Elektroliza je redoks proces koji se događa na elektrodama kada istosmjerna električna struja prolazi kroz otopinu ili talinu. Elektroliza

Elektroliza- redoks proces koji se odvija na elektrodama pri prolasku konstante električna struja kroz otopinu ili rastaljeni elektrolit. U elektrolizeru se električna energija pretvara u energiju kemijske reakcije.

katoda (–) – negativna elektroda na kojoj dolazi do redukcije tijekom elektrolize.

Anoda (+) – pozitivna elektroda na kojoj dolazi do oksidacije tijekom elektrolize.

Za razliku od elektrolize, kod galvanskog članka redukcija se događa na pozitivno nabijenoj katodi, a oksidacija na negativno nabijenoj anodi.

U elektrolizi se mogu koristiti inertne (netopljive) i aktivne (potrošne) anode. Aktivna anoda, kada oksidira, šalje vlastite ione u otopinu. Inertna anoda samo je prijenosnik elektrona i ne mijenja se kemijski. Kao inertne elektrode obično se koriste grafit, platina i iridij.

Tijekom elektrolize talina i otopina elektrolita, ioni nastali tijekom njihove disocijacije (pod utjecajem temperature ili vode) - kationi (Kt n +) i anioni (An m -) kreću se, redom, prema katodi (–) i anoda (+). Zatim se na elektrodama elektroni prenose s katode na kation, a anioni daju elektrone anodi.

Kvantitativno, elektrolizu opisuju dva Faradayeva zakona.

Faradayev prvi zakon: Masa tvari koja se oslobađa tijekom elektrolize proporcionalna je količini električne energije koja prolazi kroz elektrolizator:

m = k∙ ja∙τ = k∙Q ,

Gdje ja– jakost struje; τ – vrijeme protoka struje; Q = I∙τ– količina električne energije; k– koeficijent proporcionalnosti čija vrijednost ovisi o odabranom sustavu jedinica (ako Q = 1 Kl, dakle m = k).

Masa tvari koja se oslobađa tijekom prolaska 1 C elektriciteta naziva se elektrokemijski ekvivalent.

Faradayev II zakon: uz jednake količine elektriciteta propuštene kroz elektrolit jednak je i broj gram ekvivalenata produkata elektrolize.

Za oslobađanje jednog ekvivalenta bilo koje tvari na elektrodi potrebno je potrošiti istu količinu električne energije jednaku Faradayeva konstanta F= 96485 C/mol. Doista, jedan ekvivalent tvari sadrži N A = 6,02322∙10 23 čestica i da bi se taj broj jednostruko nabijenih iona vratio na katodu, potrebno je utrošiti sljedeću količinu električne energije:

F = N A∙ ē = 6,02322∙10 23 čestice/mol ∙ 1,6021∙10 –19 C = 96485 C/mol,

gdje je naboj elektrona ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Generalizirajući oba Faradayeva zakona, možemo napisati:

1. Što je opaženo u Oerstedovom pokusu?
a) Međudjelovanje dvaju paralelnih vodiča sa strujom.
b) Međudjelovanje dviju magnetskih igala.
c) Okretanje magnetske igle u blizini vodiča kada kroz njega prolazi struja.
d) Pojava električne struje u zavojnici kada se u nju stavi magnet.

2. Kako međusobno djeluju dva paralelna vodiča ako kroz njih teku struje u istom smjeru?
a) Privlače se. b) Odguruju se. c) Sila međudjelovanja jednaka je nuli. d) Nije naveden točan odgovor.

3. Propuštanjem istosmjerne električne struje kroz vodič oko njega nastaje magnetsko polje. Otkriva se položajem čeličnih strugotina na listu papira ili rotacijom magnetske igle koja se nalazi u blizini vodiča Kako se to magnetsko polje može pomicati u prostoru?
a) Prijenos čeličnih strugotina. b) Prijenos magneta. c) Prijenos vodiča sa strujom. d) Magnetsko polje se ne može pomaknuti.

4. Kako će se postaviti magnetske igle postavljene na točke A i B unutar zavojnice kada se ključ K otvori?
a) Isti sjeverni pol desno prema slici.
b) Isti sjeverni pol lijevo prema slici.
c) Strelice sjeverni polovi okrenuti jedan prema drugome.
d) Strijelice imaju južne polove okrenute jedna prema drugoj.

5. Zašto dizajn motora naizmjenična struja lakše nego trajno? Zašto se motori koriste u transportu? istosmjerna struja?

6. Odredite polove elektromagneta.

7. Nacrtajte magnetsko polje struja i odredite smjer silnica magnetsko polje.

8. Odredite smjer sile koja djeluje na vodič sa strujom koji se nalazi u magnetskom polju.

9. Imate tri stavke - “uređaji”: drveni blok, dva čelična čavla koja se ne privlače, i trajni magnet.
Tri "crne kutije" sadrže, redom: magnet, dva čavla i drveni blok. Koje instrumente i kojim redoslijedom je najbolje koristiti da biste saznali što se nalazi u svakoj ladici?

10. Istosmjerni elektromotor troši struju od 2 A iz izvora od 24 V. Kolika je mehanička snaga motora ako mu je otpor namota 3 Ohma? Koja je njegova učinkovitost?

Odredite smjer struje u vodiču čiji su presjek i magnetsko polje prikazani na slici 1.

