต่อระหว่างมวลของสารกับกระแสที่ใช้มีความสำคัญ ซึ่งทำให้สามารถควบคุมกระบวนการได้โดยการเปลี่ยนความแรงของสาร

อิเล็กโทรลิซิสละลาย

ทางเลือกหนึ่งสำหรับอิเล็กโทรไลซิสคือการใช้สารหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ ในกรณีนี้ มีเพียงไอออนที่หลอมละลายเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ตัวอย่างคลาสสิกคืออิเล็กโทรไลซิสของเกลือหลอมเหลว NaCl (เกลือ). ไอออนลบพุ่งไปที่แอโนดซึ่งหมายความว่าก๊าซถูกปล่อยออกมา (Cl). การลดโลหะจะเกิดขึ้นที่ขั้วลบ กล่าวคือ การสะสมของ Na บริสุทธิ์ที่เกิดจากไอออนบวกที่ดึงดูดอิเล็กตรอนส่วนเกิน สามารถหาโลหะอื่นได้เช่นเดียวกัน (K, Ca, Li ฯลฯ) จากการสังหารหมู่ของเกลือที่สอดคล้องกัน

ในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสในการหลอม อิเล็กโทรดจะไม่เกิดการละลาย แต่จะเข้าร่วมเป็นแหล่งกระแสเท่านั้น ในการผลิต คุณสามารถใช้โลหะ กราไฟท์ เซมิคอนดักเตอร์บางชนิด สิ่งสำคัญคือวัสดุต้องมีค่าการนำไฟฟ้าเพียงพอ วัสดุที่พบมากที่สุดชนิดหนึ่งคือทองแดง

คุณสมบัติของอิเล็กโทรไลซิสในสารละลาย

อิเล็กโทรไลซิสในสารละลายในน้ำมีความแตกต่างอย่างมากจากการหลอมเหลว สามกระบวนการที่แข่งขันกันเกิดขึ้นที่นี่: การเกิดออกซิเดชันในน้ำที่มีวิวัฒนาการของออกซิเจน การเกิดออกซิเดชันของแอนไอออน และการละลายแบบขั้วบวกของโลหะ ไอออนของน้ำ อิเล็กโทรไลต์ และแอโนดมีส่วนเกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ดังนั้น การลดลงของไฮโดรเจน อิเล็กโทรไลต์ไอออนบวก และโลหะแอโนดสามารถเกิดขึ้นได้ที่แคโทด

ความเป็นไปได้ของกระบวนการแข่งขันเหล่านี้จะเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับขนาดของศักย์ไฟฟ้าของระบบ เฉพาะกระบวนการที่ใช้พลังงานภายนอกน้อยเท่านั้นจึงจะดำเนินต่อไป ดังนั้นไอออนบวกที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงสุดจะลดลงที่ขั้วลบ และประจุลบที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำที่สุดจะถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก ศักย์ไฟฟ้าของไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับ "0" ตัวอย่างเช่น สำหรับโพแทสเซียม มันคือ (-2.93V), โซเดียม - (-2.71V), ตะกั่ว (-0.13V) ในขณะที่เงินมี (+0.8 V).

อิเล็กโทรไลซิสในก๊าซ

แก๊สสามารถทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ได้เมื่อมีไอออไนเซอร์เท่านั้น ในกรณีนี้ กระแสที่ไหลผ่านตัวกลางที่แตกตัวเป็นไอออนทำให้เกิดกระบวนการที่จำเป็นบนอิเล็กโทรด อย่างไรก็ตาม กฎของฟาราเดย์ใช้ไม่ได้กับการแยกก๊าซด้วยไฟฟ้า สำหรับการดำเนินการจำเป็นต้องมีเงื่อนไขต่อไปนี้:

1. หากไม่มีไอออไนซ์ของก๊าซเทียม ไฟฟ้าแรงสูงหรือกระแสไฟสูงจะไม่ช่วย
2. เฉพาะกรดที่ไม่มีออกซิเจนและอยู่ในสถานะก๊าซ และก๊าซบางชนิดเหมาะสำหรับการอิเล็กโทรไลซิส

