9.1 Teoretisk grunnlag for industriell elektrolyse
Teknologien for elektrokjemisk produksjon vurderer prosesser der hovedreaksjonene finner sted i et miljø med direkte konvertering av elektrisk energi til kjemisk energi, uten mellomliggende omdannelse av energi til varme.
For dette er det laget spesielle teknologiske metoder og utstyr, basert på teoretisk elektrokjemi og forskjellig fra metoder innen andre områder av kjemisk teknologi. Ved elektrolyse kan de ønskede reaksjonene som regel utføres med høy grad av selektivitet, noe som gjør det mulig å oppnå et produkt med relativt små urenheter. Graden av nyttig bruk av elektrisitet i elektrolyse er relativt stor.
Teknologiske prosesser som kan gjennomføres ved elektrokjemiske metoder kan i de fleste tilfeller også utføres ved andre kjemiske metoder.
Valg av teknologi bør gjøres på grunnlag av en komparativ teknoøkonomisk analyse, som tar hensyn til produksjonsøkonomien, ressursene til de nødvendige råvarene, kompleksiteten til instrumentering og andre problemstillinger.
De teknoøkonomiske fordelene ved elektrokjemiske metoder bestemmes av at de kan brukes til å oppnå tilstrekkelig rene produkter i relativt enkle teknologiske opplegg. Ulempene er knyttet til behovet for å bruke en dyr type energi (DC-energi) og pådra seg kostnader for å lage kilder for produksjonen.
Elektrokjemiske metoder har funnet anvendelse for produksjon av hydrogen og oksygen, klor, natrium og kaliumhydroksid, oksygenforbindelser av klor, for elektrosyntese av uorganiske stoffer, og også for syntese av organiske stoffer.
En elektrokjemisk metode brukes til å produsere hydroelektrometallurgiske metaller som kobber, nikkel, sink, kobolt, kadmium, mangan, krom, jern, sølv, gull, etc., samt metallpulver. Ved hjelp av elektrolyse av smeltede medier er det mulig å oppnå aluminium, magnesium, alkali og jordalkalimetaller (natrium, kalsium), beryllium, sjeldne og sjeldne jordmetaller, samt elementært fluor.
I elektroplettering brukes elektrokjemiske metoder for kobberplettering, nikkelplettering, forkromning og andre belegg, i maskinteknikk - for anodisk mekanisk bearbeiding av produkter (boring, skjæring, elektropolering, presis kompleksformet prosessering, etc.).
På grunnlag av elektrokjemiske prosesser er det laget kjemiske strømkilder, som batterier og galvaniske celler.
Elektrokjemiske reaksjoner finner sted i apparater som kalles elektrolysatorer. I dem, gjennom elektrolytter (løsninger eller smelter - ledere av den andre typen), går en likestrøm fra anoden til katoden. Oksidasjonsreaksjoner finner sted ved anoden, og reduksjonsreaksjoner finner sted ved katoden.
I følge Faradays lover er mengden stoff som frigjøres på elektrodene proporsjonal med mengden elektrisitet som passerer. Flere reaksjoner kan foregå parallelt på hver elektrode. Andelen av den totale mengden elektrisitet som går, brukt på en gitt reaksjon, er dens strømutgang.
praktisk viktig strømutgang for hovedreaksjonen, som kjennetegner perfeksjonen av prosessen. Hastigheten på en reaksjon i elektrokjemi er nåværende tetthet - mengden elektrisitet som har passert per tidsenhet gjennom enhetsoverflaten til elektroden ved grensen til elektrolytten.
I praksis bestemmes strømtettheten ved å dele styrken med det geometriske området til elektroden. Skille Antatt Og sann strømtetthet, som ikke bestemmes av den geometriske, men av den faktiske overflaten av elektroden. Sistnevnte avhenger av porøsiteten og topografien til overflaten (tilstedeværelsen av buler og fordypninger) og kan praktisk talt ikke bestemmes. Jo mer utviklet elektrolyttoverflaten er, jo lavere er den sanne strømtettheten og jo mer skiller den seg fra den beregnede.
I industrianlegg utføres elektrokjemiske reaksjoner hovedsakelig av reaksjoner som krever forbruk av elektrisk energi. Disse kostnadene er preget av et potensielt hopp som oppstår ved elektrode-elektrolytt-grensesnittet. Hvis elektrodereaksjonen finner sted under reversible likevektsforhold (med en strømstyrke som nærmer seg null), kalles potensialhoppet mellom elektroden og elektrolytten likevektspotensial. Likevektspotensialet gir verdien av potensialhoppet som trengs for å starte reaksjonen.
viktig konsept "standardpotensial". Dette er likevektspotensialet, definert for tilfellet når aktiviteten til hvert virkestoff er lik én. Standardpotensialer er gitt i referansetabeller. Ved å ta hensyn til reelle forhold og bruke Nernst-formelen, kan likevektspotensialer beregnes ut fra dem.
Summen av likevektspotensialene ved anoden og katoden kalles nedbrytningsstress. Det er ved denne spenningen, ved en strøm nær null, og i nærvær av forhold for reversibilitet av elektrodereaksjoner, at elektrolyseprosessen begynner.
I praksis passerer en ikke-null strøm gjennom elektrodene, og derfor fortsetter elektrodeprosessene under ikke-likevektsforhold. Potensialhoppet ved elektrode-elektrolyttgrensesnittet er i disse tilfellene større enn likevektsspranget og kalles elektrodepotensial. Det er umulig å eksperimentelt måle potensialforskjellen mellom elektroden og elektrolytten. I stedet måles potensialforskjellen mellom dataene og standardelektrodene (f.eks. standard hydrogenelektrode). Denne forskjellen tas som potensialet til elektroden. Tegnregelen for potensialer følger av denne måten å definere dem på.
Forskjellen mellom elektrodepotensialet og dets likevektspotensial kalles overspenning. Den er jo større, jo høyere er den sanne strømtettheten. Overspenning på elektroden oppstår også når reaksjonene som finner sted på den er irreversible. Overspenningen er proporsjonal med energien som må brukes for å utføre elektrodereaksjonen med en viss hastighet.
Elektrodereaksjonen går gjennom følgende trinn:
1) tilførsel av reagerende stoffer fra elektrolytten til elektrodene og fjerning av reaksjonsprodukter fra dem;
2) bevegelse av elektroner mellom elektroder og ioner;
3) sekundære reaksjoner på elektrodene (for eksempel dannelse av hydrogen- og oksygenmolekyler fra atomer).
For at prosessen skal forløpe med en gitt hastighet på elektrodene, kreves det en viss mengde elektrisk energi for hvert trinn. På det første trinnet er det proporsjonalt med konsentrasjonskomponenten til overspenningen, eller konsentrasjon polarisering.
Likevektspotensialer beregnes basert på gjennomsnittlig aktivitet (konsentrasjon) av reaktantene i løsning. Ved elektrodene trener de enten eller trener, så aktiviteten deres der skiller seg fra gjennomsnittet.
Likevektsreaksjonspotensialet beregnet ut fra verdien av den sanne aktiviteten til stoffer ved elektrodene avviker fra potensialet beregnet fra gjennomsnittlig aktivitet. Forskjellen mellom dem er konsentrasjonspolariseringen. Det er proporsjonalt med arbeidet med konsentrasjon eller fortynning av løsninger fra gjennomsnittsverdien av aktivitet til den sanne, som skapes ved elektrodene, og jo større, jo høyere er reaksjonshastigheten på elektrodene.
Utseendet til den andre komponenten av overspenningen avhenger av de to andre stadiene av elektrodeprosessen - kjemisk bølge eller polarisering. Fra energisiden forklares det slik. Det er kjent fra kjemisk kinetikk at kun aktive molekyler med energier over et visst nivå (aktiveringsenergi) kommer inn i reaksjoner.
Ved å øke potensialhoppet ved elektrode-elektrolytt-grensesnittet mot likevekt, er det så å si mulig å senke energibarrieren og dermed øke andelen av aktive partikler uten å endre temperaturen. I denne delen er det en analogi mellom katalytiske og elektrokjemiske prosesser. Det ekstra potensialhoppet mot likevekten (kjemisk polarisering) er proporsjonalt med arbeidet som kreves for å aktivere det nødvendige antallet ioner eller molekyler slik at reaksjonen kan fortsette med en gitt hastighet. Jo høyere reaksjonshastighet, jo høyere kjemisk polarisering.
