Электролиз водного раствора хлорида натрия

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

Электролиз водного раствора хлорида натрия

 

Общие сведения

 

Электролизом называются процессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов в аппаратах, называемых электролизерами.

Молекулы электролитов в растворах или расплавах в определенной степени диссоциированы на ионы. Под воздействием приложенной ЭДС ионы приобретают направленное движение к соответствующим электродам:положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные ионы (анионы) – к аноду.

На аноде происходят реакции окисления (отщепление электронов), на катоде- восстановления (присоединение электродов).

Для протекания электролиза необходимо, чтобы потенциал рабочего электрода превышал равновесный потенциал разряда данного вида иона …, определяемый по уравнению Нернта:

 

(1.1.)

 

Где –Е стандартный электродный потенциал, В;

R- универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль. К);

T- температура, К;

F- число Фарадея; F=96500 Кл/моль=26,8 А.ч/моль;

Число Фарадея равно количеству электричества, необходимому для превращения молярной массы эквивалента вещества на электроде.

 

(1.2)

Где N - число Авогадро; N = 6,02.10 ;

е - заряд электрона; е = 1,6. 10 Кл;

 

F = 6,02. 10 .1,6. 10 = 96500 Кл/моль.

a , a – активность (концентрация) окисленной и восстановленной форм вещества, соответственно, моль/дм ;

n - число электронов, участвующих в электронной реакции:

Теоретически минимальное напряжение на электроде..,необходимое для проведения реакции на электродах, определяется как разность равновесных потенциалов анодной Е и катодной Е реакций

(1.3)

Стр 4

 

Практическая величина напряжения на электролизе превышает теоретическую

U - U = E + E + E (1.4)

Где E , E - величины поляризации анода и катода, соответственно, В;

E - падение напряжения в электролите, шинопроводах, контактах, В.

Поляризация характеризует отклонение потенциала электрода при пропускании тока от его равновесного потенциала Е , связанное с наличием лимитирующей стадии электродного процесса.

В настоящее время в промышленности хлор и едкий натр получают в основном электролизом раствора хлорида натрия двумя способами: диафрагменным и ртутным. Большее распространение получил диафрагменный способ, как более дешевый и экономически менее вредный, хотя качество его продуктов ниже, чем в ртутном:

В диафрагменном способе при электролизе раствора хлорида натрия на стальном катоде происходит реакция образования водорода:

 

 

Ионы ОН – у катода накапливаются и с ионами Na .. образуют щелочь.

На графитовом аноде преимущественно выделяется хлор:

Суммарная реакция при электролизе хлорида натрия может быть выражена следующим уравнением:

 

Побочными реакциями на аноде являются:

Выделение кислорода

Образование диоксида углерода (если анод графитовый):

Который реагирует со щелочью с образованием карбоната натрия:

 

Образование хлората:

 

Кроме того, в объеме раствора протекают вторичные химические реакции. Газообразный хлор, частично растворяясь в электролите,

взаимодействует с водой:

 

5 стр.

 

В случае смешения анодных и катодных продуктов образующиеся кислоты нейтрализуются щелочью с образованием хлористого натрия и гипохлорита:

 

На катоде возможны:

Восстановление растворенного хлора:

Восстановление гипохлорита:

 

Восстановление хлората:

 

Побочные химические и электрохимические реакции загрязняют продукты электролиза и снижают выходы по току на электродах.

В хлор – газе в незначительных количествах содержаться О…, а из-за не герметичности электролизной ванны может попадать азот воздуха.

В католите, кроме едкого натра и неразложившегося хлористого натрия, могут быть гипохлорит, хлорат натрия и сода.

 

Для снижения выхода по току побочных продуктов необходимо уменьшить взаимодействие хлора с водой и предотвратить смещение анодных и катодных продуктов.

Растворимость хлора в рассоле уменьшают путем использования концентрированных растворов ( г/дм NaCl) и повышения температуры электролиза (80…95 С).

Для предотвращения смешения анодных и катодных продуктов устанавливают разделительные диафрагмы.

Превращения веществ на электродах подчиняются законам Фарадея.

Согласно первому закону Фарадея количество вещества, превращенного на электроде, прямо пропорционально количеству пропущенного через электролит электричества:

(1.5)

Где - масса вещества, г;

- электрохимический эквивалент, г/(А ч);

I- сила тока, А;

- время электролиза, ч.

 

Связь между химическим эквивалентом Э и электрохимическим К . устанавливается соотношением:

 

6 стр.