3. Koji je smjer struje u vodiču čiji je smjer magnetskih silnica označen strelicama (slika 3)?

5. Na temelju smjera magnetskih silnica prikazanih na slici 5. odredite smjer kružne struje u prstenu.

Elektromagnetski valovi nastaju: A. Kad se električni naboji gibaju stalnom brzinom. B. Uz ubrzano kretanje električnih

B. Oko stacionarnih naboja.

D. Oko nepomičnog vodiča kroz koji prolazi stalna električna struja.

D. Oko nepomične nabijene metalne ploče

1. Električna struja se naziva... A). kretanje elektrona. B). uređeno kretanje nabijenih čestica. B). uređeno kretanje elektrona. 2.

Da biste stvorili električnu struju u vodiču, morate... A). stvoriti u njemu električno polje. B). stvoriti u njemu električne naboje. B). odvojene električne naboje u njemu. 3. Koje čestice stvaraju električnu struju u metalima? A). Slobodni elektroni. B). Pozitivni ioni. B). Negativni ioni. ^ 4. Koji se učinak struje koristi u galvanometrima? A. Toplinska. B. Kemijski. B. Magnetski. 5. Jačina struje u krugu električnog štednjaka je 1,4 A. Koliki električni naboj prođe kroz presjek njegove spirale za 20 minuta? A). 3200 Kl. B). 1680 Cl. B). 500 Kl. ^ 6. U kojoj shemi (slika 1) je ampermetar ispravno spojen u strujni krug? A). 1. B). 2. B). 3. 7. Pri prolasku kroz vodič električni naboj jednak 6 C izvrši se rad od 660 J. Koliki je napon na krajevima tog vodiča? A). 110 V. B). 220 V.V). 330V. ^ 8. U kojoj shemi (slika 2) je voltmetar ispravno spojen u strujni krug? A). 1. B). 2. 9. Dva svitka bakrene žice istog presjeka imaju duljinu 50, odnosno 150 m. Koji od njih ima veći otpor i za koliko? A). Prvi je 3 puta. B). Drugi je 3 puta. ^ 10. Kolika je jakost struje koja prolazi kroz nikalnu žicu duljine 25 cm i presjeka 0,1 mm2, ako je napon na njezinim krajevima 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. U kojim jedinicama se mjeri električna struja? A. Ohm; B.J; W. W.; G.A.

2. Koje se radnje uvijek događaju kada električna struja prolazi kroz bilo koji medij?

A. Toplinski; B. magnetski; U. Kemijski; G. Svjetlo.

4. Odredite pod kojim je naponom žarulja ako se pri pomicanju naboja od 10 C izvrši rad od 2200 J.

5. Odredite otpor odsječka AB u krugu prikazanom na slici.

6. Izračunajte otpor nichrome žica, čija je duljina 150 m, a površina poprečnog presjeka 0,2 mm2.

7. Bakrenim vodičem presjeka 3,5 mm2 i duljine 14,2 m teče struja jakosti 2,25 A. Odredi napon na krajevima tog vodiča.

8. Koliko elektrona prođe kroz presjek vodiča za 35 s kad je struja u njemu 16 A?

9. Odredite masu željezne žice s površinom poprečnog presjeka od 2 mm2, uzete za izradu otpornika s otporom od 6 ohma.

Nastanak netopljive tvari kao rezultat kemijske reakcije samo je jedan od uvjeta za dobivanje koloidne otopine. Drugi ništa manje važan uvjet je nejednakost polaznih materijala uzetih u reakciju. Posljedica ove nejednakosti je ograničenje rasta veličine čestica u koloidnim otopinama, što bi dovelo do stvaranja grubo disperznog sustava.

Razmotrimo mehanizam nastanka koloidne čestice na primjeru nastanka sola srebrnog jodida, koji se dobiva interakcijom razrijeđenih otopina srebrnog nitrata i kalijevog jodida.

AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3

Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +

Netopljive neutralne molekule srebrnog jodida čine jezgru koloidne čestice.

Isprva se te molekule neredom spajaju u amorfnu, labavu strukturu, koja se postupno razvija u visoko uređenu strukturu kristalne jezgre. U primjeru koji razmatramo, jezgra je kristal srebrnog jodida koji se sastoji od velikog broja (m) molekula AgI:

m - jezgra koloidne čestice

Na površini jezgre odvija se proces adsorpcije. Prema Peskov-Fajansovom pravilu, ioni koji čine jezgru čestice adsorbirani su na površini jezgri koloidnih čestica, tj. adsorbiraju se ioni srebra (Ag +) ili ioni joda (I –). Od ove dvije vrste iona adsorbiraju se oni koji su u suvišku.

Dakle, ako dobijete koloidnu otopinu u višku kalijevog jodida, tada će se ioni joda adsorbirati na čestice (jezgre), koje dovršavaju kristalnu rešetku jezgre, prirodno i čvrsto ulazeći u njenu strukturu. U tom slučaju nastaje adsorpcijski sloj koji jezgri daje negativan naboj:

Ioni koji su adsorbirani na površini jezgre, dajući joj odgovarajući naboj, nazivaju se ionima koji stvaraju potencijal.

Istodobno, u otopini postoje i suprotno nabijeni ioni, oni se nazivaju protuioni. U našem slučaju to su ioni kalija (K +), koji su elektrostatički privučeni nabijenoj jezgri (vrijednost naboja može doseći I in). Neki od K+ protuiona čvrsto su vezani električnim i adsorpcijskim silama i ulaze u adsorpcijski sloj. Jezgra na kojoj se formira dvostruki adsorpcijski sloj iona naziva se granula.

(m . nI – . (n-x) K + ) x – (struktura granule)

Preostali dio protuiona (označavamo ih brojem “x K +”) tvori difuzni sloj iona.