Det fysiske bildet på elektrodene, som forklarer forekomsten av kjemisk polarisering, vurderes i dobbeltlagsteorien og den relaterte teorien om forsinket utladning. Disse teoriene viser at størrelsen på kjemisk polarisering avhenger av strukturen til dobbeltlaget, som i stor grad bestemmes av sammensetningen av løsningen og evnen til elektrodematerialet til å adsorbere visse komponenter i løsningen. Ved å velge sammensetningen av løsningen og elektrodematerialet er det således mulig å kontrollere den kjemiske polarisasjonen.
Den faktiske spenningen som må påføres terminalene til cellen er elektrolysespenning - for å utføre reaksjonen med en gitt hastighet, er dekomponeringsspenningen større med størrelsen på overspenningene på elektrodene og med summen av tapene i lederne av den første og andre typen.
Forbruket av elektrisk energi per produktenhet er direkte proporsjonalt med produktet av elektrolysespenningen og mengden elektrisitet som kreves for å produsere produktet (med tanke på strømeffekten). Av det totale strømforbruket går bare en del over til kjemisk energi. Denne delen er proporsjonal med spenningen, som kalles Thompson spenning. Den skiller seg fra dekomponeringsspenningen av følgende grunn: den elektriske energien som kreves for forløpet av prosessen på elektrodene (ved konstant temperatur og under reversible likevektsforhold), proporsjonal med dekomponeringsspenningen, samsvarer ikke helt med endringen i indre energi i systemet. Det kan skje (avhengig av egenskapene til stoffene som er involvert i reaksjonen) at en del av det i løpet av reaksjonen blir til varme, som går over i systemets indre energi.
Forskjellen mellom elektrolysespenningen og Thompson-spenningen er proporsjonal med overskuddsvarmen som genereres under elektrolyse. Dette er varmespenningen, eller den termiske komponenten av spenningen.
Andelen av den totale kostnaden for elektrisitet, overført som et resultat av reaksjonen til den interne energien til målproduktet, kalles energiutgang.
De viktigste teknologiske indikatorene for elektrolyse inkluderer: strømeffekt, energiutnyttelsesfaktor (energiutgang) og energiforbrukskoeffisient.
Strømutgangen (Wt,%) beregnes ved hjelp av formelen:
V t \u003d (m f / m t) ∙ 100 %, (9,1)
Hvor: m f - mengden stoff som faktisk oppnås ved elektrolyse, kg; m t - mengden av et stoff som skulle vært frigjort etter Faradays lov, kg.
M t = k ∙ I∙ τ, (9,2)
Hvor: I - strømstyrke, A; τ er elektrolysetiden, h; k er den elektrokjemiske ekvivalenten til det frigjorte stoffet.
K = M/(F∙z), (9,3)
Hvor: F er Faraday-konstanten lik 96 500 C eller 26,8 Ah; z er ladningen til ionet som frigjøres på elektroden.
Energiutnyttelsesfaktoren (V e, %) beregnes med formelen:
V e \u003d (Wt / W f) ∙ 100 %, (9,4)
Hvor: W T - teoretisk energiforbruk, kWh; W f - faktisk energiforbruk, kW∙h.
W t/p = V t/p ∙ J ∙ τ / m t/p (9,5)
Hvor: V t - teoretisk dekomponeringsspenning, V; V p - faktisk spenning på elektrodene, V.
Det teoretiske strømforbruket (kWh/t) kan også beregnes ved å bruke ligningen:
W t = 10 3 ∙ V t / k (9,6)
Elektrolyseprosessen starter hvis spenningen som påføres elektrolysatoren (V p) overskrider med en uendelig liten verdi (∆V) den teoretiske dekomponeringsspenningen (V t), dvs. tilstand vil bli gitt:
V p \u003d V t + ∆V (9,7)
Den teoretiske dekomponeringsspenningen på elektrodene til badet bestemmes av ligningen:
V t \u003d E k - E a (9,8)
Hvor: Ek er det faktiske potensialet til ioneutladningen ved katoden, V; E a - det faktiske potensialet for utslipp av ioner ved anoden, V.
De faktiske utladningspotensialene til ioner skiller seg fra deres likevektsutladningspotensialer med størrelsen på overspenningen, henholdsvis katoden Ek per og anodisk E a per, som øker likevektspotensialene:
E k \u003d E k p + E k ln og E a \u003d E a p + E a ln (9.9)
Hvor: Ek p og E a p er likevektspotensialene for utladningen av kation og anion.
Likevektspotensialene til utladningen av ioner er like store og motsatte i fortegn til likevektselektrodepotensialene: Ek p \u003d - φ k og E a p \u003d - φ a, som kan beregnes ved hjelp av Nernst-formelen:
φ k/a = φ 0 k/a ± R∙ T ∙Iga k/a /z ∙ F, (9.10)
Hvor: φ 0 k / a - standard elektrodepotensial, V; R - universell gasskonstant, J/mol∙K; T er temperatur, K; en k/a - ioneaktivitet i løsning (smelte), mol/l; F er Faradays konstant lik 96500 Cul.; z er ladningen til elektrolyttionet.
Forklaring av tilstanden presentert i 9.7 gir "stressbalanse"-ligningen:
V p \u003d V t + J ∙∑R \u003d Ek - E a + J (R e + R d + R tp) (9.11)
Hvor: J - strømstyrke, A; R er den totale motstanden til elektrolyseprosessen, Ohm; R e - elektrolyttmotstand, Ohm; R d - motstand av membranen til cellen, Ohm; R tp - motstand av strømførende baner, Ohm.
^ KONTROLLSPØRSMÅL FOR TEMA 9.1
9-1 . Hvilke prosesser kalles elektrokjemiske prosesser og hvordan skiller de seg fra elektrotermiske prosesser? Gi eksempler på begge.
9-2. Hva er fordelene med elektrokjemiske metoder for å skaffe stoffer fremfor kjemiske?
9-3. Nevn bruksområder for elektrokjemiske metoder.
9-4 . Hva er tilstanden til elektrolyseprosessen? Hva er overspenning og hvordan påvirker det ioneutladningssekvensen i elektrolyse?
9-5 . List opp de kvantitative egenskapene til industriell elektrolyse og gi dem en definisjon.
^ PROBLEM FOR EMNE 9-1
9-1. Hvor mye saltsyre teoretisk kan oppnås fra elektrolytisk klor og hydrogen per dag hvis strømmen som tilføres elektrolysatoren er 1500 A. Massefraksjonen av saltsyre i løsningen er 37,23 % (densitet 1,19 g / ml). Uttryk svaret ditt i kilogram og liter.
9-2. Fra en klorelektrolysator av membrantypen med en belastning på 40 kA per dag ble det oppnådd væske med et volum på 10,6 m 3 inneholdende 130 kg/m 3 natriumhydroksid. Bestem alkaliutgangen med strøm.
9-3. Hvor mange bad bør det være i et kobberraffineringsanlegg med en kapasitet på 182,5 tusen tonn/år katodekobber, hvis badene drives med en belastning på 12 kA, og strømeffektiviteten for kobber er 96 %? Badeutnyttelsesfaktor 0,96.
9-4. Bestem massene av gassformig klor og 50 % natriumhydroksidløsning produsert ved elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid per dag, hvis strømmen gjennom cellen er 150 kA og strømeffektiviteten er 0,95.
9-5. Bestem det teoretiske strømforbruket for produksjon av 3 tonn 85 % natriumhydroksid og 3 tonn klorgass, hvis den teoretiske elektrolysespenningen er 2,2 V.
9-6. Under elektrolysen av en smelte på 24 g av et bestemt stoff ble det frigjort 33,6 liter hydrogen (n.o.) ved anoden. Bestem stoffet som ble tatt for elektrolyse og volumet av en 20 % saltsyreløsning (densitet 1,1 g/ml) som kreves for reaksjonen.
9-7. Når en strøm på 1 A ble ført gjennom smelten av en eller annen binær uorganisk forbindelse i 8 timer, ble det oppnådd 2,068 g metall. Hvilken forbindelse gjennomgikk elektrolyse hvis forholdet mellom komponentene i den er 1:0,145 vekt%?
9-8. Når en strøm på 0,8 A ble ført gjennom 80 ml av en løsning som inneholdt en blanding av AgNO 3 og Cu(NO 3) 2 i 117 minutter, ble det frigjort en blanding av metaller med en total masse på 3,0 g på katoden. elektrolyseligninger for hvert salt og bestemme de molare konsentrasjonene av salter i den opprinnelige løsningen, hvis det er kjent at gasser har utviklet seg ved anoden, og etter at elektrolyse er fullført, inneholder løsningen ikke metallioner.