(1.6)

 

 

Где М – молярная масса вещества (или А- грамм- атомная масса вещества)

Из формул 1.5 и 1.6 следует что

(1.7)

 

Основными показателями процесса электролиза являются:

1) выход по току, .

2) коэффициент использования энергии, .

3) напряжение на электролизной ванне,

Выходом по току называется отношение практически полученного вещества m к количеству вещества m , выделившееся согласно законам Фарадея и рассчитанное по уравнению (1.7)

Выход по току обычно выражают в процентах

 

(1.8)

Выход по току обычно ниже 100% за счет протекания побочных химических и электрохимических реакций, а также за счет возможной утечки тока при плохой изоляции проводов и электролизной ванны.

Коэффициентом использования электрической энергии называется отношение количества электрической энергии, теоретически необходимой для получения 1 г вещества.. к практически затраченной.

Коэффициент использования энергии выражают в процентах

 

(1.9)

 

Теоретический расход энергии на единицу вещества определяется по уравнению

(1.10)

Практический расход энергии на единицу полученного вещества

 

 

(1.11)

 

Тогда

 

(1.12)

 

 

Для увеличения коэффициента использования энергии необходимо повышать выход по току и снижать практическое напряжение на электролизной ванне

 

Цель работы

2.1 Ознакомиться с технологией процесса электрохимического получения хлора, едкого натрия и водорода на лабораторной установке.

2.2. По результатам эксперимента составить материальный баланс по Na

2.3. Определить выход едкого натра по току и коэффициент использования энергии

 

Порядок проведения работы

1. Залить в анодное и катодное пространства водный раствор NaCl в объемах, заданных преподавателем.

2. Включить выпрямитель, установить с помощью реостата на амперметре заданную силу тока и поддерживать ее постоянной в течение заданного периода времени. Напряжение на электролизере замерить вольтметром.

3. Перед началом работы провести анализ исходного раствора на содержание NaCl по методичке 6.1.

4. По истечении заданного периода времени выключить выпрямитель.

5. Определить объемы растворов в анодном пространстве (анолит) и в катодном пространстве (католит) по калибровочным шкалам на электролизере.

6. Отобрать пробы католита для анализа на содержание NaCl, NaOH, Na CO по методичкам 6.2, 6.3.

7. Полученные результаты представить преподавателю, после чего освободить электролизер от растворов и вымыть его.

8. Рассчитать заданный баланс, показатели процесса электролиза и оформить отчет.

 

Задание на выполнение работы

5.1. Сила тока электролиза 1…3А.

5.2.Объем раствора, заливаемого в катодное пространство 100..150 см.

5.3. Объем раствора, заливаемого в анодное пространство 100.. 150 см.

5.4. Время электролиза 1..2 часа

5.5. Составить материальный баланс по Na

5.6 Рассчитать выход едкого натра по току и коэффициент использования энергии.

 

8 стр.

Методика анализов.

6.1. Анализ исходного рассола на содержание хлорида натрия. Для анализа с помощью пипетки берут 5 см рассола и разбавляют дистиллированной водой в мерной колбе до 250 см . После тщательного перемешивания отбирают чистой пипеткой 5 см раствора, прибавляют 1..2 капли индикатора К С О и титрируют раствором азотнокислого серебра концентрации 0,1 моль/дм до получения неисчезающего красноватого осадка.

 

Концентрацию NaCl в рассоле рассчитывают по формуле 6.1:

(6.1)

Где С - концентрация NaCl в исходном рассоле, г/дм ;

V - объем азотнокислого серебра, пошедшего на титрование пробы, см .

N- молярная концентрация раствора азотнокислого серебра, моль/дм;

К- поправочный коэффициент к концентрации раствора азотного серебра;

V - объем раствора, взятого на титрование, см .

S- объемисходного раствора рассола, взятого для разбавления, см ;

 

 

6.2. Анализ католита на содержание остаточного хлорида натрия.

В мерную колбу пипеткой вносят 5 см католита и разбавляют дистиллированной водой до 250 см , тщательно перемешивают, отбирают чистой пипеткой 5 см разбавленного раствора в колбу для титрования, прибавляют 2..3 капли фенолфталеина и нейтрализуют раствором азотной кислоты с концентрацией 1 моль/дм , прибавляя ее по каплям до исчезновения розовой окраски, затем прибавляют 4 капли индикатора К СrО и титрируют раствором азотнокислотного серебра концентрации 0.1 моль/дм до появления неисчезающего красноватого осадка.

