Электролиз - Electrolysis


Из Википедии, свободной энциклопедии

Иллюстрация электролизера, используемый в школьной лаборатории

В химии и производстве , электролиз является метод , который использует прямой электрический ток (DC) для приведения в действие в противном случае не-спонтанную химическую реакцию. Электролиз является коммерчески важным , как этап в разделении из элементов из природных источников , таких как руды с использованием электролизера . Напряжения , который необходим для электролиза , чтобы иметь место называется потенциал разложения .

история

Слово «электролиз» было введено Майклом Фарадеем в 19 веке, по предложению преподобных Уэвелл , используя греческие слова ἤλεκτρον [ɛ̌ːlektron] «янтарь», который с 17го века было связано с электрическими явлениями , и λύσις [лизис] означает «растворение». Тем не менее, электролиз, как инструмент для изучения химических реакций и получения чистых элементов , предшествует чеканку термина и формального описание Фарадея.

обзор

Электролиз является прохождением в прямом электрическом токе через ионное вещество, которое либо расплавленные или растворенный в подходящем растворителе, производя химические реакции на электродах и разделение материалов.

Основные компоненты, необходимые для достижения электролиза являются:

Электроды металла , графита и полупроводникового материала широко используются. Выбор подходящего электрода зависит от химической реакции между электродом и электролитом и стоимостью производства.

Процесс электролиза

Ключевой процесс электролиза является обмен атомов и ионов путем удаления или добавления электронов из внешней цепи. Желательные продукты электролиза часто находятся в другом физическом состоянии из электролита и могут быть удалены с помощью некоторых физических процессов. Так , например, при электролизе солевого раствора для получения водорода и хлора, продукты являются газообразными. Эти газообразные продукты пузырь из электролита и собираются.

2 NaCl + 2 H 2 O → 2 NaOH + H 2 + Cl 2

Жидкость, содержащая электролит получают путем:

Электрический потенциал прикладывается через пару электродов , погруженных в электролит.

Каждый электрод притягивает ионы , которые имеют противоположный заряд . Положительно заряженные ионы ( катионы ) двигаться по направлению к электронно-обеспечивая (отрицательный) катода. Отрицательно заряженные ионы ( анионы ) двигаться по направлению к электронно-экстракции (положительный) анода.

В этом процессе электроны либо поглощается или отпущены. Нейтральные атомы приобретают или теряют электроны и становятся заряженными ионами , которые затем переходят в электролит. Образование незаряженных атомов от ионов называются разрядкой. Когда ион получает или теряет электроны достаточно , чтобы стать незаряженных (нейтральных) атомов, вновь образовавшиеся атомы отделяются от электролита. Ионы металлов , такие как положительные Cu 2+ осаждаются на катоде в слое. Условия для этого гальванических , электролиза и электролитические . Когда ион получает или теряет электроны , не став нейтральным, ее электронный заряд изменяется в процессе. В химии, потеря электронов называется окисление , в то время как коэффициент усиления электронов называется редукцией.

Окисление и восстановление на электродах

Окисление ионов или нейтральных молекул происходит на аноде . Например, можно окислить ионы двухвалентного в трехвалентное ионов на аноде:

Fe 2+
(водно) → Fe 3+
(водно) + е -

Снижение ионов или нейтральных молекул происходит на катоде .

Вполне возможно , чтобы уменьшить феррицианида ионов до ферроцианида ионов на катоде:

Fe (CN) 3-
6
+ е - → Fe (CN) 4-
6

Нейтральные молекулы могут также реагировать на любом из электродов. Например: п-бензохинон может быть уменьшен до гидрохинона на катоде:

Р-Benzochinon.svg+ 2е - + 2 Н +Hydrochinon2.svg

В последнем примере, Н + также принимают ионы (ионы водорода) участие в реакции, и обеспечиваются с помощью кислоты в растворе, или на самом растворителе (вода, метанол и т.д.). Электролиз реакция с участием Н + ионов являются довольно распространенной в кислых растворах. В водных щелочных растворах, реакции с участием ОН - (гидроксид - ионы) являются общими.

Иногда сами (обычно вода) , растворители окисляются или восстанавливаются на электродах. Можно даже иметь электролиз с участием газов. Такие , как при использовании газодиффузионного электрода .

Энергетические изменения в процессе электролиза

Количество электрической энергии , которая должна быть добавлена равна изменению свободной энергии Гиббса реакции плюс потери в системе. Потери могут (теоретически) быть сколь угодно близким к нулю, так что максимальная термодинамический КПД равен энтальпию изменения , деленное на изменение свободной энергии реакции. В большинстве случаев электрический вход больше , чем изменение энтальпии реакции, поэтому часть энергии выделяется в виде тепла. В некоторых случаях, например, при электролизе пара на водород и кислород при высокой температуре, наоборот , и тепловая энергия поглощается. Это тепло поглощается из окружающей среды, и теплота сгорания полученного водорода выше , чем электрический ввод.