9-9. Under elektrolysen av en løsning av krom(III)nitrat ble det frigjort 31,2 g krom på katoden, som ble oppløst i saltsyre. Løsningen ble stående i luft, og deretter ble en 25 % natriumhydroksidløsning (densitet 1,28 g/ml) gradvis tilsatt til den. Bunnfallet som først dannet seg, ble deretter fullstendig oppløst. Hvor mange ml natriumhydroksidløsning tok det for å løse opp bunnfallet?
9-10. To prøver av en binær forbindelse av noe metall ble undersøkt. Den første prøven, som veide 16 g, ble smeltet og underkastet elektrolyse, som ga 26,312 liter hydrogen, målt ved 720 mm. Hg og 31 o C. Den andre prøven som veide 37,23 g ga, når den ble utsatt for vann, 9,308 g hydrogen. Sett formelen for den ukjente forbindelsen og skriv likningene for de pågående prosessene.
9-11. En strøm på 2 A ble ført gjennom en løsning av et organisk syresalt i 5 t. Som et resultat av elektrolyse ble 12,195 g metall frigjort ved katoden, og karbonmonoksid (IV) og hydrogen ble frigjort ved anoden. Bestem hvilket salt som ble utsatt for elektrolyse.
9-12. Under elektrolysen av en vandig løsning av natriumklorid med en kvikksølvkatode ble det oppnådd et amalgam som ble behandlet med vann. For titrering av den resulterende løsning ble 7,46 ml av en 0,5 M løsning av svovelsyre brukt. Bestem styrken på strømmen som går gjennom løsningen hvis elektrolysetiden er 1 time.
9-13. En vandig løsning av et ukjent metallnitrat ble utsatt for elektrolyse. I dette tilfellet ble 3,78 g metall og 196 ml oksygen (n.c.) frigjort på platinaelektroder. Bestem hvilket metallnitrat som utsettes for elektrolyse.
9-14. En vandig løsning av kobbernitrat ble utsatt for elektrolyse ved bruk av inerte (karbon) elektroder. Elektrodene ble veid etter fullført elektrolyse og en time etter fullført. Vil disse massene være de samme? Begrunn svaret.
9-15. Bestem energieffektiviteten under elektrolysen av alumina i kryolitt, hvis den teoretiske elektrolysespenningen er 1,12 V, er den praktiske spenningen 4,6 V, metallstrømmen er 0,8.
9-16. Beregn graden av natriumkloridomdannelse i elektrolysatoren, hvis katolytt inneholder natriumhydroksid 120 g/l og natriumklorid 190 g/l.
9-17 . Beregn strømeffektiviteten for en elektrolysecelle ved en strøm på 14 000 A hvis det var 4 000 liter elektrolysevæske som inneholdt 120 g/l natriumhydroksid i løpet av 24 timer.
^ 9-18. For forholdene til problemet 10-17 Beregn energiutnyttelsesfaktoren hvis den praktiske ner 3,6V og strømutgangen er 96 %.
9-20. På fabrikken for medisinske instrumenter er overflaten på de fleste produkter dekket med et nikkellag 5,0·10 -5 m tykt fra en elektrolytt basert på NiSO 4 . Bestem varigheten av elektrolyse for å oppnå et belegg med nødvendig tykkelse på pinsett, hvis overflate er 4,3·10 -3 m 2, hvis tettheten til nikkelmetall er 8,9 t/m 3 og strømeffektiviteten er 9 6%. Strøm under elektrolyse 1,9 A.
^ 9.2. Elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid
Elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid brukes i industrien for å produsere klor, hydrogen og natriumhydroksid.
For tiden brukes to metoder for elektrolyse i industrien - diafragma og kvikksølv. Hovedprosessen i begge metodene er elektrolyse av en mettet natriumkloridløsning. I begge metodene er de anodiske prosessene like; deres hovedprodukt er klorgass. De katodiske prosessene er forskjellige.
På diafragma metode det brukes en stålkatode som tilføres en løsning av natriumklorid. En del av natriumkloridet omdannes til natriumhydroksid og hydrogen frigjøres. Natriumklorid separeres fra natriumhydroksid ved å fordampe løsningen. Samtidig, på grunn av en reduksjon i løselighet, utfelles det. Kommersielt produkt - natriumhydroksidløsning med en konsentrasjon på 42-50 % (vekt) inneholder 2-4 % (vekt) natriumklorid.
I kvikksølvelektrolyse kvikksølv katode. Natriumioner, som slipper ut på den, danner et natriumamalgam. I et separat apparat - en nedbryter - spaltes natriumamalgam av vann, og danner hydrogen og natriumhydroksidløsning. I nedbryteren kan en løsning av natriumhydroksid med en kommersiell konsentrasjon på 42-50 % (vekt) uten natriumklorid-urenheter umiddelbart oppnås.
Saltløsning (saltlake) renses før elektrolyse. Saltlaken renses fra kalsium- og magnesiumsalter. Rensing utføres ved utfelling av urenheter med strengt målte utfellingsreagenser: brussuspensjon og kalkmelk.
Utfellingen av urenheter skjer i henhold til reaksjonene:
Mg 2+ + Ca (OH) 2 \u003d Ca 2+ + Mg (OH) 2 ↓
Ca 2 + + Na 2 CO 3 \u003d 2 Na + + CaCO 3 ↓
I tillegg til kjemisk rensing, frigjøres saltlaken for mekaniske urenheter ved bunnfelling og filtrering.
Membranproduksjon (fig. 9.1) inkluderer følgende stadier:
1) klargjøring og rensing av saltlake. På dette stadiet løses fast bordsalt og saltlaken renses fra kalsium- og magnesiumioner. Den tilberedte saltlaken sendes til elektrolyse;
2) elektrolyse;
3) fordampning av elektrolytiske væsker. På dette stadiet blir svake løsninger av natriumhydroksid og natriumklorid, oppnådd ved elektrolyse, fordampet til en kommersiell konsentrasjon av natriumhydroksid. Det resulterende saltet separeres fra løsningen, oppløses i vann og overføres til saltlakefremstillingstrinnet, hvor denne saltlaken tilsettes til saltlaken fremstilt av ferskt salt;
4) fjerning av sulfater. Dette trinnet mottar natriumklorid, oppnådd i det siste trinnet av fordampning av elektrolytiske væsker og inneholder en økt mengde sulfater. Natriumsulfat er isolert fra salt i form av kommersielle produkter. Den rensede saltløsningen overføres til saltlakefremstillingstrinnet;
5) kjøling og tørking av klor;
6) avkjøling og tørking av hydrogen.
Reaksjonene som finner sted i en diafragmacelle avhenger av materialene og utformingen av cellene, saltvannskonsentrasjon, pH i mediet, strømtetthet, temperatur og innhold av oksygenholdige ioner.
Ris. 9.1. Strukturdiagram av diafragmametoden:
1- forberedelse og rensing av saltlake; 2 - elektrolyse; 3 - fordampning av elektrolytiske væsker; 4 - tilbaketrekking av sulfider: 5 - kjøling, tørking og komprimering av klor; 6 - kjøling, tørking og komprimering av hydrogen.
I industrielle elektrolysatorer er anoden laget av grafitt, katoden er laget av jern.
På en jernkatode er hovedprosessen utviklingen av hydrogen:
2 H + + 2ē \u003d H 2
2 H 2 O + 2ē \u003d H 2 + 2 OH -
Utslippet av natriumioner er umulig, siden likevektspotensialet for utladningen av et natriumion på en jernkatode i en nøytral mettet løsning av natriumklorid er mye høyere (-2,71 V) enn for hydrogen (-0,415 V).
Hovedreaksjonen på grafittanoden:
2 Cl - + 2ē \u003d C1 2
I tillegg til denne reaksjonen oppstår sidereaksjoner ved anoden:
2OH - - 2e\u003d 0,5 O 2 + H 2 O H 2 O - 2ē \u003d 0,5 O 2 + 2 H +
Likevektselektrodepotensialet for utladningen av hydroksidioner i en nøytral mettet natriumkloridløsning er +0,82 V, og for kloridioner +1,32 V. Derfor bør oksygen frigjøres først ved anoden med en liten overspenning.
Som kjent fra teoretisk elektrokjemi foregår parallelle elektrodereaksjoner med slike partielle strømtettheter som gir samme elektrodepotensial. Derfor kan vi skrive:
φ a \u003d φ (C1 2) + ψ (C1 2) \u003d φ (O 2) + ψ (O 2) (9.12)
Hvor: φ a - anodepotensial, V; φ (С1 2 ), φ (О 2 ) - likevektspotensialer for frigjøring av klor og oksygen bestemmes av Nernst-formelen og avhenger av konsentrasjonen (aktiviteten) av klor- eller hydroksidioner, samt temperatur; ψ (С1 2 ), ψ (О 2) - overspenning av klor og oksygen; størrelsen på overspenningen øker med økende strømtetthet.