Концентрацию хлорида натрия в католите рассчитывают по формуле 6.1

6.3. Анализ католита на содержание NaOH и Na CO

В колбу для титрования отбирают пипеткой 1 см католита, приливают 1 см раствора гипосульфита концентрации 0.1 моль/дм , 2..3 капли индикатора фенолфталеина и титруют раствором соляной кислоты концентрации 0,1 моль/дм для нейтролизации всего едкого натра и

 

10 стр.

 

половины углекислого натрия. Сделав на бюретке замер затраченной кислоты, записывают результат А см , затем добавляют к раствору 1..2 капли индикатора метилоранжа и продолжают титрование для нейтрализации оставшейся половины углекислого натрия до неисчезающей слаборозовой окраски. Расход соляной кислоты на нейтрализацию оставшейся половины углекислого натрия ставит А , см

 

Результаты титрования показать преподавателю!!!

 

Массы гидроксида натрия и углекислого натрия рассчитывают по формулам (6.2 и 6.3)

G (6.2)

 

G (6.3)

 

Где Э(NaOH)= 40- молярная масса эквивалента гидроксида натрия, г/моль;

Э(Na CO ) = 53 - молярная масса эквивалента углекислого натрия, г/моль;

N - молярная концентрация раствора солярной кислоты, моль/дм ;

K - поправочный коэффициент к концентрации соляной кислоты;

A -A – объем соляной кислоты, пошедшей на титрование гидроксида натрия; см ;

А - объем соляной кислоты, пошедшей на титрование половины углекислого натрия, см ;

V (кат) - объем католита после электролиза, см ;

 

Расчетная часть

 

Примеры расчетов.

Исходные данные для расчетов:

Исходный объем католита 150 см .

Объем католита после электролиза 140 см

Время электролиза 1 час.

Ток электролиза 2 А.

На титрование исходного раствора пошло 4,6 см AgNO

На титрование католита после электролиза пошло 4,4 см AgNO

На титрование католита после электролиза на содержание NaOH+1|2 Na CO пошло А =4.5см раствора HCl с концентрацией 0.1 моль/дм .

 

11 тр.

 

На титрование ½ Na CO пошло А = 0.05 см раствора НСl с концентрацией

0.1 моль/дм

Практическая величина напряжения на электролизереU = 7В.

1. Анализ рассола на содержание NaCl (формула 6.1):

С = г/дм

2. Анализ католита на содержание NaCl через 1 час электролиза (формула 6.1):

С = 257,4 г/дм

 

3. Анализ католита на совместное присутствие NaOH и Na CO [см. формулы (6.2,6.3) ]:

А.. = 4.5 см

А.. = 0.05 см

 

G = г

 

 

G = г

 

 

Расчет материального баланса по Na :

1) Содержание Na в исходном католите.

В 1000 см исходного католита содержится 269,1 г NaCl.

В 150 см исходного католита содержится Х г NaCl.

 

 

Х=

В 58,5 г NaCl-23 г Na

В 40,4 г NaCl-Х г Na .

 

Х=

 

2) Содержание Na в католите после электролиза.

В 1000см католита содержится 257,4 г NaCl.

12 стр.

 

 

В 140 см католита содержится Y г NaCl.

 

Y=

В 58,5 г NACl-23 г Na

В 36,0 г NaCl- Y г Na.

 

Y = г

 

3) Содержание Na в NaOH в 140 см католита после электролиза.

В 40.0 г NaOH -23 г Na

В 2,49 г NaOH – Х г Na

 

Х= г

 

4) Содержание Na в Na CO в 140 см .. католита после электролиза.

В 106 г Na CO – 46 г Na

В 0,074 г Na CO – Х г Na

 

Х= г

Результаты расчетов сводим таблицу 1.1

Таблица 1.1

Материальный баланс по Na

 

Приход	Расход
Исходные реагенты	G,г	Продукты электролиза	G,г
Содержание Na в исходном католите.	15,9	Содержание Na в NaCl Содержание Na в NaOH Содержание Na в Na CO	14,2   1,43   0,032
Всего:	15,90	Всего:	15,86

 

 

5) Расчет выхода NaOH по току.

 

6) Расчет коэффициента энергии.

 

Теоретическое напряжение разложения раствора …

 

Содержание отчета.

9.1. Теоретическая часть.

 

Привести основные химические и электрохимические реакции, протекающие при электролизе водного раствора хлорида натрия, основные показатели электрохимических процессов, законы Фарадея.

 

 

9.2. Экспериментальная часть.

 

1. Цель работы.

2. Задание на выполнение работы.

3. Схема лабораторной установки.

4. Порядок проведения работы. Краткое перечисление основных этапов выполнения работы.

 

9.3. Расчетная часть.