Связанные методы

Следующие методы связаны с электролизом:

  • Электрохимические клетки , в том числе водорода топливного элемента , использовать различие в стандартном электродном потенциале , чтобы генерировать электрический потенциал , который обеспечивает полезную мощность. Хотя связанные через взаимодействие ионов andelectrolysis и эксплуатации электрохимических ячеек весьма различны. Тем не менее, химический элемент должен не следует рассматривать как выполнение электролиза в обратном направлении .

Законы Фарадея электролиза

Первый закон электролиза

В 1832 год Майкл Фарадей сообщил , что количество элементов , разделенное пропускание электрического тока через расплавленную или растворенную соль пропорционально количество электрического заряда , прошедшее через контур. Это стало основой первого закона электролиза. Масса вещества (м) , осажденного или освобожденного в любом электроде, прямо пропорциональна количеству электричества или заряда (Q) , прошло. В этом уравнении к равно электромеханической постоянная.

или же

где; е известен как электрохимический эквивалент металла, осажденного или газа, высвобождаемого на электроде.

Второй закон электролиза

Фарадей обнаружил , что , когда такое же количество тока проходит через различные электролиты / элементы , соединенные последовательно, масса вещества освободили / хранение на электродах, прямо пропорционально их эквивалентную массу .

Промышленное использование

Холла-Эру процесс для производства алюминия

Электролиз имеет много других применений:

Электролиз также используется в очистке и консервации старых артефактов. Поскольку процесс отделяет неметаллические частицы из металлических из них, это очень полезно для очистки широкого спектра металлических предметов, от старых монет , еще более крупных объекты , включая ржавые чугунные блоки цилиндров и головки при восстановлении автомобильных двигателей. Удаление ржавчины от небольших железных или стальных объектов путем электролиза можно сделать в домашней мастерской с использованием простых материалов , таких как пластиковые ведра, водопроводной воды , длины арматурного стержня , стиральной соды , прессования проволоки , и зарядное устройство .

Производственные процессы

В обрабатывающей промышленности, электролиз может быть использован для:

  • Гальванические , где тонкая пленка из металла наносят поверх материала подложки. Гальванических используется во многих отраслях промышленности для либо функциональных или декоративных целей, так как в автомобильных кузовов и никелевых монет.
  • Электрохимической обработки (ЕСМ), где электролитический катод используется в качестве фасонного инструмента для удаления материала путем анодного окисления с заготовки. ЕСМ часто используются в качестве методики для удаления заусенцев или для травления металлических поверхностей , такие как инструменты или ножи с постоянным знаком или логотипом.

Конкурирующие полуреакции в растворе электролиза

Используя ячейку , содержащую инертные платиновые электроды, электролиз водных растворов некоторых солей приводит к уменьшению катионов (например, осаждению металла, например, соли цинка) и окислению анионов (например , эволюция брома с бромидами). Тем не менее, с солями некоторых металлов (например , натрий) водород выделяется на катоде, так и для солей , содержащих некоторые анионы (например , сульфат SO 4 2- ) выделяется кислород на аноде. В обоих случаях это связано с водой сокращается с образованием водорода или окисляется с образованием кислорода. В принципе, напряжение , необходимое для электролиза раствора соли может быть получено из стандартного потенциала электрода для реакций на аноде и катоде. Стандартный электродный потенциал непосредственно связан с свободной энергией Гиббса , ΔG, для реакций на каждый электрод и относится к электроду с нет тока , протекающего. Выписка из таблицы стандартных электродных потенциалов , показана ниже.

Полуреакция E ° (V) Ссылка
Na + + е - ⇌ Na ( ы ) -2,71
Zn 2+ + 2 е - ⇌ Zn ( ы ) -0,7618
2H + + 2 е - ⇌ Н 2 ( г ) ≡ 0
Br 2 ( водно ) +- е - ⇌ 2Вг - 1,0873
O 2 ( г ) + 4H + +- е - ⇌ 2H 2 O 1,23
Cl 2 ( г ) + 2 е - ⇌ 2Cl - 1,36
S
2
O 2-
8
+-е-⇌ 2SO 2-
4
2,07

С точки зрения электролиза, в этой таблице следует интерпретировать следующим образом:

  • Окисленные виды (часто катион) с потенциалом более отрицательными клетками гораздо сложнее, чем уменьшить окисленные виды с более положительным потенциалом клеток. Например, это более трудно уменьшить ион натрия до металлического натрия, чем это, чтобы уменьшить ион цинка в металлического цинка.
  • Сокращение виды (часто анион) с более положительным потенциалом клетки являются более трудными для окисления восстановленного вида, чем с потенциалом более отрицательными клетками. Например, это более трудно окислить сульфат анионы, чем для окисления бромид-анионы.

Используя уравнение Нернста потенциал электрода может быть вычислен для определенной концентрации ионов, температуры и количества электронов , участвующих. Для получения чистой воды ( рН 7):

  • электродный потенциал для восстановления производства водорода -0,41 В
  • электродный потенциал для окисления по производству кислорода 0,82 В.