Overspenningen for klorutvikling avtar med økende temperatur i større grad enn for oksygen. Med en økning i strømtettheten skifter prosessen ved anoden også mot frigjøring av klor. Som det fremgår av fig. 9.2, med økende strømtetthet, øker potensialet for klorutvikling i mindre grad enn oksygen. Hypoklorittioner kan slippes ut ved anoden. Som et resultat frigjøres oksygen:
3 ClO - + 3 H 2 O - 6ē \u003d ClO 3 - + 1,5 O 2 + 2 Cl - + 3 H 2
Tilstedeværelsen av hypoklorittioner er forårsaket av delvis hydrolyse av klor.
Ved diafragmaelektrolyse frigjøres alltid oksygen sammen med klor. Det normale nivået av oksygenutvikling bestemmes av det etablerte teknologiske regimet (anodemateriale, strømtetthet, temperatur, saltlakesammensetning, etc.). Den viktigste betingelsen i dette tilfellet er den normale surheten til anolytten (løsningen plassert i anoderommet).
Ris. 9.2. Anodepolarisasjonskurver på grafitt ved 250°C i 22,6 % (vekt) natriumkloridløsning:
1- frigjøring av klor; 2 - frigjøring av oksygen.
Tilstedeværelsen av hypokloritt og hypoklorationer i elektrolytten kan føre til at bivirkninger oppstår ved katoden:
ClO 3 - + 3 H 2 \u003d 3 H 2 O + Cl - ClO - + H 2 \u003d H 2 O + Cl -
Å øke alkaliniteten til anolytten øker intensiteten av oksygenutviklingen ved anoden. Derfor er elektrolyseprosessen i diafragmaelektrolysatorer bygget på en slik måte at den elektrolytiske overføringen av hydroksidionet til anoden minimeres. Dette kan oppnås gjennom bruken filtermembran.
Filtreringsmembranen er laget i form av en porøs skillevegg som skiller katode- og anoderommet. Det forhindrer blanding av elektrolyseprodukter. Anolyttstrøm passerer kontinuerlig gjennom den fra anoderommet til katoden.
Permeabiliteten til membranen og omdannelsesgraden (omtrent) kontrollerer konsentrasjonen av natriumhydroksid i katolytten (elektrolytt plassert i katoderommet). I praksis, i moderne industrielle elektrolysatorer, tilsvarer grenseverdien for omdannelsesgraden konsentrasjonen av natriumhydroksid i katolytten på 140–150 g/l. Når alkalikonsentrasjonen overstiger verdien, avviker elektrolyseforløpet fra normen.
Dataene som viser strømeffektivitetens avhengighet av alkalikonsentrasjonen er vist i fig. 9.3. Det er en reduksjon i strømeffektiviteten når man arbeider med en katolytt som har en alkalikonsentrasjon over 150 g/l.
Ris. 9.3. Avhengighet av strømutgangen av konsentrasjonen av natriumhydroksid i katolytten
Forhøyede temperaturer for elektrolyse og kondensering av natriumklorid i elektrolytten reduserer løseligheten av klor, noe som reduserer sannsynligheten for bireaksjoner og øker derfor strømningshastigheten. I tillegg øker en temperaturøkning den elektriske ledningsevnen til elektrolytten, og reduserer dermed spenningen over badet. Dermed reduseres strømforbruket, slik at elektrolysen av natriumkloridløsninger utføres ved temperaturer på 70 - 80 °C.
Industrielle elektrolysatorer med en filtrerende baffel er mye brukt i industrien.
Diagrammet av en moderne membranelektrolysator er vist i fig. 9.4. Cellehus ^ 7 delt inn i to hulrom: anode 4 og katodisk 5 rom. Grafittanoder er plassert i anoderommet. Anode- og katoderommet er atskilt med en membran, som er grunnlaget for katoden. 3 . Membranen dekker katoden fra siden som vender mot anoden. Saltlake mates inn i anoderommet - en mettet løsning av bordsalt.
Anolyttnivået er over øvre grense av membranen. Klor dannet ved anoden samles i gassrommet over anolyttnivået. Herfra slippes klor ut til oppsamleren. Anolytten, på grunn av forskjellen i væskenivåer i anode- og katoderommet, strømmer gjennom membranen.
Hydrogen reduseres ved katoden, og anolytten som strømmer til katoden endrer sammensetningen og blir anriket på hydroksidioner. Katolytten inneholder vanlig salt, natriumhydroksid og en liten mengde natriumklorat. Den fjernes fra katoderommet gjennom dreneringsrøret 9 ; enheten lar deg justere nivået på løsningen i cellen. Hydrogen samles opp i gassrommet over katolyttens nivå og ledes deretter til oppsamleren.
TIL 
atolytten som kom ut av elektrolysecellen, ellers kalt elektrolyselut, inneholder natriumhydroksid 110-120 g/l og natriumklorid 170-180 g/l.
Ris. 9.4. Oppsett av en membranelektrolysator:
1- anode; 2 - diafragma; 3 - katode; 4 - anode plass; 5 - katoderom; 6 - dropper; 7- huset til elektrolysecellen; 8 - deksel; 9 - avløpsrør for katolytt
Forholdet mellom konsentrasjonen av natriumhydroksid og konsentrasjonen av natriumklorid i katolytten bestemmes av en viktig indikator på det teknologiske regimet - grad av konvertering (X) natriumklorid under elektrolyse. Dette er forholdet mellom antall mol natriumklorid omdannet til natriumhydroksid og antall mol natriumklorid mottatt for elektrolyse.
Graden av konvertering beregnes ved hjelp av formelen:
X \u003d 1,46 C NaOH / (9,13)
Prosessene som skjer i elektrolysatorene og deres tekniske indikatorer avhenger i stor grad av membranens funksjon. For at membranen skal utføre sine funksjoner, må den oppfylle følgende krav:
Vær tett og sterk nok til å sikre fullstendig separasjon av gassprodukter og utelukke forskyvning av anolytt og katolytt;
Ha lav elektrisk motstand for å unngå tap av spenning over membranen;
Ha en tilstrekkelig lav hydraulisk motstand;
Vær kjemisk motstandsdyktig mot syrer og alkalier slik at membranen fungerer lenge;
Ha lignende egenskaper og enhetlighet på alle områder.
Det beste materialet for diafragma er krysolittasbest.
Hovedkravet til anodematerialet er den største overspenningen til frigjøring av oksygen enn klor.
Det er ennå ikke funnet noe materiale som er absolutt motstandsdyktig mot prosessene med felles elektrokjemisk utvikling av klor og oksygen. I praksis er målet å sikre at materialene som brukes destrueres relativt lavt.
Materialer med lav elektrisk resistivitet foretrekkes, siden jo lavere motstand, jo lavere er spenningsfallet i anoden og jo jevnere er strømtetthetsfordelingen over den. I praksis kan platina, grafitt og magnetitt brukes. Det beste på alle måter (unntatt kostnad) er platina. I industrien er anoder laget utelukkende av kunstig grafitt.
^ Kvikksølv metode for elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid inneholder de samme stadiene som diafragma, med unntak av fordampning (fig. 9.5). Forberedelse og rensing av saltlake i denne produksjonen har funksjoner og, i henhold til det teknologiske skjemaet, forskjellig fra det tilsvarende stadiet av diafragmaproduksjon. Dette skyldes de spesielle kravene til anolytten som returneres for elektrolyse.
Anolytt etter elektrolyse inneholder 260-270 g/l natriumklorid, ca. 0,6 g/l oppløst klor, ca. 5 mg/l kalsium, magnesium, tungmetaller, grafittstøv urenheter.
Ris. 9.5. Blokkdiagram over elektrolysen av en vandig løsning av natriumklorid med en kvikksølvkatode:
1- klargjøring og rengjøring av saltlaken; 2- elektrolyse: 3 - deklorering og rensing av anolytten; 4 - kjøling, tørking og komprimering av klor; 5 - kjøling, tørking og komprimering av hydrogen.
For å fjerne klor fra anolytten, brukes suksessivt surgjøring, evakuering, luftblåsing og ødeleggelse av klorrester ved hjelp av reduksjonsmidler. Anolitten surgjøres med saltsyre. Støvsuging utføres ved et trykk på 400-450 mm Hg.
Reaksjonene som oppstår ved anoden i elektrolysatorer med en kvikksølvkatode ligner på de som vurderes for diafragmaelektrolysatorer.