1. Данные анализов водного раствора хлорида натрия и католита после электролиза.

2. Расчет показателей процесса электролиза (выхода по току едкого натра, коэффициента использования энергии.). Привести расчеты, в расчетных формулах расшифровать буквенные обозначения и указать размерность величин.

 

9.4. Заключение.

Привести выводы по работе, содержание объяснение возможных причин неувязки баланса и рекомендации по улучшению показателей процесса электролиза.

 

Вопросы для самопроверки.

1. Какие процессы протекают при электролизе на электродах?

2. Как связан равновесный потенциал электрода с концентрациями окислительной и восстановительной форм вещества?

3. Написать основные и побочные реакции, протекающие на графитовом аноде и стальном катоде при электролизе раствора хлорида натрия.

4. Что такое теоретическое напряжение разложения?

5. Почему практическая величина напряжения на электролизере превышает теоретическую?

6. Сформулировать закон Фарадея.

7. Указать физический смысл и размерности электрохимического эквивалента, постоянной Фарадея.

8. Основные показатели процесса электролиза, способы их увеличения.

 

Общие сведения

К сложным реакциям в химической технологии относятся такие, которые описываются двумя или более стехиометрическими уравнениями, например, параллельные реакции

 

А В

А С

Последовательные

А В С

И параллельно- последовательные

А В

А+В С

Как правило, в сложных реакциях одна или несколько реакций являются нежелательными, приводящими к образованию побочных продуктов отходов.

Поэтому для сложных реакций выбирается такой режим, который должен обеспечивать не только высокую скорость протекания целевой реакции, но и снижать расход исходных реагентов или первоначально образовавших продуктов в побочные продукты.

Оценкой меры расхода исходных реагентов в целевые и побочные продукты является селективность- отношение количества полученного целевого продукта к сумме целевого и побочного продуктов.

Объектом изучения данной работы являются конкурирующие реакции щелочного омыления этилацетата гидроксидом натрия

 

.

 

и хемосорбции диоксида углерода водным раствором гидроксида натрия

 

 

 

Особенностью данной сложной параллельной реакции является то, что первая реакция является гомогенной и протекает в кинетической области, а вторая является гетерогенной и включает абсорбцию диоксида углерода жидкостью с последующей реакцией в жидкой фазе.

 

В зависимости от соотношения скоростей абсорбции и реакции хемосорбция может лимитироваться (тормозиться) или диффузией газа через межфазную границу (диффузионная область) или реакцией в жидкости (кинетическая область).

 

Для интесификации хемосорбции, протекающей в диффузионной области.и соответственно, повышения селективности сложной реакции по карбонату натрия необходимо усиливать перемешивание жидкой и газовой фаз увеличивать межфазную поверхность, повышать давление в газовой фазе.

 

17 стр.

Для интенсификации хемосорбции, протекающей в кинетической области, необходимо исследовать влияние температуры и концентраций реагентов на протекание конкурирующих реакций в жидкой фазе, подобрать селективные катализаторы

 

Цель работы.

 

2.1. Исследовать влияния технологического режима на протекание сложной реакции.

Наметить способы повышения селективности исследовательной

2.2. реакции по каобонату натрия.

Порядок проведения работы

 

4.1. Залить заданный объем водного раствора этилацетата в реактор.

4.2. Установить с помощью ротаметра заданную скорость подачи диоксида углерода.

4.3. Залить заданный объем водного раствора гидроксида натрия с 3 каплями фенолфталеина в реактор и заметить время начала реакции.

4.4. Включить мешалку и установить заданную интенсивность перемешивания по глубине воронки, образовавшейся на поверхности жидкости.

 

 

18 стр.

4.5 Поддерживая заданную скорость подачи газа и интенсивность перемешивания жидкости проводить реакцию до полного прореагирования гидроксида натрия(до обесцвечивания фенолфталеина). Затем время окончания реакции. В случае незавершения реакции через 10 минут отобрать пробу жидкости из реактора и провести ее анализ на содержание гидроксида натрия.

 

4.6.Выгрузить реакционную смесь из реактора, предварительно отключив подачу диоксида углерода.

4.7. Залить заданный объем водного раствора этилацетата в реактор.

4.8. Залить заданный объем водного раствора гидроксида натрия с 2-3 каплями фенолфталеина в реактор, включить мешалку и заметить время начала реакции.

4.9. Отобрать пробы жидкости из реактора через 1,2,5,10 и 15 минут от начала реакции и провести анализ на содержание гидроксида натрия.

4.10 Выключить мешалку и выгрузить реакционную смесь из реактора.