สำคัญ! เมื่อตรงตามเงื่อนไขที่จำเป็น กระบวนการจะดำเนินการคล้ายกับอิเล็กโทรไลซิสในอิเล็กโทรไลต์เหลว

คุณสมบัติของกระบวนการที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนด

สำหรับการประยุกต์ใช้อิเล็กโทรลิซิสในทางปฏิบัติ สิ่งสำคัญคือต้องทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นที่อิเล็กโทรดทั้งสองเมื่อใช้กระแสไฟฟ้า กระบวนการทั่วไปคือ:

1. แคโทด. ไอออนที่มีประจุบวกพุ่งเข้าหามัน ที่นี่การลดลงของโลหะหรือการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนเกิดขึ้น โลหะมีหลายประเภทตามกิจกรรมของประจุบวกโลหะเช่น Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al จะลดลงอย่างดีจากเกลือหลอมเหลวเท่านั้น หากใช้สารละลายไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาเนื่องจากการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ เป็นไปได้ที่จะทำให้สารละลายลดลง แต่ด้วยความเข้มข้นของไอออนบวกที่เพียงพอสำหรับโลหะต่อไปนี้ - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb กระบวนการนี้ดำเนินไปอย่างง่ายดายที่สุดสำหรับ Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg
2. ขั้วบวก. ไอออนที่มีประจุลบจะเข้าสู่อิเล็กโทรดนี้ ออกซิไดซ์ พวกมันเอาอิเล็กตรอนจากโลหะซึ่งนำไปสู่การละลายขั้วบวกของพวกมันเช่น เปลี่ยนเป็นไอออนที่มีประจุบวกซึ่งถูกส่งไปยังแคโทด แอนไอออนยังจำแนกตามกิจกรรมของพวกเขา แอนไอออนดังกล่าว PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F สามารถถูกปล่อยออกมาได้จากการหลอมเหลวเท่านั้น ในสารละลายที่เป็นน้ำ จะไม่ผ่านอิเล็กโทรไลซิส แต่เป็น น้ำที่มีการปล่อยออกซิเจน แอนไอออนเช่น OH, Cl, I, S, Br ทำปฏิกิริยาได้ง่ายที่สุด

เมื่อทำให้แน่ใจว่าอิเล็กโทรไลซิส จะต้องคำนึงถึงแนวโน้มของวัสดุอิเล็กโทรดที่จะออกซิไดซ์ ในเรื่องนี้แอโนดเฉื่อยและแอคทีฟมีความโดดเด่น อิเล็กโทรดเฉื่อยทำจากกราไฟต์ คาร์บอน หรือแพลตตินั่ม และไม่มีส่วนร่วมในการจ่ายไอออน

ปัจจัยที่มีผลต่อกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส

กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้:

1. องค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์. สิ่งเจือปนต่างๆมีผลอย่างมาก แบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ไอออนบวก แอนไอออน และสารอินทรีย์ สารอาจมีค่าลบมากหรือน้อยกว่าโลหะฐานซึ่งขัดขวางกระบวนการ ในบรรดาสิ่งสกปรกอินทรีย์ สารมลพิษ (เช่น น้ำมัน) และสารลดแรงตึงผิวมีความโดดเด่น ความเข้มข้นของมันมีค่าสูงสุดที่อนุญาต
2. ความหนาแน่นกระแส. ตามกฎหมายของฟาราเดย์ มวลของสารที่สะสมจะเพิ่มขึ้นตามความแรงของกระแสที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามสถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยเกิดขึ้น - โพลาไรซ์เข้มข้น, แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น, ความร้อนสูงของอิเล็กโทรไลต์ ด้วยเหตุนี้จึงมีค่าความหนาแน่นกระแสไฟที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละกรณี
3. อิเล็กโทรไลต์ pH. ความเป็นกรดของสิ่งแวดล้อมยังถูกเลือกโดยคำนึงถึงโลหะด้วย ตัวอย่างเช่น ค่าความเป็นกรดของอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสังกะสีคือ 140 g/cu.dm
4. อุณหภูมิอิเล็กโทรไลต์. มันมีผลคลุมเครือ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราการอิเล็กโทรไลซิสจะเพิ่มขึ้น แต่กิจกรรมของสิ่งสกปรกก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน มีอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับทุกกระบวนการ มักจะอยู่ในช่วง 38-45 องศา

สำคัญ! อิเล็กโทรไลซิสสามารถเร่งหรือช้าลงได้ด้วยอิทธิพลที่หลากหลายและการเลือกองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ แต่ละแอปพลิเคชันมีสูตรของตัวเองซึ่งต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัด

อิเล็กโทรไลซิสใช้ที่ไหน?