Den katodiske prosessen i elektrolysatorer med kvikksølvkatode er fundamentalt forskjellig fra den i en diafragmaelektrolysator, der hydrogenioner utlades på en stålkatode.
I kvikksølvelektrolysatorer er hydrogenutvikling ved katoden en side- og skadelig prosess. Utviklingen hemmes av det faktum at hydrogen frigjøres ved en kvikksølvkatode eller natriumamalgamkatode med stor overspenning.
Den karakteristiske polarisasjonskurven for denne prosessen er vist i fig. 9.6. Figuren viser at intens hydrogenutvikling skjer ved katodepotensialer som er mer negative enn –1,9 V. Ved et lavere negativt potensial skjer det imidlertid en annen elektrodereaksjon på kvikksølvkatoden - dannelsen av natriumkvikksølvamalgam, hvor hoveddelen av strømmen er brukt.
I utgivelsesøyeblikket reagerer metallisk natrium med kvikksølv, og danner en intermetallisk forbindelse NaHg n (natriumamalgam oppløst i kvikksølv). I dette tilfellet reduseres arbeidet som kreves for å redusere natriumionet med mengden energi som frigjøres under dannelsen av amalgamet. Natriumamalgamdannelsespotensial φ k = -1,80 V.
Endringen i frigjøringspotensialet til stoffer i den elektrokjemiske prosessen på grunn av forekomsten av en sekundær reaksjon på elektroden kalles depolarisering. På grunn av depolarisering kan natrium frigjøres på kvikksølvkatoden i form av et amalgam i henhold til reaksjonen:
Na + + n Hg + ē = NaHgn
Denne prosessen foregår nesten uten overspenning.
Hovedsidereaksjonen ved katoden:
2
H + + 2e - = H 2
Ris. 9.6. Polarisasjonskurve
Frigjøring av hydrogen på kvikksølv
Andre sideprosesser finner også sted ved katoden. Natriumamalgam reagerer med klor oppløst i anolytt i henhold til ligningene:
NaHg n + Cl 2 = Na + + CI - + nHg Hg + Cl 2 = Hg 2+ + 2 Cl -
Under påvirkning av vann brytes amalgamet ned og frigjør alkali:
NaHg n + 2 H 2 O \u003d H 2 + Na + + 2 OH - + n hg
Reaksjonen i nedbryteren består av to koblede reaksjoner:
2 H 2 O + e - \u003d H 2 + 2 OH - NaHg n - e - \u003d Na + + n Hg
Den elektrolytiske prosessen i en elektrolysator med kvikksølvkatode foregår i to trinn. I det første trinnet, ved elektrolyse, oppnås en vandig løsning av natriumklorid, klor og sterkt natriumamalgam. Amalgamet oppnådd etter elektrolyse inneholder 0,3-0,5 % natrium. I det andre trinnet behandles amalgamet med renset vann. En del av amalgamet brytes ned og danner natriumhydroksid og hydrogen. Svak amalgam kvikksølvpumpe er reservert for elektrolyse.
Gjennomføring av prosessen i to trinn gjør det mulig å oppnå en løsning av natriumhydroksid med svært små urenheter av natriumklorid i elektrolysatorer med en kvikksølvkatode.
Skjemaet for elektrolysecellen med en kvikksølvkatode er vist i fig. 9.7. Den består av tre hoveddeler: et elektrolysebad 9 , nedbryter 12 og kvikksølvpumpe 10.
Ris. 9.7. Skjema av en elektrolysecelle med en kvikksølvkatode:
1 - amalgam; 2 - utløpslomme til cellen; 3 - celledekke; 4 - anode; 5 - anodeleder og dens tetning; 6 - anolytt; 7 - plass for å samle klor; 8 - inngangslomme til cellen; 9 - elektrolytisk bad; 10 - kvikksølvpumpe; 11 - dysenedbryter; 12 - nedbryter; 13- natriumhydroksidløsning.
I et elektrolysebad 9 mettet natriumkloridløsning og et svakt amalgam tilføres kontinuerlig. Klor fjernes fra elektrolysatoren sammen med vanndamp og sterkt amalgam.Separat fjernes løsningen av natriumklorid som er utarmet som følge av elektrolyse med klor oppløst i amalgamet.
inn i nedbryteren 12 sterkt amalgam og renset vann tilføres kontinuerlig. Hydrogen med vanndamp, en løsning av natriumhydroksid i vann og et svakt amalgam fjernes.
Kvikksølvelektrolysatorer er designet for å fungere med høy strømtetthet (5000-10.000 A/m2). Når tettheten øker, forbedres strømningshastigheten. I tillegg avtar den beregnede katodeoverflaten (ved samme strømbelastning), og derfor reduseres den nødvendige mengden kvikksølv.
For tiden er horisontale elektrolysatorer vanlige. De representerer en skråstilt renne med rektangulært tverrsnitt, langs bunnen av hvilken amalgam strømmer av tyngdekraften. Rennen er dekket med lokk 3 , som grafittflate anodeplater er festet på 4 . Avstanden mellom elektrodene er 3-5 mm. Platene er plassert så tett at arbeidsflaten til anodene nærmer seg katodens overflate. Hver anodeplate har en strømledning gjennom celledekselet. Det er en tetning på stedet der strømforsyningen går gjennom dekselet 5 hindre utslipp av klor til atmosfæren.
Grafitt ødelegges under elektrolyse. Som et resultat øker interelektrodeavstanden og elektrolysespenningen øker. Derfor, i moderne design, er anodene utstyrt med en enhet som lar deg justere interelektrodeavstanden.
Til dette brukes to forskjellige typer enheter. Den første typen er designet for å senke hver anode separat, den andre - for å senke hele gruppen av anoder samtidig.
Anolytt beveger seg i samme retning over amalgamlaget i elektrolysatoren ^ 6 .
Et gassrom dannes over anolyttlaget 7 . Den samler frigjort klor. Klor og anolytt slippes ut fra elektrolysatoren enten sammen eller separat.
Den andre fasen av den elektrokjemiske prosessen finner sted i nedbryteren. Horisontale nedbrytere har form av en stål, hermetisk forseglet renne installert med en skråning. Grafittplater legges i bunnen av nedbryteren. 12 . Strømmen av amalgam beveger seg ved hjelp av tyngdekraften langs bunnen. En natriumhydroksidløsning beveger seg i motstrøm til amalgamet og slippes ut sammen med hydrogen ved enden av nedbryteren.
^ KONTROLLSPØRSMÅL TIL TEMA 9.2
9-1. Hva er de industrielle metodene for elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid?
9-2. Nevn hovedstadiene i diafragmaelektrolysemetoden.
9-3 . Hvilken reaksjon finner sted ved katoden i diafragmaelektrolyse? Hvilke sidereaksjoner kan oppstå på katoden i diafragmaelektrolysemetoden?
9-4 . Hvilket grunnleggende stoff frigjøres ved anoden under elektrolyse av diafragma? Hvilket biprodukt frigjøres ved anoden under diafragmaelektrolyse?
9-5. Hva er egenskapene til elektrolysen av en vandig løsning av natriumklorid med en kvikksølvkatode? Hva er rollen til en diafragma i en diafragmacelle?
^ OPPGAVER FOR TEMA 9.2
9-1. Avluten som strømmer ut av membranklorcellen inneholder 130 kg/m 3 lut. Badet opererer med en belastning på 25 kA, strømvirkningsgrad for CI 2 og NaOH 96 %, og for hydrogen 98 %. Beregn: a) badets daglige ytelse for klor og hydrogen (i masse og volum) og for alkali; b) volumet av brennevin som strømmer ut av badet i løpet av 1 time. Forholdene er normale.
9-2. Hvor mange timer skal elektrolysatoren BGK-17-25 arbeide for å produsere klor med et volum på 800 m 3, hvis strømeffektiviteten er 96 %, er strømstyrken 30 kA? Forholdene er normale.
9-3. Beregn den teoretiske verdien (V) av dekomponeringsspenningen under elektrolysen av en vandig løsning av natriumklorid. Anolyttkonsentrasjon 270 kg/m 3, katolytt 120 kg/m 3 .
9-4. Beregn energiutnyttelsesfaktoren for en elektrolysator utstyrt med en jernkatode, hvor den teoretiske dekomponeringsspenningen er 2,16 V, og den praktiske spenningen er 3,55 V ved elektrolysering av en vandig løsning av natriumklorid. Strømutgang 93 %.
9-5. Bestem strømutgangen for BGK-17-50-cellen, hvor det i løpet av dagen ved en strøm på 40 kA ble oppnådd 9821 m 3 elektrolytisk væske inneholdende 140 kg/m 3 natriumhydroksid.