Сравнительные показатели , рассчитанные таким же образом, для 1М бромида цинка , ZnBr 2 , являются -0,76 В для приведения к Zn металла и 1,10 В для окисления производства брома. Вывод из этих цифр , что водород должен быть произведен на катоде и кислорода на аноде из электролиза воды-который находится в противоречии с экспериментальным наблюдением , что металлический цинк осаждается и бром производится. Объяснение состоит в том, что эти вычисленные потенциалы указывают лишь на термодинамически предпочтительной реакции. На практике многие другие факторы должны быть приняты во внимание такие как кинетика некоторых стадий реакции , участвующих. Эти факторы в совокупности означают , что более высокий потенциал необходим для восстановления и окисления воды , чем прогнозировался, и они называются перенапряжениями . Экспериментально известно , что перенапряжениях зависит от конструкции электролизера и природы электродов.

Для электролиза нейтрального (рН 7) раствора хлорида натрия, восстановление ионов натрия является термодинамический очень трудным и вода уменьшается развивающимся водород оставляя гидроксид - ионы в растворе. На аноде наблюдается окисление хлора , а не при окислении воды , так как перенапряжение для окисления хлорида до хлора ниже , чем перенапряжение для окисления воды до кислорода . Эти ионы гидроксида и растворенный хлор газ реагируют далее с образованием хлорноватистой кислоты . Водные растворы , возникающие в результате этого процесса, называются электролиз воды и используются в качестве агента дезинфицирующего и очистки.

направления исследований

Электролиз углекислого газа

Электрохимическое восстановление или электрокаталитическая конверсии CO 2 может производить химических веществ , добавленной стоимостью, такие метан , этилен , этан и т.д. электролиз двуокиси углерода дает формиата или окись углерода, но иногда более сложные органические соединения , такие как этилен . Эта технология находится в стадии исследования в качестве нейтрального углеродного пути к органическим соединениям.

Электролиз подкисленной воды

Электролиз воды производит водород .

2 Н 2 О (л) → 2 Н 2 (г) + O 2 (г); Е 0 = 1,229 В

Энергетическая эффективность электролиза воды колеблется в широких пределах. Эффективностью электролизера является мерой энтальпии , содержащейся в водороде (пройти горение с кислородом, или какой - либо другой более поздней реакцией), по сравнению с входной электрической энергией. Тепло / энтальпия значение для водорода хорошо опубликовано в научных и технических текстах, а 144 МДж / кг. Следует отметить , что топливные элементы (не электролизеров) не может использовать эту полную сумму тепла / энтальпией, что привело к некоторой путанице при вычислении значения эффективности для обоих типов технологии. В реакции, часть энергии теряется в виде тепла. Некоторые отчеты процитировать эффективности между 50% и 70% щелочных электролизеров; однако, намного более практичная эффективность можно получить с использованием PEM ( полимерный электролитный мембранный электролиз ) и каталитической технологией, такими , как эффективность 95%.

НРЕЛ оценкам, 1 кг водорода (примерно эквивалентно 3 кг, или 4 л, нефти в энергетическом смысле) может быть получено путем электролиза ветра питанием от $ 5,55 в ближайшем будущем и $ 2,27 в долгосрочной перспективе.

Около 4% водорода газа , производимого во всем мире генерируется путем электролиза, и обычно используется на месте. Водород используется для создания аммиака для удобрений через процесс Haber , и преобразования тяжелых нефтяных источников на более легкие фракции с помощью гидрокрекинга .

Углерод / углеводородная помощи электролиз воды (CAWE)

В последнее время для уменьшения затрат энергии, использование углерода ( угля ), спирты (углеводородный раствор), и органический раствор ( глицерин , муравьиная кислота, этиленгликоль и т.д.) при совместном электролиза воды было предложено в качестве жизнеспособного варианта , Углерод / углеводород , при содействии электролизу воды (так называемый CAWE) Способ получения водорода будет выполнять эту операцию в одном электрохимическом реакторе. Эта система энергетического баланса может потребоваться только около 40% электрический ввод с 60% исходя из химической энергии углерода или углеводорода. В этом способе использует твердые частицы угля / углерод или порошок в качестве топлива , диспергированного в кислоте / щелочной электролите в виде суспензии и углерод , содержащийся источник совместно помочь в процессе электролиза , как следующие теоретические общие реакции:

Графит / уголь суспензии (С + 2Н 2 О) -> СО 2 + 2Н 2 Е «= 0,21 В (обратимое напряжение) / Е» = 0,46 В (термо-нейтральное напряжение)

или же

Графит / уголь суспензии (С + Н 2 О) -> СО + Н 2 Е '= 0,52 V обратимы напряжения) / Е' = 0,91 В (термо-нейтральное напряжение)

Таким образом, этот CAWE подход заключается в том, что фактическая ячейке перенапряжение может быть значительно уменьшено до уровня ниже 1 В, по сравнению с 1,5 V для обычного электролиза воды.

электрокристаллизации

Специализированное применение электролиза включает рост проводящих кристаллов на одном из электродов из окисленных или восстановленных форм, которые создаются на месте. Метод был использован для получения монокристаллов маломерных электрических проводников, таких как соли с переносом заряда .

история

Научные пионеры электролиза включают:

Пионеры батарей:

Смотрите также

Рекомендации