इलेक्ट्रोलिसिस - कृतीचे तत्त्व, उद्देश आणि अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया

नॉन-फेरस मेटलर्जी आणि अनेक रासायनिक उद्योगांमध्ये इलेक्ट्रोलिसिस व्यापक आहे. अॅल्युमिनियम, झिंक, मॅग्नेशियम यांसारखे धातू प्रामुख्याने इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे मिळतात. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रोलिसिसचा वापर तांबे, निकेल, शिसे, तसेच हायड्रोजन, ऑक्सिजन, क्लोरीन आणि इतर अनेक रसायने तयार करण्यासाठी (शुद्धीकरण) करण्यासाठी केला जातो.

इलेक्ट्रोलिसिसचे सार म्हणजे इलेक्ट्रोलाइटमधून पदार्थाचे कण वेगळे करणे जेव्हा इलेक्ट्रोलाइटिक बाथमधून थेट प्रवाह जातो आणि बाथमध्ये बुडलेल्या इलेक्ट्रोड्सवर त्यांचा जमा होतो (इलेक्ट्रोएक्सट्रॅक्शन) किंवा जेव्हा पदार्थ एका इलेक्ट्रोडमधून इलेक्ट्रोलाइटद्वारे दुसर्यामध्ये हस्तांतरित केले जातात ( इलेक्ट्रोलाइटिक परिष्करण). दोन्ही प्रकरणांमध्ये, प्रक्रियांचे उद्दिष्ट अशुद्धतेने दूषित नसलेले शुद्ध शक्य पदार्थ मिळवणे आहे.

याउलट इलेक्ट्रॉनिक चालकता इलेक्ट्रोलाइट्समधील धातू (पाण्यातील क्षार, आम्ल आणि पायाचे द्रावण आणि काही इतर सॉल्व्हेंट्समध्ये तसेच वितळलेल्या संयुगेमध्ये), आयनिक चालकता दिसून येते.

इलेक्ट्रोलाइट हे द्वितीय श्रेणीचे कंडक्टर आहेत.या द्रावणांमध्ये आणि वितळण्यामध्ये, इलेक्ट्रोलाइटिक पृथक्करण होते - सकारात्मक आणि नकारात्मक चार्ज केलेल्या आयनांचे विघटन.

जर विद्युत उर्जेच्या स्त्रोताशी जोडलेले इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट - इलेक्ट्रोलायझर असलेल्या भांड्यात ठेवले असतील तर त्यात आयनिक प्रवाह वाहू लागेल आणि सकारात्मक चार्ज केलेले आयन - कॅशन्स कॅथोडकडे जातील (हे प्रामुख्याने धातू आणि हायड्रोजन आहेत. ), आणि नकारात्मक चार्ज केलेले आयन — anions (क्लोरीन, ऑक्सिजन) — एनोडला.

एनोडवर, आयन त्यांचे चार्ज सोडतात आणि इलेक्ट्रोडवर स्थिर करणारे तटस्थ कण बनतात. कॅथोडवर, केशन्स इलेक्ट्रोडमधून इलेक्ट्रॉन घेतात आणि तटस्थ देखील होतात, त्यावर स्थिर होतात आणि फुगेच्या स्वरूपात इलेक्ट्रोडवर सोडलेले वायू वर येतात.

तांदूळ. 1. इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान प्रक्रिया. इलेक्ट्रिक बाथ सर्किट: 1 — बाथ, 2 — इलेक्ट्रोलाइट, 3 — एनोड, 4 — कॅथोड, 5 — वीज पुरवठा

बाह्य सर्किटमधील विद्युत प्रवाह म्हणजे एनोडपासून कॅथोडपर्यंत इलेक्ट्रॉनची हालचाल (चित्र 1). या प्रकरणात, द्रावण संपुष्टात आले आहे, आणि इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियेची सातत्य राखण्यासाठी, ते समृद्ध करणे आवश्यक आहे. अशा प्रकारे इलेक्ट्रोलाइटमधून काही पदार्थ काढले जातात (इलेक्ट्रोएक्सट्रॅक्शन).

जर एनोड इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विरघळू शकतो, जसे की नंतरचे कमी होते, तर त्याचे कण, इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विरघळतात, एक सकारात्मक चार्ज प्राप्त करतात आणि कॅथोडकडे निर्देशित केले जातात, ज्यावर ते जमा केले जातात, ज्यामुळे एनोडमधून कॅथोडमध्ये सामग्री हस्तांतरित होते. . एनोडच्या धातूमध्ये असलेली अशुद्धता कॅथोडमध्ये हस्तांतरित केली जाऊ नये म्हणून ही प्रक्रिया केली जाते, या प्रक्रियेला इलेक्ट्रोलाइटिक रिफायनिंग म्हणतात.