9-6. I diafragmametoden for å produsere kaustisk soda, fullføres elektrolyseprosessen når massefraksjonen av kaustisk soda i løsningen når 10%. Beregn hvilken massefraksjon av natriumklorid som gjennomgikk elektrolyse hvis den opprinnelige saltlakekonsentrasjonen var 310 kg/m 3 og tettheten var 1,197 t/m 3.
9-7. Bestem konverteringshastigheten for en katolytt som inneholder 120 kg/m 3 natriumhydroksid hvis det opprinnelige natriumkloridinnholdet var 293 kg/m 3 . Ignorer produksjonstap.
9-8. Bestem det ekstra strømforbruket for å oppnå hydrogen med en masse på 1 t, forårsaket av overspenningen av gassutviklingen h = 0,2 V.
9-9. Beregn energiforbruket for å oppnå klor med en masse på 1 tonn i elektrolysecellen BGK-17-50, hvis strømmen ved terminalene er 25 kA, er spenningen 3,6 V, strømutgangen er 96%.
9-10. Bestem strømutgangen for en Hooker elektrolysecelle som produserer 225 m 3 /h katolytt som inneholder 135 kg/m 3 natriumhydroksid. Cellen opererer med en belastning på 40 kA.
9-11. Bestem bedriftens ukentlige behov for jernbanetanker med en bæreevne på 50 tonn for transport av flytende klor, hvis bedriften har 3 serier elektrolysatorer BGK-17-50, 68 stykker i hver serie. Belastningen til cellen er 50 kA, strømutgangen er 96%.
9-12. Beregn det teoretiske strømforbruket for å produsere kaustisk soda med en masse på 1 tonn og klor med en masse på 1 tonn i en diafragmaelektrolysator hvis den teoretiske dekomponeringsspenningen til en natriumkloridløsning er 2,2 V.
9-13. Beregn energiforbruket for produksjon av 1 tonn natriumhydroksid i en elektrolysator med en kvikksølvkatode type "Solve" V-200, hvis spenningen på elektrodene er 4,56 V, er strømutgangen 96%, strømstyrken er 190 kA.
9-14. Elektrolysebutikken har 66 bad med kvikksølvkatoder. Fra en likestrømkilde forsynes de med en spenning på 250 V ved en strømstyrke på 30 kA. Bestem produktiviteten til et slikt verksted per dag for lut med en konsentrasjon av kaustisk soda på 140 kg / m 3 og klor ved en strømeffekt på 96%; spenning på hvert bad og energiforbruk per 1 tonn klor og 1 tonn kaustisk soda (separat).
9-15. På bunnen av kvikksølvelektrolysatoren, med en lengde på 10 m, en bredde på 1,5 m, strømmer kvikksølv i et lag på 5 mm. Ved inngangen til elektrolysatoren er massefraksjonen av natrium i kvikksølv 0,01 %, og ved utgangen er den 0,2 %. Strømutgang 95 %. Katodestrømtettheten er 5000 A/m 2 . Bestem massen til en 40 % natriumhydroksidløsning, som kan oppnås fra 1 m 2 av en kvikksølvkatode, og den lineære strømningshastigheten til kvikksølv. Ignorer endringen i kvikksølvtetthet under amalgamdannelse.
9-16. Bestem energiutgangen for kvikksølvcellen R-101, hvis her: anodepotensialet er -1,42 V; katodepotensial 1,84 V; badespenning 3,55 V; strømutgang 93,7 %.
9-17. Beregn den volumetriske sirkulasjonshastigheten til kvikksølv i klorelektrolysatoren hvis massefraksjonen av natrium i det innkommende kvikksølvet er 0,015 %, og i det utgående kvikksølvet er det 0,21 %. Natriumstrømmen er 97 %, cellebelastningen er 25 kA.
9-18. I den horisontale nedbryteren, som mottar 23 tonn natriumamalgam i timen, ble det frigjort hydrogen i et volum på 56 m 3 . Bestem massefraksjonen av natrium i amalgamet (ved n.a.).
9-19 . Den årlige designkapasiteten til et av foretakene for produksjon av saltsyre er 80 tusen tonn av et produkt med en massefraksjon av hydrogenklorid på 34%. Vil denne bedriften gi klor og hydrogen et verksted med 84 R-30 bad, som opererer i henhold til bedriftens tidsplan? Strømutgang 96 %, belastning på en celle 30 kA. Syreutbyttet er 95 % av teoretisk.
9-20. Membranklorelektrolysator har følgende ytelsesindikatorer: strømutgang på klor 95 %; hydrogenstrømeffektivitet 99 %; belastning 20 kA. Hvilken masse saltsyre med en massefraksjon av hydrogenklorid på 35 % kan oppnås fra den totale klor som produseres i løpet av 30 dagers drift av elektrolysatoren? Hvilket volum hydrogen i m 3 bør produseres av elektrolysatoren for å oppnå denne massen av syre, hvis volumfraksjonen av hydrogen er 5 % mer mot støkiometri?
Elektrolyse er en redoksreaksjon som oppstår på elektroder hvis en konstant elektrisk strøm føres gjennom smelten eller elektrolyttløsningen.
Katoden er et reduksjonsmiddel som donerer elektroner til kationer.
Anoden er et oksidasjonsmiddel som aksepterer elektroner fra anioner.
|
Aktivitetsserie av kationer: |
Na + , Mg 2+ , Al 3+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ , H+ , Cu2+, Ag+ _____________________________→ Styrker den oksiderende kraften |
|
Anion aktivitetsserie: |
I - , Br - , Cl - , OH - , NO 3 - , CO 3 2- , SO 4 2- ←__________________________________ Øke restitusjonsevnen |
Prosesser som skjer på elektroder under elektrolyse av smelter
(ikke avhengig av materialet til elektrodene og ionenes natur).
1. Anioner slippes ut ved anoden ( A m-; Åh-
A m - - m ē → A °; 4 OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O (oksidasjonsprosesser).
2. Kationer utlades ved katoden ( Me n+, H+ ), blir til nøytrale atomer eller molekyler:
Me n + + n ē → Me ° ; 2H+ + 2ē → H20 (gjenopprettingsprosesser).
