Класифікація електрохімічних пристроїв

Усі електрохімічні пристрої призначено для перетворення хімічної енергії в електричну або навпаки, електричної в хімічну. Залежно від напряму перетворення вони діляться на хімічні джерела струму і електролізери.

За призначенням електрохімічні пристрої можна умовно поділити на декілька класів:

- хімічні джерела струму (ХДС);

- електрохімічні реактори (електролізери);

- електрохімічні перетворювачі інформації;

- електрохімічні верстати;

- гальванічні ванни.

У хімічних джерелах струму протікають окисно-відновні реакції, у результаті яких із вихідних речовин з великим запасом енергії (G) утворюються продукти, запас енергії яких значно менший. Різниця запасу енергій виділяється у вигляді електричної енергії (цільовий продукт) і тепла (втрати корисної енергії).

Електролізери - це електрохімічні пристрої, призначені для перетворення електричної енергії в хімічну. Підведена до електролізеру електрична енергія перетворюється і накопичується в ньому за рахунок утворення продуктів реакції, в яких запас енергії ((G) більший, ніж у вихідних речовин. Можна сказати, що електролізери використовуються для одержання товарної продукції шляхом електрохімічного синтезу неорганічних і органічних твердих, рідких або газоподібних речовин.

Електрохімічні перетворювачі інформації призначено для контролю за величиною окремих параметрів (склад, концентрація, швидкість руху та ін.) газового або рідкого середовища, в яке поміщено перетворювач. Швидкість електрохімічної реакції, що протікає в перетворювачі, або величина потенціалу електрода залежить від величини вибраного для контролю параметра. Зміна зазначеного параметра веде до пропорційної зміни величини вихідного сигналу (струм, напруга), що реєструється вторинним приладом. Тобто, продукцією перетворювачів є наукова інформація.

Електрохімічні верстати використовуються для локального анодного розчинення металу з метою надання деталі необхідної конфігурації та розміру. Використання цього методу доцільне при обробці дуже твердих сплавів і формуванні в деталях отворів складного профілю. Таким чином, завданням електрохімічної розмірної обробки матеріалу є високошвидкісне контрольоване знімання металу.

Гальванічні ванни застосовуються для обробки деталей з метою нанесення на їхню поверхню тонкої плівки (від кількох мікронів до кількох десятків мікронів) металу або неметалу з метою надання оброблюваному виробові декоративного вигляду, підвищеної корозійної стійкості та інших властивостей.

Електроди

єдиної класифікації електродів не існує; їх об'єднують у групи за цільовими, конструктивними та іншими ознаками.

Наприклад, електроди, на яких протікає окисний процес називають анодами, (знак їхнього заряду позитивний у електролізерах і негативний у ХДС), електроди, на яких реалізується відновний процес - катоди (негативно заряджені в електролізерах і позитивно - у ХДС). Електроди за формою бувають листові, дротові, трубчасті, сітчасті, розташовані вертикально і горизонтально. Електроди поділяють на моно- та біполярні, розчинні та нерозчинні.

Монополярні електроди

Аноди

 

Аноди поділяють на розчинні і нерозчинні. Розчинні аноди використовують у тих виробництвах, де продуктом є сам метал абойого сполука. Основною вимогою до таких анодів є низька перенапруга основного процесу і висока перенапруга побічних процесів і відсутність пасивації.

Нерозчинні аноди призначено тільки для підведення електричної енергії до реакційного середовища. Матеріал анода повинен мати високу електропровідність, бути каталітично активним і селективним до конкретного електрохімічного процесу: перенапруга основного процесу має бути мінімальною, побічні процеси повинні протікати з максимально можливими великими електрохімічними опорами.

 

Катоди

Катоди призначено для підведення струму до електрохімічної системи і реалізації відновного процесу. Продукти катодного відновлення можуть накопичуватися на його поверхні (осадження металу в гідрометалургії та гальванотехніці), розчинятися в катоді (утворення амальгами металу при електролізі з ртутним катодом) або відводитися від нього (виділення газу або рідких продуктів, що утворилися). Незважаючи на велику різноманітність типів і форм електродів, найбільш застосовуваними є пластинчасті електроди, особливо в гідроелектрометалургії.