 

Задание на выполнение работы

Преподаватели задаются следующие исходные данные:

 

1. Исходные объемы водных растворов этилацетата. , дм . гидроксида натрия дм

2. Объемная скорость подачи диоксида углерода ,дм /мин.

3. Интенсивность перемешивания жидкости (глубина воронки в жидкости.) мм.

 

 

Содержание отчета.

9.1. Теоретическая часть

Краткое изложение понятий о простых и сложных реакциях и особенностях выбора для них технологических режимов для гомогенных и гетерогенных систем.

Характеристика исследуемой сложной реакции.

 

8.2. Экспериментальная часть.

 

1. Цель работы.

2. Задание на выполнение работы по форме табл. 2.1.

3. 3 Схема лабораторной установки.

4. Порядок выполнения работы,

Краткое перечисление основных этапов выполненной работы.

 

9.3 Расчетная часть.

1.Данные анализов реакционных смесей по форме табл.2.2.

2. График измерения концентраций гидроксида натрия от времени в простой реакции.

3. Результаты исследования по форме табл.2.3.

Таблицы сопровождаются примерами расчетов с приведением расчетных формул с расшифровкой буквенных обозначений и указанием размерностей.

 

8.3. Заключение.

 

Привести выводы по работе, содержащие следующие данные:

1. Выполнена ли работа в полном объеме?

2. Влияние технологического режима на показатели проведенной реакции.

3. Рекомендации по выполнению селективности сложной реакции по карбонату натрия.

 

Список использованных источников

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

Электролиз водного раствора хлорида натрия

 

Общие сведения

 

Электролизом называются процессы, протекающие на электродах при пропускании постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов в аппаратах, называемых электролизерами.

Молекулы электролитов в растворах или расплавах в определенной степени диссоциированы на ионы. Под воздействием приложенной ЭДС ионы приобретают направленное движение к соответствующим электродам:положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные ионы (анионы) – к аноду.

На аноде происходят реакции окисления (отщепление электронов), на катоде- восстановления (присоединение электродов).

Для протекания электролиза необходимо, чтобы потенциал рабочего электрода превышал равновесный потенциал разряда данного вида иона …, определяемый по уравнению Нернта:

 

(1.1.)

 

Где –Е стандартный электродный потенциал, В;

R- универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль. К);

T- температура, К;

F- число Фарадея; F=96500 Кл/моль=26,8 А.ч/моль;

Число Фарадея равно количеству электричества, необходимому для превращения молярной массы эквивалента вещества на электроде.

 

(1.2)

Где N - число Авогадро; N = 6,02.10 ;

е - заряд электрона; е = 1,6. 10 Кл;

 

F = 6,02. 10 .1,6. 10 = 96500 Кл/моль.

a , a – активность (концентрация) окисленной и восстановленной форм вещества, соответственно, моль/дм ;

n - число электронов, участвующих в электронной реакции:

Теоретически минимальное напряжение на электроде..,необходимое для проведения реакции на электродах, определяется как разность равновесных потенциалов анодной Е и катодной Е реакций

(1.3)

Стр 4

 

Практическая величина напряжения на электролизе превышает теоретическую

U - U = E + E + E (1.4)

Где E , E - величины поляризации анода и катода, соответственно, В;

E - падение напряжения в электролите, шинопроводах, контактах, В.

Поляризация характеризует отклонение потенциала электрода при пропускании тока от его равновесного потенциала Е , связанное с наличием лимитирующей стадии электродного процесса.

В настоящее время в промышленности хлор и едкий натр получают в основном электролизом раствора хлорида натрия двумя способами: диафрагменным и ртутным. Большее распространение получил диафрагменный способ, как более дешевый и экономически менее вредный, хотя качество его продуктов ниже, чем в ртутном:

В диафрагменном способе при электролизе раствора хлорида натрия на стальном катоде происходит реакция образования водорода:

 

 

Ионы ОН – у катода накапливаются и с ионами Na .. образуют щелочь.

На графитовом аноде преимущественно выделяется хлор:

Суммарная реакция при электролизе хлорида натрия может быть выражена следующим уравнением:

 

Побочными реакциями на аноде являются:

Выделение кислорода

Образование диоксида углерода (если анод графитовый):

Который реагирует со щелочью с образованием карбоната натрия:

 

Образование хлората:

 

Кроме того, в объеме раствора протекают вторичные химические реакции. Газообразный хлор, частично растворяясь в электролите,

взаимодействует с водой:

 

5 стр.

 

В случае смешения анодных и катодных продуктов образующие