Prosesser som skjer på elektrodene under elektrolyse av løsninger
|
KATODE (-) Ikke avhengig av katodematerialet; avhenge av metallets posisjon i en rekke spenninger |
ANOD (+) Avhenger av anodematerialet og anionenes natur. |
|
|
Anoden er uløselig (inert), dvs. laget av kull, grafitt, platina, gull. |
Anoden er løselig (aktiv), dvs. laget avCu, Ag, Zn, Ni, Feog andre metaller (unntattPt, Au) |
|
|
1. Først av alt gjenopprettes metallkationer, står i en serie spenninger etterH 2 : Me n+ +nē → Me° |
1. Først av alt oksideres anioner av oksygenfrie syrer (unntattF - ): A m- - mē → A° |
Anioner oksideres ikke. Anodemetallatomer oksideres: Me° - nē → Me n+ Kationer Me n + gå i løsning. Massen til anoden reduseres. |
|
2. Metallkationer med middels aktivitet, stående mellomAl Og H 2 , gjenopprettes samtidig med vann: Me n+ + nē →Me° 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH - |
2. Anioner av oksosyrer (SÅ 4 2- , CO 3 2- ,..) Og F - oksiderer ikke, molekyler oksideresH 2 O : 2H20 - 4° → O2 + 4H+ |
|
|
3.Kationer av aktive metaller fraLi før Al (inklusive) gjenopprettes ikke, men molekyler gjenopprettesH 2 O : 2 H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH - |
3. Under elektrolyse av alkaliløsninger oksideres ionerÅh- : 4OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O |
|
|
4. Under elektrolysen av sure løsninger reduseres kationer H+: 2H + + 2ē → H20 |
||
ELEKTROLYSE AV SMELT
Øvelse 1. Lag et diagram over elektrolysen av natriumbromidsmelte. (Algorithme 1.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
NaBr → Na + + Br - |
|
|
K - (katode): Na +, A + (anode): Br - |
|
|
K + : Na + + 1ē → Na 0 (gjenoppretting), A +: 2 Br - - 2ē → Br 2 0 (oksidasjon). |
|
|
2NaBr \u003d 2Na +Br 2 |
Oppgave 2. Lag et diagram over elektrolysen av natriumhydroksidsmelten. (Algorithme 2.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
NaOH → Na + + OH - |
|
|
2. Vis bevegelsen av ioner til de tilsvarende elektrodene |
K - (katode): Na +, A+ (anode): OH -. |
|
3. Tegn opp skjemaer for oksidasjons- og reduksjonsprosesser |
K - : Na + + 1ē → Na 0 (gjenoppretting), A +: 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2 (oksidasjon). |
|
4. Lag en ligning for elektrolyse av en alkalismelte |
4NaOH \u003d 4Na + 2H 2 O + O 2 |
Oppgave 3.Lag et diagram over elektrolysen av en smelte av natriumsulfat. (Algorithme 3.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
1. Komponer saltdissosiasjonsligningen |
Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2- |
|
2. Vis bevegelsen av ioner til de tilsvarende elektrodene |
K - (katode): Na + A + (anode): SO 4 2- |
|
K -: Na + + 1ē → Na 0, A +: 2SO 4 2- - 4ē → 2SO 3 + O 2 |
|
|
4. Lag en ligning for elektrolyse av smeltet salt |
2Na 2 SO 4 \u003d 4Na + 2SO 3 + O 2 |
LØSNINGSELEKTROLYSE
Øvelse 1.Tegn et skjema for elektrolyse av en vandig løsning av natriumklorid ved bruk av inerte elektroder. (Algorithme 1.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
1. Komponer saltdissosiasjonsligningen |
NaCl → Na + + Cl - |
|
Natriumioner i løsningen gjenopprettes ikke, så vann gjenopprettes. Klorioner oksideres. |
|
|
3. Lag diagrammer over prosessene for reduksjon og oksidasjon |
K -: 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH - A +: 2Cl - - 2ē → Cl 2 |
|
2NaCl + 2H2O \u003d H2 + Cl2 + 2NaOH |
Oppgave 2.Tegn et skjema for elektrolyse av en vandig løsning av kobbersulfat ( II ) ved bruk av inerte elektroder. (Algorithme 2.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
1. Komponer saltdissosiasjonsligningen |
CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2- |
|
2. Velg ionene som skal utlades ved elektrodene |
Kobberioner reduseres ved katoden. Ved anoden i en vandig løsning oksideres ikke sulfationer, så vann oksideres. |
|
3. Lag diagrammer over prosessene for reduksjon og oksidasjon |
K - : Cu 2+ + 2ē → Cu 0 A+: 2H20 - 4° → O2+4H+ |
|
4. Lag en ligning for elektrolyse av en vandig saltløsning |
2CuSO 4 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4 |
Oppgave 3.Lag et skjema for elektrolyse av en vandig løsning av en vandig løsning av natriumhydroksid ved bruk av inerte elektroder. (Algorithme 3.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
1. Lag en ligning for dissosiasjonen av alkali |
NaOH → Na + + OH - |
|
2. Velg ionene som skal utlades ved elektrodene |
Natriumioner kan ikke reduseres, så vann reduseres ved katoden. Hydroksydioner oksideres ved anoden. |
|
3. Lag diagrammer over prosessene for reduksjon og oksidasjon |
K -: 2 H 2 O + 2ē → H 2 + 2 OH - A +: 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2 |
|
4. Lag en ligning for elektrolyse av en vandig løsning av alkali |
2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2 , dvs. elektrolysen av en vandig løsning av alkali reduseres til elektrolyse av vann. |
Huske.Ved elektrolyse av oksygenholdige syrer (H 2 SO 4 etc.), baser (NaOH, Ca (OH) 2 etc.) , salter av aktive metaller og oksygenholdige syrer(K 2 SO 4 osv.) elektrolyse av vann skjer på elektrodene: 2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2
Oppgave 4.Lag et skjema for elektrolyse av en vandig løsning av sølvnitrat ved å bruke en anode laget av sølv, dvs. anoden er løselig. (Algorithme 4.)
|
Sekvensering |
Iverksette tiltak |
|
1. Komponer saltdissosiasjonsligningen |
AgNO 3 → Ag + + NO 3 - |
|
2. Velg ionene som skal utlades ved elektrodene |
Sølvioner reduseres ved katoden, og sølvanoden løses opp. |
|
3. Lag diagrammer over prosessene for reduksjon og oksidasjon |
K-: Ag + + 1ē→ Ag 0 ; A+: Ag 0 - 1ē→ Ag + |
|
4. Lag en ligning for elektrolyse av en vandig saltløsning |
Ag + + Ag 0 = Ag 0 + Ag + elektrolyse reduseres til overføring av sølv fra anoden til katoden. |
Velg riktig alternativ.
91. Fra en blanding av kationer: Ag +, Cu 2+, Fe 2+, Zn 2+, vil kationer først og fremst bli gjenopprettet:
92. For å dekke metall med nikkel, utføres elektrolyse ved å bruke:
93. Under elektrolysen av en natriumkloridløsning vil miljøet til løsningen ved katoden:
nøytral
alkalisk
94. Kalsium kan fås fra kalsiumklorid ved å:
1) elektrolyseløsning
2) smelteelektrolyse
3) hydrogenreduksjon
4) termisk dekomponering.
95. Under elektrolysen av en kobberkloridløsning (kobberanode), vil følgende bli oksidert på anoden:
2) oksygen
3) hydrogen
96. Under elektrolysen av en natriumkarbonatløsning med grafittelektroder på anoden skjer følgende:
1) utslipp av CO 2
2) frigjøring av oksygen
3) hydrogenutvikling
4) natriumutfelling.
Del B
Gi komplette løsninger.
1. Komponer den elektroniske formelen for jernatomer, vis grafisk valenselektronene i normal og eksitert tilstand. Hva er oksidasjonstilstandene til et jernatom? Gi eksempler på jernoksider og hydroksyder i de tilsvarende oksidasjonstilstandene, angi deres natur.
kJ/mol åååf (-285,84)
varme ved dannelse av ammoniakk (H 0 arr.(NH 3 )) er lik:
92,15 kJ/mol;
92,15 kJ/mol;
46,76 kJ/mol;
46,76 kJ/mol.
4. Reduksjonsreaksjonen av kobber(II)oksid med aluminium er mulig
G 0 arr. 3CuO + 2Al = Al 2 O 3 + 3 Cu
kJ/mol -129,8 -1582
Gibbs gratis energi (Gx.r.) er lik:
5. Når 1 mol fosforsyre interagerer med 1 mol natriumhydroksid, dannes følgende:
1) natriumortofosfat 3) natriumdihydroortofosfat
2) natriumhydrogenortofosfat 4) natriumfosfat
Lag molekylær-ioniske reaksjonsligninger. Summen av alle koeffisientene i den korte ioniske ligningen er...
6. Metyloransje blir gul når hvert av de to saltene er oppløst i vann:
1) K 2 S og K 3 PO 4 3) LiCl og FeSO 4
2) KNO 3 og K 3 PO 4 4) CH 3 COOK og K 2 SO 4
Lag molekylær-ioniske ligninger for hydrolysereaksjoner.
7. Når du interagerer med vandige løsninger av salter av aluminiumsulfat og natriumkarbonat, er summen av koeffisientene i den korte ioniske ligningen:
1) 10 2) 12 3) 13 4) 9
Et surt miljø dannes når hvert av de to saltene er oppløst i vann:
1) BaCl 2 og AlCl 3 3) CuCl 2 og LiCl
2) K 2 S og K 3 PO 4 4) NH 4 NO 3 og Zn (NO 3) 2
Komponer de molekylær-ioniske hydrolyseligningene, utled hydrolysekonstanten for det første trinnet.
I reaksjonsligningen er skjemaet:
FeSO 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4) 3 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
Summen av koeffisientene foran formlene til utgangsstoffene er:
Gi den komplette løsningen av oppgaven (bruk den ion-elektroniske metoden).
Angi riktig rekkefølge av handlinger når du bestemmer typen hybridisering av CA. i partikkel:
Sett match:
Type hybridisering C.A. Partikkel
1) sp 2 a) H 2 O
2) sp 3 b) VN 3
3) sp 3 d c) SCl 6
4) sp 3 d 2 d) CO
Vurder, ifølge algoritmen, de partiklene der C.A. i sp 3 og sp 3 d hybridiseringer.
IG. E.: Ag | AgNO 3 | | Fe(NO 3 ) 2 | Fe
Beregn EMF ved n.o.
Gi komplette løsninger
3. Kvittering. Kalsium oppnås ved elektrolyse av det smeltede kloridet.
4. Fysiske egenskaper. Kalsium er et sølvhvitt metall, veldig lett (ρ \u003d 1,55 g / cm 3), som alkalimetaller, men uforlignelig hardere enn dem og har et mye høyere smeltepunkt, lik 851 0 С.
5. Kjemiske egenskaper. Som alkalimetaller er kalsium et sterkt reduksjonsmiddel, som skjematisk kan avbildes som følger:
Kalsiumforbindelser farger flammen murstein rød. Som alkalimetallene lagres kalsiummetall vanligvis under et lag med parafin.