Jezgra s adsorpcijskim i difuznim slojevima naziva se micel :

(m . nI –. (n-x) K + ) x – . x K + (struktura micela)

Kada istosmjerna električna struja prolazi kroz koloidnu otopinu, granule i protuioni će se kretati prema suprotno nabijenim elektrodama.

Važna je prisutnost istog naboja na površini čestica sola faktor njegove stabilnosti. Naboj sprječava da se čestice slijepe i postanu veće. U stabilnom disperznom sustavu čestice se drže u suspenziji, tj. Nema taloženja koloidne tvari. Ovo svojstvo sola naziva se kinetika kemijska stabilnost.

Struktura micela sola srebro jodida dobivenog u suvišku AgNO 3 prikazana je na sl. 1a, u višku KCI - 1b .

sl.1.5. Struktura micela srebro jodidnog sola dobivenog u suvišku:

a) srebrni nitrat; b) kalijev klorid.

Mogu se koristiti elektroaktivirane vodene otopine - katoliti i anoliti poljoprivreda, za povećanje produktivnosti biljaka, u stočarstvu, medicini, za dezinfekciju vode i za kućne potrebe. Elektrokemijska obrada vode uključuje nekoliko elektrokemijskih procesa povezanih s prijenosom konstante električno polje elektrona, iona i drugih čestica (elektroliza, elektroforeza, elektroflotacija, elektrokoagulacija), od kojih je glavna elektroliza vode. Ovaj članak uvodi čitatelja u osnovne procese elektrolize vode.

Uvod

Fenomen elektrokemijske aktivacije vode (ECAW) kombinacija je elektrokemijskih i elektrofizičkih učinaka na vodu u dvostrukom električnom sloju (EDS) elektroda (anode i katode) s neravnotežnim prijenosom naboja kroz EDL elektronima i u uvjetima intenzivne disperzije. nastalih plinovitih produkata elektrokemijskih reakcija u tekućini. Tijekom ECHA procesa odvijaju se četiri glavna procesa:

— elektrolitička razgradnja vode (elektroliza) uslijed redoks reakcija na elektrodama uzrokovanih vanjskom konstantom električno polje;

- elektroforeza - kretanje u električnom polju pozitivno nabijenih čestica i iona do katode, te negativno nabijenih čestica i iona do anode;

— elektroflotacija — stvaranje plinskih flokula i agregata koji se sastoje od fino raspršenih plinskih mjehurića (vodik na katodi i kisik na anodi) i grube nečistoće vode;

- elektrokoagulacija - stvaranje koloidnih nakupina čestica nataložene disperzne faze uslijed procesa anodnog otapanja metala i stvaranja metalnih kationa Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ pod utjecajem konstantnog električnog polja. .

Kao rezultat tretiranja vode istosmjernom električnom strujom, pri potencijalima jednakim ili većim od potencijala razgradnje vode (1,25 V), voda prelazi u metastabilno stanje, koje karakteriziraju anomalne vrijednosti aktivnosti elektrona i drugih fizikalno-kemijskih parametara (pH , Eh, ORP, električna vodljivost). Prolaz istosmjerne električne struje kroz volumen vode popraćen je elektrokemijskim procesima, uslijed kojih dolazi do redoks reakcija, što dovodi do destrukcije (uništavanja) onečišćenja vode, koagulacije koloida, flokulacije grubih nečistoća i njihove naknadne flotacije. .

Fenomen elektrokemijske aktivacije vode kombinacija je elektrokemijskih i elektrofizičkih učinaka na vodu u dvostrukom električnom sloju elektroda tijekom neravnotežnog prijenosa naboja.

Za posvjetljivanje i izbjeljivanje koristi se elektrokemijska obrada prirodne vode, njihovo omekšavanje, uklanjanje teških metala (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), klora, fluora i njihovih derivata, za čišćenje Otpadne vode koji sadrže naftne proizvode, organske i organoklorne spojeve, boje, tenzide, fenol. Prednosti elektrokemijskog pročišćavanja vode su u tome što vam omogućuje podešavanje vrijednosti pH vrijednosti i redoks potencijala E h, o čemu ovisi mogućnost različitih kemijskih procesa u vodi; povećava enzimsku aktivnost aktivni mulj u spremnicima za prozračivanje; smanjuje otpornost te poboljšava uvjete za koagulaciju i taloženje organskih sedimenata.

Godine 1985. ECHA je službeno priznata kao nova klasa fizikalno-kemijskih fenomena. Odredbom Vlade Ruske Federacije od 15. siječnja 1998. br. VCh-P1201044 dane su preporuke ministarstvima i odjelima za korištenje ove tehnologije u medicini, poljoprivredi i industriji.

Elektroliza vode

Glavna faza elektrokemijske obrade vode je elektroliza vode. Kada kroz vodu prolazi istosmjerna električna struja, ulazak elektrona u vodu na katodi, kao i uklanjanje elektrona iz vode na anodi, praćen je nizom redoks reakcija na površini katode i anoda. Kao rezultat toga, nastaju nove tvari, mijenja se sustav međumolekularnih interakcija, sastav vode, uključujući strukturu vode. Tipična instalacija za elektrokemijsku obradu vode sastoji se od jedinice za pripremu vode 1, elektrolizera 2, jedinice za obradu vode nakon elektrokemijskog pročišćavanja 3 (slika 1).