Біполярні електроди

 

Біполярними називаються електроди, що являють собою єдиний конструктивний вузол, у якого протилежні робочі поверхні заряджені різноіменно, причому поділ зарядів відбувається за рахунок поляризації в зовнішньому електричному полі.

Як відомо, метал у твердому стані має кристалічні грати, у вузлах яких розташовуються позитивно заряджені атоми-іони, між якими переміщуються усуспільнені електрони. Метал первісно електронейтральний, тобто кількість позитивних зарядів дорівнює кількості негативних. При накладенні на метал зовнішнього електричного поля негативно заряджені електрони зміщуються до боку, зверненого до зовнішнього позитивного заряду (рис. 1.3).

У результаті зсуву відбувається локальне порушення електронейтральності металу: з боку зовнішнього позитивного заряду кількість електронів перевищує кількість позитивно заряджених атомів-іонів у вузлах кристалічних гратів і цей бік одержує негативний заряд. Протилежний бік електрода одержує надлишковий позитивний заряд, тобто електрод заряджується біполярно.

Основною умовою роботи електрода є можливість вільного перенесення електронів через поверхню поділу шарів різних металів з одного боку електрода до іншого.

У електрохімічних апаратах можуть застосовуватися нерухомі й рухомі електроди.

Електродні контакти

Електроди приєднуються до струмопроводів за допомогою електричних контактів. Контактів одного електрода зі струмопроводом може бути декілька, якщо необхідні:

- легка замінність електродів при однаковому матеріалі контактів;

- зміна у формі електродів при однаковому матеріалі контактів;

- застосування різних матеріалів електродів і контактів.

З економічних міркувань варто прагнути до того, щоб у місцях, які контактують, опір проходженню струму був мінімальним. У гідрометалургії цього досягти особливо важко. Для зменшення перехідного опору намагаються робити болтові і зварні (паяні) контакти.

Рис.1.6. Види болтових і зварних контактів.

А - при зміні форми струмопідводів, Б - при зміні матеріалу (алюмінієвий струмопідвод і графітовий електрод).

Електроліти

Електролітами називаються рідкі і тверді тіла, в яких перенесення електрики здійснюється іонами. До рідких електролітів належать електропровідні розчини речовин у водяних і неводяних розчинниках, а також іонні розплави. До твердих електролітів належать кристалічні й аморфні сполуки з іонним перенесенням струму у твердому стані. Усі розчини електролітів, незалежно від їхньої природи, умовно можна розділити на дві групи:

- фонові електроліти,

- електроліти, що є вихідними речовинами при проведенні електрохімічних реакцій.

До складу фонових електролітів входять такі іони, що беруть участь у перенесенні електричного струму і не беруть участь в електродних реакціях (наприклад, Na₂SO₄ при електролізі водяних розчинів).

У електролітах, що є вихідними речовинами при проведенні електрохімічних реакцій, іони не тільки переносять електричний струм, але і вступають в електродну реакцію, наприклад, іони цинку при гідроелектрометалургійному одержанні цинку

Іонні розплави солей, оксидів і гідроксидів металів також належать до рідких електролів. При плавленні їхня електропровідність збільшується стрибком, що свідчить про термічну дисоціацію речовин на іони в результаті руйнації кристалічних гратів.

Відмінність розплавлених електролітів від розчинів полягає в значно більш високій питомій електропровідності, збільшенні електропровідності при зменшенні радіуса іона лужного металу.

Твердими електролітами називають речовини, що володіють іонною провідністю у твердому стані. Звичайно тверді електроліти поділяють на дві групи - тверді кристалічні і тверді аморфні (полімерні) електроліти, до яких належать іонообмінні мембрани. Тверді кристалічні електроліти при низьких температурах виявляють напівпровідникові властивості, багато які мають як іонну, так і електронну провідність.