ज्या द्रव्यापासून ते बनवले जाते त्याच पदार्थाचे आयन असलेल्या द्रावणात जर इलेक्ट्रोड ठेवला असेल तर इलेक्ट्रोड आणि द्रावण यांच्यातील विशिष्ट क्षमतेनुसार इलेक्ट्रोड विरघळत नाही किंवा द्रावणातून पदार्थ त्यावर जमा होत नाही.

या संभाव्यतेला पदार्थाची सामान्य क्षमता म्हणतात. जर इलेक्ट्रोडवर अधिक नकारात्मक क्षमता लागू केली गेली, तर त्यावर पदार्थ (कॅथोडिक प्रक्रिया) सोडणे सुरू होईल, परंतु जर ते अधिक सकारात्मक असेल तर त्याचे विघटन (अॅनोडिक प्रक्रिया) सुरू होईल.

सामान्य क्षमतांचे मूल्य आयन एकाग्रता आणि तापमानावर अवलंबून असते. सामान्यतः हायड्रोजनची सामान्य क्षमता शून्य मानणे स्वीकारले जाते. तक्ता 1 + 25 ° C वर पदार्थांच्या काही जलीय द्रावणांची सामान्य इलेक्ट्रोड क्षमता दर्शविते.

तक्ता 1. + 25 ° C वर सामान्य इलेक्ट्रोड संभाव्यता

जर इलेक्ट्रोलाइटमध्ये वेगवेगळ्या धातूंचे आयन असतील, तर कमी नकारात्मक सामान्य क्षमता असलेले आयन (तांबे, चांदी, शिसे, निकेल) कॅथोडमध्ये प्रथम वेगळे केले जातात; क्षारीय पृथ्वी धातू वेगळे करणे सर्वात कठीण आहे. याव्यतिरिक्त, जलीय द्रावणांमध्ये नेहमीच हायड्रोजन आयन असतात, जे नकारात्मक सामान्य संभाव्यतेसह सर्व धातूंपेक्षा लवकर सोडले जातील, म्हणून, नंतरच्या इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान, हायड्रोजन सोडण्यासाठी महत्त्वपूर्ण किंवा बहुतेक ऊर्जा खर्च केली जाते. .

विशेष उपायांच्या मदतीने, हायड्रोजनची उत्क्रांती विशिष्ट मर्यादेत रोखणे शक्य आहे, परंतु 1 V पेक्षा कमी सामान्य क्षमता असलेल्या धातू (उदाहरणार्थ, मॅग्नेशियम, अॅल्युमिनियम, क्षारीय पृथ्वी धातू) इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे मिळवता येत नाहीत. जलीय द्रावण. या धातूंच्या वितळलेल्या क्षारांचे विघटन करून ते प्राप्त होतात.

सारणीमध्ये दर्शविलेल्या पदार्थांची सामान्य इलेक्ट्रोड क्षमता.1, कमीतकमी आहेत ज्यावर इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया सुरू होते, व्यवहारात प्रक्रियेच्या विकासासाठी संभाव्य मोठ्या मूल्यांची आवश्यकता असते.

इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान इलेक्ट्रोडची वास्तविक क्षमता आणि त्याची सामान्य क्षमता यांच्यातील फरक याला ओव्हरव्होल्टेज म्हणतात. हे इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान ऊर्जा नुकसान वाढवते.

दुसरीकडे, हायड्रोजन आयनांसाठी ओव्हरव्होल्टेज वाढवल्याने कॅथोडमध्ये ते सोडणे कठीण होते, ज्यामुळे जलीय द्रावणांमधून इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे हायड्रोजनपेक्षा जास्त नकारात्मक धातू मिळवणे शक्य होते, जसे की शिसे, कथील, निकेल. , कोबाल्ट, क्रोमियम आणि अगदी जस्त. इलेक्ट्रोड्सवरील वाढीव वर्तमान घनतेवर प्रक्रिया आयोजित करून तसेच इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विशिष्ट पदार्थांचा परिचय करून हे साध्य केले जाते.

इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान कॅथोडिक आणि अॅनोडिक प्रतिक्रियांचा कोर्स फॅराडेच्या खालील दोन नियमांद्वारे निर्धारित केला जातो.