Neka postrojenja za elektrokemijsku obradu vode predviđaju prethodno mehaničko pročišćavanje vode, čime se smanjuje opasnost od začepljenja elektrolitičke ćelije grubim nečistoćama s visokim hidrauličkim otporom. Blok za mehaničko pročišćavanje vode je neophodan ako je, kao rezultat elektrokemijske obrade, voda zasićena grubim nečistoćama, na primjer, pahuljicama metalnih hidroksida (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2 ) nakon elektrokoagulacije. Glavni element instalacije je elektrolizer, koji se sastoji od jedne ili više ćelija za elektrolizu (slika 2).

Ćelija za elektrolizu sastoji se od dvije elektrode - pozitivno nabijene anode i negativno nabijene katode, spojene na različite polove izvora istosmjerne struje. Međuelektrodni prostor ispunjen je vodom koja je elektrolit sposoban provoditi električnu struju. Kao rezultat rada uređaja dolazi do prijenosa električnih naboja kroz sloj vode - elektroforeza, odnosno migracije polarnih čestica, nositelja naboja - iona, na elektrode suprotnog predznaka.

Kada kroz vodu prolazi istosmjerna električna struja, ulazak elektrona u vodu na katodi, kao i uklanjanje elektrona iz vode na anodi, praćen je nizom redoks reakcija na površini katode i anoda.

U tom slučaju negativno nabijeni anioni kreću se prema anodi, a pozitivno nabijeni kationi kreću se prema katodi. Na elektrodama nabijeni ioni gube naboj, depolariziraju se, pretvarajući se u produkte raspada. Osim nabijenih iona, u elektroforezi sudjeluju polarne čestice različite disperzije, uključujući i grube čestice (emulgirane čestice, mjehurići plina itd.), ali glavna uloga Nabijeni ioni s najvećom pokretljivošću igraju ulogu u prijenosu elektrokemijskih naboja. Polarne čestice uključuju polarne čestice iz vodenih nečistoća i molekule vode, što se objašnjava njihovom posebnom strukturom.

Središnji atom kisika, koji je dio molekule vode, ima veću elektronegativnost od atoma vodika, privlači elektrone k sebi, dajući molekuli asimetričnost. Kao rezultat toga dolazi do preraspodjele elektronske gustoće: molekula vode se polarizira, poprima svojstva električnog dipola s dipolnim momentom 1,85 D (Debye), s pozitivnim i negativnim nabojem na polovima (slika 3).

Produkti elektrodnih reakcija su neutralizirane vodene nečistoće, plinovi vodik i kisik nastali tijekom elektrolitičke destrukcije molekula vode, metalni kationi (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) u slučaju uporabe metalnih anoda od aluminija i čelika. , molekularni klor, itd. U ovom slučaju, vodik se stvara na katodi, a kisik na anodi. Voda sadrži određenu količinu hidronijevog iona H 3 O +, koji depolarizira na površini katode i stvara atomski vodik H:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

U alkalnom okruženju, H 3 O + je odsutan, ali molekule vode se uništavaju, popraćeno stvaranjem atomskog vodika H— i hidroksidiona OH -:

H 2 O + e - → H + OH - .

Reaktivni atomi vodika adsorbiraju se na površini katode i nakon rekombinacije tvore molekularni vodik H2, koji se iz vode oslobađa u plinovitom obliku:

N + N → N 2.

Istodobno se na anodama oslobađa atomski kisik. U kiseloj sredini ovaj proces je popraćen uništavanjem molekula vode:

2H 2 O - 4e - →O 2 +4H +.

U alkalnoj sredini, izvor stvaranja kisika uvijek su hidroksidni ioni OH -, koji se pod djelovanjem elektroforeze kreću na elektrodama, od katode do anode:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e - .

Normalni redoks potencijali ovih reakcija su +1,23 i +0,403 V, respektivno, ali se proces odvija u uvjetima nekih

prenapona. Ćelija za elektrolizu može se smatrati generatorom gore navedenih proizvoda, od kojih neki stupaju u kemijsku interakciju jedan s drugim i s Zagađenje vode u međuelektrodnom prostoru osigurati dodatno kemijsko pročišćavanje vode (elektroflotacija, elektrokoagulacija). Ti se sekundarni procesi ne odvijaju na površini elektroda, već u volumenu vode. Stoga se, za razliku od elektrodnih procesa, označavaju volumetrijskim. Pokreću se povećanjem temperature vode tijekom elektrolize i povećanjem pH tijekom katodnog razaranja molekula vode.

Razlikuju se katodna i anodna oksidacija. Tijekom katodne oksidacije, molekule organskih tvari, sorbirane na katodama, prihvaćaju slobodne elektrone, reduciraju se, pretvarajući se u spojeve koji nisu zagađivači. U nekim slučajevima proces oporavka odvija se u jednoj fazi:

R + H + + e - → RH, gdje je R organski spoj; RH je hidratizirani oblik spoja i nije kontaminant.

U drugim slučajevima, katodna redukcija odvija se u dvije faze: u prvoj fazi (I), organska molekula se pretvara u anion, u drugoj (II), anion se hidratizira, u interakciji s protonom vode:

R + e - → R - , (I) R - + H + → RH. (II)

Razlikuju se katodna i anodna oksidacija. Tijekom katodne oksidacije, molekule organskih tvari, sorbirane na katodama, prihvaćaju slobodne elektrone i reduciraju se.

Katode izrađene od materijala koji zahtijevaju visoki prenapon (olovo, kadmij) omogućuju, uz veliki utrošak električne energije, uništavanje organskih molekula i stvaranje reaktivnih slobodnih radikala – čestica koje imaju slobodne nesparene elektrone u vanjskim orbitama atoma ili molekula (Cl *, O*, OH*, ALI*2, itd.). Posljednja okolnost daje slobodnim radikalima svojstvo reaktivnosti, odnosno sposobnost da uđu u kemijske reakcije s vodenim nečistoćama i unište ih.

