Розділ 11. Електрохімічні виробництва

Понад 40% всієї енергії, що використовується в хімічній промисловості – електрична.

Хімічна промисловість випускає 6% всієї промислової продукції, а споживає 12% електроенергії. Це одна із найбільш енергоємних галузей промисловості.

Окрім допоміжних операцій (транспортування, робота апаратів) електроенергію використовують у процесах двох видів:

- електротермічних;

- електрохімічних;

Електрохімічні виробництва, у свою чергу, поділяються на два види: гальваніка і електроліз. Спільним у них є те, що обидва процеси – окисно-відновні, тобто має місце обмін електронами, а отже і зміна величини ступеня окиснення елементів.

Гальванічний процес – це такий самочинний окисно-відновний процес, в ході якого за допомогою спеціальних пристосувань вдається перетворити хімічну енергію в електричну. Схему такого пристрою наведено на рис. 11.1.

 

 

Хімізм процесу:

Zn – 2e → Zn²⁺

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰

Cu²⁺+ Zn⁰ + 2e→ Zn²⁺ + Cu⁰

Ідентичний процес має місце в пробірочній реакції:

CuSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cu

Проблемне питання: Чому в першому випадку прилад фіксує електричний струм, а в другому його нема?

Відповідь: Конструкція приладу гальванічного елемента Даніеля-Якобі така, що катодний і анодний простори відокремлені, виникає направлене переміщення електронів.

На сьогодні не існує способу визначити абсолютну величину потенціалу, тому його визначають за відношенням до умовного нуля – водневого електроду(рис. 11.2) У такому пристрої роль електроду – виконує платина, покрита платиновою черню, що адсорбує на себе дигідроген, в електролізері знаходиться HCl, a(H⁺)= 1моль/л. Створюючи пари водневий електрод – металічний електрод, були визначені стандартні електродні потенціали металів, що були розміщені в послідовний ряд, так утворився ряд активності металів. Гальванічні процеси – самочинні, виникають в разі контакту двох різнорідних речовин за умов наявності струмопровідного середовища.

Як розподіляються в такому разі функції речовин, що утворюють гальванічну пару? Відповідь на це питання дивитися в табл. 11.1.

Таблиця 11.1 Функції речовин у гальванічному елементі

Значення стандартного окисно-відновного потенціалу	Менше	Більше
Функція електроду	Анод	Катод
Заряд електроду	Негативний	Позитивний
Процес	Окиснення	Відновлення
Перехід електронів	Віддача	Прийом

Електроліз – це такий окисно-відновний процес, який можливий лише у разі накладання на електроди достатнього потенціалу від зовнішнього джерела постійного електричного струму.

Для протікання електролізу необхідне обладнання:

- електролізер;

- мінімуму два електроди;

- джерело постійного струму.

При електролізі в системі почергово відбуваються первинні і вторинні процеси:

Первинні процеси включають в себе:

І стадія: Дисоціацію електроліту на йони (вона може відбуватись під дією високої температури у розплаві або під дією полярних молекул води в розчині): NaCl_кр. ^t° Na + Cl^-

II стадія: Міграція йонів до поверхні електродів:

K(-) A(+)

Na⁺ Cl^-

III стадія: Власне окисно-відновний процес:

Na⁺ + ē → Na⁰ Cl^- - ē = Cl⁰

Між електродами, вихідними речовинами і продуктами електролізу можлива взаємодія, тобто вторинні, як правило хімічні процеси, у нашому разі – це має місце в анодному просторі: 2Cl⁰→Cl₂.

Порядок відновлення та окиснення залежить від багатьох факторів:

Основні: – природа електроліту;

- конструкція електролізеру;

- природа електродного матеріалу;

Другорядні:

- концентрація електроліту;

- температура електроліту;

- форма електроду;

- інтенсивність перемішування тощо;