1. कॅथोडमधील इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान सोडलेल्या md पदार्थाचे वस्तुमान किंवा एनोडमधून इलेक्ट्रोलाइटला दिलेले वस्तुमान हे इलेक्ट्रोलाइट Azτ मधून उत्तीर्ण झालेल्या विजेच्या प्रमाणात असते: मी = α/τ, येथे a हे पदार्थाचे इलेक्ट्रोकेमिकल समतुल्य आहे , g/C.

2. इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान सोडलेल्या पदार्थाचे वस्तुमान समान प्रमाणात विजेच्या अणु वस्तुमानाच्या थेट प्रमाणात असते आणि त्याच्या व्हॅलेन्स n च्या व्यस्त प्रमाणात असते: mNS = A / 96480n, येथे 96480 फॅरेडे क्रमांक आहे, C x mol -1.

अशाप्रकारे, पदार्थाचे इलेक्ट्रोकेमिकल समतुल्य α= A / 96480n हे इलेक्ट्रोलाइटिक बाथमधून जाणार्‍या विजेच्या एकक प्रमाणात सोडल्या जाणार्‍या ग्रॅममधील पदार्थाचे वस्तुमान दर्शवते — एक कूलॉम्ब (अँपिअर-सेकंद).

तांबे साठी A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g/C, निकेलसाठी α =0.000304 g/C, जस्त साठी α = 0.00034 g/C

खरं तर, सोडलेल्या पदार्थाचे वस्तुमान नेहमी दर्शविल्यापेक्षा कमी असते, जे बाथमध्ये होणार्‍या अनेक बाजूंच्या प्रक्रियांद्वारे स्पष्ट केले जाते (उदाहरणार्थ, कॅथोडवर हायड्रोजन सोडणे), वर्तमान गळती आणि इलेक्ट्रोडमधील शॉर्ट सर्किट.

फॅराडेच्या नियमानुसार सोडलेल्या वस्तुमानाच्या वस्तुमानाच्या वस्तुमानाच्या गुणोत्तराला त्या पदार्थाचे वर्तमान उत्पन्न η1 असे म्हणतात.

म्हणून, वास्तविक प्रक्रियेसाठी mNS = η1 NS (A / 96480n) NS इट

स्वाभाविकच, नेहमी η1

वर्तमान कार्यक्षमता इलेक्ट्रोडच्या वर्तमान घनतेवर लक्षणीय अवलंबून असते. इलेक्ट्रोड वर्तमान घनता वाढते म्हणून, वर्तमान कार्यक्षमता वाढते आणि प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढते.

इलेक्ट्रोलायझरला पुरवल्या जाणार्‍या व्होल्टेज Uel मध्ये हे समाविष्ट आहे: ब्रेकडाउन व्होल्टेज Ep (अॅनोडिक आणि कॅथोडिक प्रतिक्रियांचा संभाव्य फरक), अॅनोडिक आणि कॅथोडिक ओव्हरव्होल्टेजची बेरीज, इलेक्ट्रोलाइट Ep मधील व्होल्टेज ड्रॉप, इलेक्ट्रोलाइट Ue मध्ये व्होल्टेज ड्रॉप = IRep (प्रतिनिधी — इलेक्ट्रोलाइटिक रेझिस्टन्स), टायर्समधील व्होल्टेज ड्रॉप, संपर्क, इलेक्ट्रोड Uc = I(Rw +Rto +RNS). आम्हाला मिळते: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान वापरण्यात येणारी शक्ती समान आहे: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

या शक्तीपैकी, फक्त पहिला घटक प्रतिक्रिया आयोजित करण्यासाठी वापरला जातो, उर्वरित प्रक्रियेचे उष्णतेचे नुकसान होते. केवळ वितळलेल्या क्षारांच्या इलेक्ट्रोलिसिसच्या वेळी, इलेक्ट्रोलाइट IUe मध्ये सोडलेल्या उष्णतेचा काही भाग उपयुक्तपणे वापरला जातो, कारण तो इलेक्ट्रोलायझरमध्ये चार्ज केलेले क्षार वितळण्यासाठी खर्च केला जातो.

इलेक्ट्रोलिसिस बाथच्या कार्यक्षमतेचा अंदाज प्रत्येक 1 J वीज वापरल्या जाणार्‍या ग्रॅममधील पदार्थाच्या वस्तुमानावरून काढला जाऊ शकतो.या मूल्याला पदार्थाची ऊर्जा उत्पन्न असे म्हणतात. ते qe = (αη1) /Uel100 या अभिव्यक्तीद्वारे आढळू शकते, येथे α — पदार्थाचे इलेक्ट्रोकेमिकल समतुल्य, g/C, η1 — वर्तमान उत्पादन, Uemail — इलेक्ट्रोलाइटिकचे व्होल्टेज सेल, व्ही.