RH → R + H + + e - .

Anodna oksidacija organskih spojeva često dovodi do stvaranja slobodnih radikala, čije su daljnje transformacije određene njihovom reaktivnošću. Procesi anodne oksidacije su višefazni i odvijaju se uz stvaranje međuprodukta. Anodna oksidacija smanjuje kemijsku stabilnost organskih spojeva i olakšava njihovo naknadno uništavanje tijekom skupnih procesa.

U volumetrijskim oksidacijskim procesima posebnu ulogu imaju produkti elektrolize vode - kisik (O 2), vodikov peroksid (H 2 O 2) i spojevi klora koji sadrže kisik (HClO). Tijekom procesa elektrolize nastaje izuzetno reaktivan spoj - H 2 O 2, čije se stvaranje molekula događa zbog hidroksilnih radikala (OH*), koji su produkti pražnjenja hidroksilnih iona (OH-) na anodi:

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e - , gdje je OH* hidroksilni radikal.

Reakcije između organskih tvari i oksidansa odvijaju se tijekom određenog vremenskog razdoblja, čije trajanje ovisi o vrijednosti redoks potencijala elementa i koncentraciji tvari koje reagiraju. Kako se pročišćavanje i koncentracije onečišćenja smanjuju, proces oksidacije se smanjuje.

Brzina procesa oksidacije tijekom elektrokemijske obrade ovisi o temperaturi vode koja se tretira i pH vrijednosti. Tijekom oksidacije organskih spojeva nastaju međuprodukti koji se od izvornih razlikuju kako po otpornosti na daljnje pretvorbe tako i po toksičnosti.

Izvor aktivnog klora i njegovih spojeva koji sadržavaju kisik nastalih u elektrolizeru su kloridi koji se nalaze u pročišćenoj vodi i natrijev klorid (NaCl), koji se uvodi u pročišćenu vodu prije elektrolize. Kao rezultat anodne oksidacije aniona Cl— nastaje plinoviti klor Cl 2 . Ovisno o pH vode, ona ili hidrolizira u hipokloričnu kiselinu HOCl ili u hipokloritne ione ClO - . Ravnoteža reakcije ovisi o pH vrijednosti.

Pri pH = 4-5, sav klor je u obliku hipokloričaste kiseline (HClO), a pri pH = 7, pola klora je u obliku hipokloritnog iona (OCl -), a pola je u obliku hipokloričaste kiseline (HClO) (slika 4). Mehanizam interakcije hipokloritnog iona (ClO -) s oksidiranom tvari opisan je sljedećom jednadžbom:

ClO - + A = C + Cl, gdje je A tvar koja može oksidirati; C je produkt oksidacije.

Elektrokemijska oksidacija organskih spojeva s hipokloritionom (ClO -) praćena je povećanjem redoks potencijala Eh, što ukazuje na prevladavanje oksidativni procesi. Povećanje Eh ovisi o omjeru koncentracije aktivnog klora u međuelektrodnom prostoru i sadržaja organskih nečistoća u vodi. Kako se količina onečišćenja čisti i količina onečišćenja smanjuje, taj se omjer povećava, što dovodi do povećanja Eh, ali se tada ovaj pokazatelj stabilizira.

Količina tvari koja je reagirala na elektrodama pri prolasku istosmjerne električne struje prema Faradayevom zakonu izravno je proporcionalna jakosti struje i vremenu obrade:

G = AI cur τ, (1)

gdje je A elektrokemijski ekvivalent elementa, g/(A⋅h); I cur - jakost struje, A; τ — vrijeme obrade, sati Elektrokemijski ekvivalent elementa određuje se formulom:

A = M/26,8z, (2)

gdje je M atomska masa elementa, g; z je njegova valencija. Vrijednosti elektrokemijskih ekvivalenata nekih elemenata dane su u tablici. 1.

Stvarna količina tvari koja nastaje tijekom elektrolize manja je od teorijske, izračunate pomoću formule (1), jer se dio električne energije troši na zagrijavanje vode i elektroda. Stoga izračuni uzimaju u obzir trenutni faktor iskorištenja η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Tijekom elektrodnih procesa dolazi do izmjene nabijenih čestica i iona između elektrode i elektrolita – vode. Da bi se to postiglo, u uspostavljenim ravnotežnim uvjetima, potrebno je stvoriti električni potencijal, čija minimalna vrijednost ovisi o vrsti redoks reakcije i o temperaturi vode na 25 °C (tablica 2).

Glavni parametri elektrolize vode uključuju jakost i gustoću struje, napon unutar ćelije elektrode, kao i brzinu i trajanje zadržavanja vode između elektroda.

Naponi koji se stvaraju u elektrodnoj ćeliji moraju biti dovoljni da izazovu redoks reakcije na elektrodama. Vrijednost napona ovisi o ionskom sastavu vode, prisutnosti nečistoća u vodi, na primjer površinski aktivnih tvari, gustoći struje (njenoj jakosti po jedinici površine elektrode), materijalu elektrode itd. Uz sve ostale uvjete, zadatak Izbor materijala elektrode je smanjenje reakcija na elektrodama, potreban napon je minimalan, jer to smanjuje troškove električne energije.

Neke redoks reakcije su kompetitivne – odvijaju se istovremeno i međusobno se inhibiraju. Njihov protok se može regulirati promjenom napona u elektrolitičkoj ćeliji. Dakle, normalni reakcijski potencijal za stvaranje molekularnog kisika je +0,401 V ili +1,23 V; kada napon poraste na +1,36 V (normalan potencijal reakcije za nastanak molekularnog klora), na anodi će se oslobađati samo kisik, a daljnjim povećanjem potencijala istovremeno će se oslobađati i kisik i klor, te će se oslobađanje klora dogoditi nedovoljnim intenzitetom. Pri naponu od oko 4-5 V, evolucija kisika će praktički prestati, a elektrolitička ćelija će stvarati samo klor.

Proračun glavnih parametara procesa elektrolize vode

Glavni parametri elektrolize vode su jakost i gustoća struje, napon unutar elektrodne ćelije, kao i brzina i trajanje zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru.

Jakost struje I cur je vrijednost određena ovisno o zahtijevanoj učinkovitosti generiranog proizvoda [A], određena formulom:

I cur = G/A tη, (3)

Ova se formula dobiva transformacijom formule (1) uzimajući u obzir trenutni faktor iskorištenja η. Gustoća struje je njezina jakost po jedinici površine elektrode [A/m 2 ], na primjer, anode, određuje se iz sljedećeg izraza:

i an = I cur / F an, (4)

gdje je Fan površina anode, m2. Gustoća struje ima najpresudniji utjecaj na proces elektrolize: to jest, s povećanjem gustoće struje, elektrodni procesi se intenziviraju i površina elektroda se smanjuje, ali u isto vrijeme napon u elektroliznoj ćeliji i, kao posljedično, ukupni energetski intenzitet procesa se povećava. Povećano povećanje gustoće struje pojačava oslobađanje plinova elektrolize, što dovodi do stvaranja mjehurića i raspršivanja netopivih produkata električne obrade vode.

Kako se gustoća struje povećava, povećava se i pasivizacija elektroda, koja se sastoji u blokiranju nadolazećih elektrona površinskim naslagama anode i katode, što povećava električni otpor u ćelijama elektrode i inhibira redoks reakcije koje se odvijaju na elektrodama.

Anode se pasiviziraju kao rezultat stvaranja tankih oksidnih filmova na njihovim površinama kao rezultat sorpcije kisika i drugih komponenti na anodama, koje zauzvrat apsorbiraju čestice vodenih nečistoća. Karbonatne naslage uglavnom se stvaraju na katodama, posebno u slučaju obrade vode povećane tvrdoće. Iz tih razloga gustoću struje pri elektrolizi vode treba postaviti na najmanju moguću mjeru uz uvjete za stabilno odvijanje potrebnih redoks reakcija tijekom tehnološkog procesa.

Vrijeme zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru elektrolizatora ograničeno je vremenom potrebnim za generiranje potrebna količina proizvodi elektrolize.

Napon u ćeliji elektrode [V] određen je formulom:

V i = i an ΔK g / χ R , (5)

gdje je i an gustoća struje, A/m 2 ; D—razmak između elektroda (širina međuelektrodnog kanala), m; χ R—specifična električna vodljivost vode, 1/(Ohm⋅m); K g je koeficijent punjenja plinom međuelektrodnog prostora, obično se uzima K g = 1,05-1,2.

Formula (5) ne uzima u obzir električni otpor elektrode zbog niskih vrijednosti, no tijekom pasivizacije ti se otpori pokazuju značajnima. Pretpostavlja se da je širina međuelektrodnog kanala minimalna (3-20 mm) kako bi se osiguralo da nije začepljen nečistoćama.

Specifična električna vodljivost vode χ R ovisi o nizu čimbenika, među kojima su najznačajniji temperatura, pH, ionski sastav i koncentracija iona (slika 5). S porastom temperature električna vodljivost χ R raste, a napon opada (slika 6). Minimalna vrijednost električne vodljivosti odgovara pH = 7. Osim toga, tijekom procesa elektrolize povećavaju se temperatura i pH vode. Ako je pH > 7, tada možemo očekivati ​​pad specifične električne vodljivosti vode χ R, a pri pH vrijednostima< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Specifična električna vodljivost prirodnih voda srednje mineralizacije je 0,001-0,005 1/(Ohm⋅m), gradske otpadne vode 10-0,01 1/(Ohm⋅m). Tijekom elektrolize, specifična električna vodljivost treba biti u rasponu od 0,1-1,0 1/ (Ohm⋅m). Ako izvorna voda ima nedovoljnu električnu vodljivost, potrebno je povećati sadržaj soli (slika 7). Obično se za to koristi natrijev klorid (NaCl), čije se doze određuju eksperimentalno i najčešće iznose 500-1500 mg/l (8-25 mEq/l). Natrijev klorid nije samo pogodan u smislu upotrebe i sigurnosti (skladištenje, priprema otopine itd.), već se u prisutnosti NaCl usporava pasivizacija elektroda. Disocijacijom u vodi NaCl zasićuje vodu klorovim anionima Cl - i natrijevim kationima Na+. Ioni klora Cl – imaju male veličine i prodirući kroz pasivizirajuće naslage na površinu anode, uništavaju te naslage. U prisutnosti drugih aniona, posebice sulfatnih iona (SO 2-4), smanjuje se depasivirajući učinak iona klora (Cl -). Stabilan rad elektrolizera moguć je ako ioni - Cl - čine najmanje 30% od ukupnog broja aniona. Natrijevi kationi Na + kao rezultat elektroforeze prelaze na katode, na kojima se stvaraju hidroksidni ioni OH - i, u interakciji s potonjim, tvore natrijev hidroksid (NaOH), koji otapa karbonatne naslage na katodama.

Potrošnja energije [W] elektrolizera određena je sljedećim odnosom:

N potrošnja = η e I cur V e, (6)

gdje je η e učinkovitost elektrolizatora, obično se uzima η e = 0,7-0,8; I cur - jakost struje, A; V e je napon na elektrolizeru, V.

Vrijeme zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru elektrolizatora ograničeno je vremenom potrebnim za stvaranje potrebne količine produkata elektrolize, kao i trajanjem odgovarajućih volumnih reakcija, a određuje se eksperimentalno.

Brzina kretanja vode u međuelektrodnom prostoru postavlja se uzimajući u obzir uvjete za uklanjanje proizvoda elektrolize i drugih nečistoća iz elektrolizatora; Osim toga, turbulentno miješanje ovisi o brzini kretanja vode, što utječe na tijek volumetrijskih reakcija. Kao i vrijeme zadržavanja vode, brzina vode se odabire na temelju eksperimentalnih podataka.

Nastavit će se.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spector L.E., Mamadzhanov U.D. Fizička priroda fenomena aktivacije tvari // Izv. Akademija nauka UzSSR-a. Ser. tehn. nauk., br.1/1983.

2. Kulsky L.A. Pročišćavanje vode elektrokoagulacijom / L.A. Kulsky, P.P. Strokach, V.A. Slipčenko i drugi - Kijev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Elektrokemijske metode pročišćavanja pitke i otpadne vode / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M.: CBNTI Ministarstva stambenih i komunalnih usluga RSFSR-a, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. O prirodi elektrokemijske aktivacije medija // Dokl. Akademija znanosti SSSR-a, br. 3/1986, T. 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G. Elektrokemijski reaktori RPE. - M.: "Hyperox", 1991.

6. Yakovlev S.V. Tehnologija elektrokemijskog pročišćavanja vode / S.V. Jakovljev, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogov. — L.: L.O. Strojizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Suvremeni tehnički elektrokemijski sustavi za dezinfekciju, pročišćavanje i aktivaciju vode. - M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrokemijska aktivacija: pročišćavanje vode i proizvodnja korisnih otopina. - M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Priručnik o svojstvima, metodama analize i pročišćavanja vode. 1. dio / L.A. Kulsky, I.T. Goronovsky, A.M. Koganovski i drugi - Kijev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medriš G.L. Dezinfekcija prirodnih i otpadnih voda elektrolizom / G.L. Medrish, A.A. Taisheva, D.L. Bazen. - M.: Strojizdat, 1982.

11. Volovnik G.I. Teorijska osnova pročišćavanje vode / G.I. Volovnik, L.D. Terehov. Dio 1. - Khabarovsk: Izdavačka kuća DVGUPS, 2000.

12. Bakhir V.M. Elektrokemijska aktivacija. Dio 2. - M.: VNIIII med. tehnologija, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Iskustvo korištenja STEL instalacije na kirurškom odjelu / II Int. simp. "Elektr. aktivacija”, 1. dio - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Fizikalno-kemijski aspekti biološko djelovanje elektrokemijski aktivirana voda. - M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Teorijski aspekti elektrokemijske aktivacije / II Int. simp. "Elektr. aktivacija". Dio 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Toksikološka svojstva lijeka katolit / III Int. simp. "Elektr. aktivacija". - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Elektrokemijska aktivacija u praktičnoj medicini / II Int. simp. “Elektrokemijska aktivacija”, Dio 1. - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Farmakološka učinkovitost djelovanja anolita AN i ANK na sluznicu usne šupljine / II Int. simp. "Elektr. aktivacija" // Sažeci, izvješća. i poruka Dio 1. - M., 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Elektrokemijski aktivirana voda: anomalna svojstva, mehanizam biološkog djelovanja. - M.: VNIIIMT, 1997.

20. Panicheva S.A. Nove tehnologije za dezinfekciju i sterilizaciju složenih medicinskih proizvoda. - M.: VNIIIMT, 1998.

Elektroliza je skup redoks procesa koji se zbivaju propuštanjem istosmjerne električne struje kroz otopinu ili talinu elektrolita s elektrodama uronjenim u nju.

Uređaj u kojem se provodi elektroliza naziva se elektrolizer.

Elektroda na kojoj se odvijaju procesi oksidacije naziva se anoda. U elektrolizeru je pozitivno nabijen (spojen na pozitivni pol vanjskog istosmjernog izvora).

Elektroda na kojoj se odvijaju procesi redukcije naziva se katoda. U elektrolizeru je negativno nabijen (spojen na negativni pol vanjskog istosmjernog izvora).

Pri dovođenju napona kationi (pozitivno nabijene čestice) kreću se prema katodi, anioni (negativno nabijene čestice) kreću se prema anodi i tamo se prazne. Na anodi ioni odustaju od elektrona i dolazi do oksidacije. Na katodi ioni prihvaćaju elektrone i dolazi do njihove redukcije.

Samo kationi i anioni elektrolita ne sudjeluju uvijek u elektrodnim procesima; molekule otapala, posebno vode, natječu se s njima ako se provodi elektroliza vodene otopine.

Osim toga, sudjelovanje vode u elektrokemijskim procesima tijekom elektrolize može dovesti do drugačijeg rezultata. Slobodni radikali OH ( zbog oksidacije hidroksidnih iona na anodi) i N ( zbog redukcije vodikovih iona na katodi) imaju visoku reaktivnost i jako izražena oksidacijska, odnosno redukcijska svojstva. Na površini elektrode mogu djelovati s tvarima otopljenima u vodi. U takvim slučajevima govore o oksidaciji u anodnim i redukciji u katodnim prostorima.

Osobitosti pojavljivanja elektrokemijskih procesa u vodenim otopinama određene su sposobnošću molekula vode da se podvrgnu i oksidaciji (na anodi) i redukciji (na katodi).

Anoda (+) pH=0 pH=7 pH=14

2H 2 O – 4e = 2O + 2H + 4OH – – 4e = 4OH 4OH – – 4e = 4OH

2O = O 2 4OH = O 2 + 2H 2 O 4OH = O 2 + 2H 2 O

2H 2 O – 4e = 2O + 2H +

Katoda (–) pH=0 pH=7 pH=14

2H + + 2e = 2H 2H 2 O + 2e = 2H + 2OH – 2H 2 O + 2e = 2H + 2OH –

2H = H2 ili 2H = H2

razlikovati primarni I sekundarni elektrodni procesi. Primarni su elektrokemijske prirode, sekundarni su neelektrokemijski. Kao rezultat elektrolize, na elektrodama (katodi i anodi) oslobađaju se odgovarajući produkti redukcije i oksidacije (primarni procesi), koji, ovisno o uvjetima, mogu reagirati s otapalom, materijalom elektrode, međusobno (atomska rekombinacija ), itd. (sekundarni procesi). U nekim slučajevima nije moguće jasno razdvojiti primarne i sekundarne procese. U gornjem primjeru slobodni radikali OH (na anodi) i H (na katodi) nastali su kao rezultat primarnih procesa, a oksidacija manganatnih iona i redukcija dušične kiseline bili su sekundarni procesi. Pogledajmo još jedan primjer.

U nekim slučajevima, na glavne procese tijekom elektrolize utječu sporedne reakcije: interakcija između produkata elektrolize ili reakcija produkata s vodom. Da bi se spriječile sekundarne reakcije između produkata elektrolize, koriste se dijafragme (pregrade između anode i katode) koje sprječavaju difuziju određenih iona. Na primjer, u navedenom primjeru s elektrolizom otopine natrijevog klorida, kako bi se spriječila interakcija između klorovih i hidroksidnih iona, katoda je okružena dijafragmom koja sprječava difuziju natrijevih i klorovih iona. Kao rezultat toga, alkalije (NaOH) se koncentriraju u katodnom prostoru. Stoga, u većini slučajeva, treba očekivati ​​malu razliku u sastavu proizvoda pri elektrolizi iste otopine s dijafragmom i bez nje.

E diff = E A – E K

Za svaki elektrolit postoji specifičan minimalna vrijednost napon (iz vanjskog izvora struje) koji se mora primijeniti na elektrode da bi došlo do elektrolize. Naziva se naponom razgradnje (E dekompozicija).

Napon razgradnje je razlika između elektrodnih potencijala anodnog i katodnog procesa.

E diff = E A – E K

Na katodi se prvo događa redukcija iona ili molekula koji su dio redoks sustava s najpozitivnijim potencijalom (koji su reducirani oblik u redoks sustavima s najpozitivnijim potencijalom).

1) Ako se podvrgne elektrolizi topiti koji sadrži nekoliko različitih kationa metala, tada je u ovom slučaju slijed redukcije određen elektrodnim potencijalima metala pod danim uvjetima ( u ovom topljenju!). U tom se slučaju najprije reduciraju metalni kationi s visokim potencijalom elektrode (od kraja niza napona za danu talinu).

2) Obnavljajuće procesi na katodi u vodenim otopinama:

· metalni kationi smješteni u području napona nakon vodika (sa standardnim elektrodnim potencijalom većim od potencijala vodika): Cu 2+, Hg 2 2+, Ag +, Hg 2+, Pt 2+ ... Pt 4+. Tijekom elektrolize, oni se gotovo potpuno reduciraju na katodi i otpuštaju kao metal.

· metalni kationi koji se nalaze na početku reda (sa standardnim elektrodnim potencijalom manjim od potencijala aluminija): Li +, Na +, K + ... Al 3+. Tijekom elektrolize oni se ne reduciraju, već se reduciraju molekule vode.

· metalni kationi smješteni u nizu nakon aluminija i prije vodika (sa standardnim elektrodnim potencijalom većim od potencijala aluminija, ali manjim od vodika): Mn 2+, Zn 2+, Cr 3+, Fe 2+ ... H Tijekom elektrolize ti se kationi reduciraju na katodi istovremeno s molekulama vode.

3) Ako se na otopinu koja sadrži nekoliko kationa dovodi postupno rastući napon, elektroliza počinje kada se postigne potencijal razgradnje kationa s najpozitivnijim potencijalom. Tako se tijekom elektrolize otopine koja sadrži ione Cu 2+ (E 0 Cu 2+/ Cu = 0,35 V) i Zn 2+ (E 0 Zn 2+/ Zn = – 0,76 V) najprije oslobađa bakar na katodi , a tek nakon što se isprazne gotovo svi ioni bakra, cink će se početi oslobađati.

Čini se da se, na temelju vrijednosti elektrodnih potencijala, samo metali u nizu napona nakon vodika mogu taložiti u vodenoj otopini. Međutim, zbog prenapona vodika, moguće je taloženje iz vodene otopine mnogi metali koji se, prema vrijednostima svojih standardnih potencijala, ne bi trebali taložiti (npr. Zn). Osim toga, priroda okoliša (kisela, neutralna, alkalna) utječe na prirodu ispuštenog metala. To je zbog činjenice da, kao što je gore prikazano, potencijal elektrode ovisi o reakciji medija.