6. Søknad. På grunn av sin høye kjemiske aktivitet brukes metallisk kalsium for å redusere noen ildfaste metaller (titan, zirkonium, etc.) fra oksidene deres. Kalsium brukes også i produksjonen av stål og støpejern, for å rense sistnevnte fra oksygen, svovel og fosfor, for å oppnå noen legeringer, spesielt bly-kalsium, som er nødvendig for fremstilling av lagre.
7. De viktigste kalsiumforbindelsene oppnådd i industrien.
Kalsiumoksid produseres i industrien ved å brenne kalkstein:
CaCO 3 → CaO + CO 2
Kalsiumoksid er et ildfast stoff av hvit farge (smelter ved en temperatur på 2570 0 C), har kjemiske egenskaper som er iboende i hovedoksidene av aktive metaller (I, Tabell II, s. 88).
Reaksjonen av kalsiumoksid med vann fortsetter med frigjøring av en stor mengde varme:
CaO + H 2 O ═ Ca (OH) 2 + Q
Kalsiumoksid er hovedkomponenten i brent kalk, og kalsiumhydroksid er hovedbestanddelen i lesket kalk.
Reaksjonen mellom kalsiumoksid og vann kalles kalklesking.
Kalsiumoksid brukes hovedsakelig til å produsere lesket kalk.
Kalsiumhydroksid Ca(OH) 2 er av stor praktisk betydning. Den brukes i form av lesket kalk, limemelk og kalkvann.
Hydratkalk er et tynt løst pulver, vanligvis grått i fargen (en komponent av kalsiumhydroksid), lett løselig i vann (1,56 g løses opp i 1 liter vann ved 20 0 C). En deigaktig blanding av lesket kalk med sement, vann og sand brukes i konstruksjonen. Gradvis stivner blandingen:
Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O
Limemelk er en suspensjon (suspensjon) som ligner på melk. Den dannes ved å blande overflødig lesket kalk med vann. Limemelk brukes til å skaffe blekemiddel, i produksjonen av sukker, for å tilberede blandinger som er nødvendige i kampen mot plantesykdommer, for å kalke trestammer.
Kalkvann er en klar løsning av kalsiumhydroksid oppnådd ved å filtrere melk av kalk. Bruk den i laboratoriet for å oppdage karbonmonoksid (IV):
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O
Ved langvarig overføring av karbonmonoksid (IV) blir løsningen gjennomsiktig:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca(HCO 3) 2
Hvis den resulterende gjennomsiktige løsningen av kalsiumbikarbonat varmes opp, oppstår uklarhet igjen:
Lignende prosesser foregår også i naturen. Hvis vann inneholder oppløst karbonmonoksid (IV) og virker på kalkstein, blir noe av kalsiumkarbonatet omdannet til løselig kalsiumbikarbonat. På overflaten varmes løsningen opp, og kalsiumkarbonat faller ut av den igjen.
* Klor er av stor praktisk betydning. Det oppnås ved reaksjon av lesket kalk med klor:
2 Ca(OH) 2 + 2 Cl 2 → Ca(ClO) 2 + CaCl 2 + 2H 2 O
Den aktive ingrediensen i blekemiddel er kalsiumhypokloritt. Hypokloritter gjennomgår hydrolyse. Dette frigjør hypoklorsyre. Hypoklorsyre kan fortrenges fra saltet selv med karbonsyre:
Ca(ClO) 2 + CO 2 + H 2 O → CaCO 3 ↓+ 2 HClO
2 HClO → 2 HCl + O 2
Denne egenskapen til blekemiddel er mye brukt til bleking, desinfeksjon og avgassing.
8. Gips. Det finnes følgende typer gips: naturlig - CaSO 4 ∙ 2H 2 O, brent - (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O, vannfri - CaSO 4.
Brent (halvvandig) gips, eller alabaster, (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O oppnås ved å varme opp naturlig gips til 150–180 0 С:
2 → (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3 H 2 O
Blander du alabastpulver med vann, dannes det en halvflytende plastmasse som raskt stivner. Herdeprosessen forklares ved tilsetning av vann:
(CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3 H 2 O → 2
Egenskapen til brent gips for å herde brukes i praksis. Så for eksempel brukes alabast blandet med kalk, sand og vann som puss. Kunstgjenstander er laget av ren alabast, og i medisin brukes det til å påføre gipsbandasjer.
Hvis naturlig gips CaSO 4 ∙ 2H 2 O varmes opp til en høyere temperatur, frigjøres alt vannet:
CaSO 4 ∙ 2H 2 O → CaSO 4 + 2 H 2 O
Den resulterende vannfrie gipsen CaSO 4 er ikke lenger i stand til å feste vann, og derfor ble den kalt død gips.
Vannets hardhet og måter å eliminere det på.
Alle vet at såpe skummer godt i regnvann (bløtt vann), mens det i kildevann vanligvis skummer dårlig (hardt vann). Analyse av hardt vann viser at det inneholder betydelige mengder løselige kalsium- og magnesiumsalter. Disse saltene danner uløselige forbindelser med såpe. Slikt vann er uegnet til å kjøle forbrenningsmotorer og drive dampkjeler, siden når hardt vann varmes opp, dannes det kalk på veggene til kjølesystemer. Kalk leder ikke varmen godt; derfor er overoppheting av motorer, dampkjeler mulig, i tillegg akselereres slitasjen deres.
Hva er typene hardhet?
Karbonat, eller midlertidig hardhet, skyldes tilstedeværelsen av kalsium- og magnesiumbikarbonater. Det kan fikses på følgende måter:
1) koking:
Ca(HCO 3) 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2
Mg(HCO 3) 2 → MgCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2
2) virkningen av limemelk eller brus:
Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O
Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2NaHCO 3
Ca 2+ + 2 HCO 3 - + 2 Na + + CO 3 2- → CaCO 3 ↓ + 2 Na + + 2HCO 3 -
Ca 2+ + CO 3 2- → CaCO 3 ↓
Ikke-karbonat, eller permanent, hardhet skyldes tilstedeværelsen av sulfater og klorider av kalsium og magnesium.
Det elimineres av virkningen av brus:
CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4
MgSO 4 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 ↓ + Na 2 SO 4
Mg 2+ + SO 4 2- + 2Na + + CO 3 2- → MgCO 3 ↓ + 2Na + + SO 4 2-
Mg 2+ + CO 3 2- → MgCO 3 ↓
Karbonat- og ikke-karbonathardhet summerer seg til den totale hardheten til vannet.
IV. Konsolidering av kunnskap (5 min.)
1. Forklar på grunnlag av det periodiske systemet og teorien om strukturen til atomer hvilke egenskaper ved magnesium og kalsium som er vanlige. Skriv ligninger for de tilsvarende reaksjonene.
2. Hvilke mineraler inneholder kalsium og hvordan brukes de?
3. Fortell oss hvordan vi kan skille ett naturlig mineral fra et annet.
V. Lekser (3 min.)
Svar på spørsmålene og fullfør oppgave 1-15, § 48,49, løs oppgave 1-4, s. 132-133.
Det er akkurat slik undervisningsplanen ser ut på skolen om temaet "Kalsium og dets forbindelser".
Basert på det foregående er det åpenbart at skolekjemikurset må fylles med miljøinnhold. Resultatene av dette arbeidet vil bli presentert i det tredje kapittelet.
engangs) - 0,01 %. 4 Innhold Innledning ................................................... ................................................... .. ..................................4 Kapittel 1. Tverrfaglige forbindelser i løpet av skolefaget kjemi om eksemplet karbon og dets forbindelser ................................................... .............. .........5 1.1 Bruke tverrfaglige forbindelser for å danne studenter ...
Aktivitet. Jakten på metoder og undervisningsformer som bidrar til utdanning av en kreativ personlighet har ført til fremveksten av noen spesifikke undervisningsmetoder, hvorav en er spillmetoder. Implementeringen av spillundervisningsmetoder i studiet av kjemi under betingelsene for overholdelse av didaktiske og psykologiske og pedagogiske funksjoner, øker opplæringsnivået til studentene. Ordet "spill" på russisk...
og hygieniske krav); overholdelse av pedagogisk og fysisk aktivitet med barnets aldersevne; nødvendig, tilstrekkelig og rasjonelt organisert motorisk modus. Ved helsebesparende pedagogisk teknologi (Petrov) forstår han et system som skaper de maksimalt mulige forholdene for bevaring, styrking og utvikling av det åndelige, emosjonelle, intellektuelle, ...