Elektroliza. Przykłady obliczeń

Elektroliza to rozkład elektrolitu (roztworu soli, kwasów, zasad) za pomocą prądu elektrycznego.

Elektrolizę można przeprowadzić tylko za pomocą prądu stałego. Podczas elektrolizy wodór lub metal zawarty w soli jest uwalniany na elektrodzie ujemnej (katodzie). Jeśli elektroda dodatnia (anoda) jest wykonana z metalu (zwykle takiego samego jak w soli), wówczas elektroda dodatnia rozpuszcza się podczas elektrolizy. Jeśli anoda jest nierozpuszczalna (np. węgiel), zawartość metalu w elektrolicie zmniejsza się podczas elektrolizy.

Ilość substancji uwolnionej podczas elektrolizy na katodzie jest proporcjonalna do ilości energii elektrycznej, która przeszła przez elektrolit.

Ilość substancji uwolnionej przez jeden kulomb elektryczności nazywana jest elektrochemicznym równoważnikiem A, stąd G = A • Q; G = A • Ja • t,

gdzie G jest ilością wydzielonej substancji; Q to ilość energii elektrycznej; I — prąd elektryczny; czas.

Każdy metal ma swój odpowiednik elektrochemiczny A.

Przykłady obliczeń

1. Ile miedzi zostanie uwolnione z siarczanu miedzi (CuSO4) (ryc. 1) przy przepływie prądu I = 10 A przez 30 minut.Równoważnik elektrochemiczny miedzi A = 0,329 mg/A • sek.

Ryż. 1. Schemat dla przykładu 1

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

Przedmiot zawieszony na katodzie uwolni 5,9 g czystej miedzi.

2. Dopuszczalna gęstość prądu w miedzianej powłoce elektrolitycznej • = 0,4 A/dm2. Powierzchnia katody do pokrycia miedzią wynosi S = 2,5 dm2. Jaki prąd jest potrzebny do elektrolizy i ile miedzi uwalnia się na katodzie w ciągu 1 godziny (ryc. 2).

Ryż. 2. Schemat dla przykładu 2

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

3. Utleniona woda (na przykład słaby roztwór kwasu siarkowego H2SO4) podczas elektrolizy rozkłada się na wodór i tlen. Elektrody mogą być węglowe, cynowe, miedziane itp., ale najlepsza jest platyna. Ile tlenu uwolni się na anodzie, a ile wodoru na katodzie w ciągu 1/4 godziny przy prądzie 1,5 A. Ilość prądu elektrycznego w ciągu 1 A sek uwalnia 0,058 cm3 tlenu i 0,116 cm3 wodoru (rys. 3).

Ryż. 3. Schemat przykładu 3

Ga = A • I • t = 0,058 • 1,5 • 15 • 60 = 78,3 cm3 tlenu zostanie uwolnione na katodzie.

Gc = A • I • t = 0,1162 • 1,5 • 15 • 60 = 156,8 cm3 wodoru zostanie uwolnione na anodzie.

Mieszanina wodoru i tlenu w takim stosunku nazywana jest gazem wybuchowym, który po zapaleniu eksploduje, tworząc wodę.

4. Tlen i wodór do eksperymentów laboratoryjnych uzyskuje się za pomocą elektroliza wody (utleniony kwas siarkowy) (ryc. 4). Do szkła wlutowane są elektrody platynowe. Korzystając z rezystancji, ustawiliśmy prąd I = 0,5 A. (Jako źródło prądu zastosowano baterię trzech suchych ogniw 1,9 V) Ile wodoru i tlenu zostanie uwolnionych po 30 minutach.

Ryż. 4… Na przykład rysunek 4

W prawym naczyniu Gc = A • I • t = 0,1162 • 0,5 • 30 • 60 = 104,58 cm3 wodoru zostanie uwolnione.

W lewym naczyniu Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 tlenu będzie się wydzielać (gazy wypierają wodę w naczyniu środkowym).

5. Blok konwertera (silnik-generator) dostarcza prąd do otrzymywania miedzi elektrolitycznej (czystej). W ciągu 8 godzin powinieneś otrzymać 20 kg miodu. Jaki prąd powinien zapewnić generator? • Równoważnik elektrochemiczny miedzi wynosi A = 0,329 mg/A • sek.

Ponieważ G = A • I • t, ​​​​to I = G / (A • t) = 20 000 000 / (0,329 • 8 • 3600) = 20 000 000 / 9475,2 = 2110,7 A.

6. Konieczne jest chromowanie 200 reflektorów, z czego na każdy przypada 3 g chromu. Jaki prąd jest potrzebny do wykonania tej pracy w ciągu 10 godzin (elektrochemiczny równoważnik chromu A = 0,18 mg / A • s).

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

7. Aluminium otrzymuje się przez elektrolizę roztworu glinki kaolinowej i kriolitu w kąpielach przy napięciu roboczym kąpieli 7 V i prądzie 5000 A. Anody wykonane są z węgla, a kąpiel ze stali z węglem bloki (ryc. 5).

Ryż. 5 Na przykład rysunek 5

Aluminiowe wanny produkcyjne są łączone szeregowo w celu zwiększenia napięcia roboczego (na przykład 40 wanien). Do wyprodukowania 1 kg aluminium potrzeba około 0,7 kg anod węglowych i 25-30 kWh energii elektrycznej. Na podstawie podanych danych określ moc generatora, zużycie energii na 10 godzin pracy oraz wagę otrzymanego aluminium.

Moc generatora przy pracy na 40 łaźniach P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.

Energia elektryczna zużyta przez 10 godzin, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.

Ilość otrzymanego aluminium G = 14000:25 = 560 kg.

Na podstawie teoretycznego równoważnika elektrochemicznego ilość otrzymanego aluminium powinna być równa:

GT = A • I • t = 0,093 • 5000 • 40 • 10 • 3600 = 0,093 • 720 000 000 mg = 669,6 kg.

Sprawność instalacji elektrolitycznej wynosi: Sprawność = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83%.