อิเล็กโทรไลซิสถูกใช้ในหลายพื้นที่ มีการใช้งานหลักหลายประการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติ

การชุบด้วยไฟฟ้า

การชุบโลหะที่บางและทนทานสามารถทำได้ด้วยกระแสไฟฟ้า ผลิตภัณฑ์ที่จะเคลือบได้รับการติดตั้งในอ่างน้ำในรูปของแคโทด และอิเล็กโทรไลต์มีเกลือของโลหะที่ต้องการ ดังนั้นคุณสามารถปิดเหล็กด้วยสังกะสี โครเมียมหรือดีบุก

การกลั่นด้วยไฟฟ้า - การกลั่นทองแดง

ตัวอย่างของการทำความสะอาดไฟฟ้าอาจเป็นตัวเลือกต่อไปนี้: แคโทด - ทองแดงบริสุทธิ์ ขั้วบวก - ทองแดงที่มีสิ่งเจือปน อิเล็กโทรไลต์ - สารละลายที่เป็นน้ำของคอปเปอร์ซัลเฟต ทองแดงจากแอโนดผ่านเข้าสู่ไอออนและตกตะกอนในแคโทดโดยปราศจากสิ่งเจือปน

การขุดโลหะ

เพื่อให้ได้โลหะจากเกลือ พวกมันจะถูกถ่ายโอนไปยังส่วนที่หลอมเหลว จากนั้นจึงจัดให้มีอิเล็กโทรไลซิส วิธีการดังกล่าวค่อนข้างมีประสิทธิภาพในการรับอะลูมิเนียมจากอะลูมิเนียม โซเดียม และโพแทสเซียม

อโนไดซ์

ในกระบวนการนี้ สารเคลือบทำจากสารประกอบที่ไม่ใช่โลหะ ตัวอย่างคลาสสิกคืออะลูมิเนียมอโนไดซ์ ชิ้นส่วนอลูมิเนียมถูกติดตั้งเป็นแอโนด อิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายของกรดซัลฟิวริก อันเป็นผลมาจากอิเล็กโทรไลซิส ชั้นของอะลูมิเนียมออกไซด์จะเกาะอยู่บนขั้วบวก ซึ่งมีคุณสมบัติในการป้องกันและการตกแต่ง เทคโนโลยีเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ คุณสามารถดำเนินการตามกระบวนการด้วยมือของคุณเองตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย

ค่าพลังงาน

อิเล็กโทรลิซิสต้องใช้ต้นทุนพลังงานสูง กระบวนการนี้จะเป็นประโยชน์หากกระแสแอโนดเพียงพอและด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องใช้กระแสตรงที่มีนัยสำคัญจากแหล่งพลังงาน นอกจากนี้เมื่อดำเนินการจะเกิดการสูญเสียแรงดันด้านข้าง - แรงดันไฟเกินขั้วบวกและขั้วลบ, การสูญเสียอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากความต้านทาน ประสิทธิภาพของการติดตั้งถูกกำหนดโดยเชื่อมโยงกำลังการใช้พลังงานกับหน่วยมวลที่มีประโยชน์ของสารที่ได้รับ

อิเล็กโทรไลซิสถูกใช้ในอุตสาหกรรมมาอย่างยาวนานและมีประสิทธิภาพสูง การเคลือบอะโนไดซ์และการเคลือบด้วยไฟฟ้ากลายเป็นเรื่องธรรมดาในชีวิตประจำวัน และการขุดและการใช้ประโยชน์จากวัสดุช่วยดึงโลหะจำนวนมากออกจากแร่ กระบวนการสามารถวางแผนและคำนวณได้โดยรู้รูปแบบหลัก

บทความที่คล้ายกัน: