Электрохимические производства. 
Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии

Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) — анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода — процесс окисления.

А (+): nA^n- — ne^- > nA^p-

K (-): nBⁿ⁺ + ne^- > nB^p+

Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их, — окислителем.

Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе тока I, времени электролиза t и электрохимическому эквиваленту этого вещества Э_Э

Масса вещества вычисляется по формуле.

(1.3.1).

где, I — сила тока, F — постоянная Фарадея (96 500 Кл).

(г-экв) (1.3.2).

Mr — относительная молекулярная масса вещества,.

n — заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).

Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:

(1.3.3).

Масса m_теор находится по формуле.

(1.3.4).

Выход по энергии определяется по уравнению.

(1.3.5).

где, Е_теор и Е_пр — теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; з — выход по энергии,%.

Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:

(1.3.6).

где w_теор и w_пр — количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.

(1.3.7).

где 1000 — коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;

1*10^-6 — число, используемое для перевода граммов в тонны.

Теоретический расход электроэнергии находится по отношению.

(1.3.8).

где ц_разл — напряжение разложения.

Примеры решения задач.

1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?

Решение:

В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа⁺ и ОН. Окисляющиеся у анода ионы ОН в следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:

К (-): 2Na⁺ + 2е^- = 2Na;

А (+): 2ОН — 2e^- = Н₂О + О₂

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О₂. Таким образом, суммарное уравнение.

4NаОН = 4Na + 2Н₂О + О₂

При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.

Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода — электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита — растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na⁺ или К^-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:

2H+OH+ 2е^- = Н₂^ + 2ОН Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОН из воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:

• 4Н₂О — 4е^- = 4Н⁺ + 4ОН
• 4ОН^- 2Н₂О+О₂

Складывая оба уравнения, получаем:

• 2Н₂О — 4е^- = 4H⁺ + O₂
• 2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15 500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH 125 кг/м^3.

Решение:

По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить.

практически было получено.

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен.

Ответ: выход по току 94,6%.

3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35 В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.

Решение:

Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии.

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17 В, теоретический расход энергии на 1 т хлора составит.

В этом случае выход по энергии.

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч Задачи для самостоятельного решения.

• 1. Один из способов промышленного получения кальция — электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?
• 2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30 000 А, было получено 8,5 м³ электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м^3. рассчитать выход по току (для щелочи)
• 3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%
• 4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34 000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.
• 5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1 т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.
• 6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl₂ и 0,2 моль CuCl₂ и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?
• 7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении
• 755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.
• 8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40 000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.
• 9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м³ водорода и 0,5 м³ кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 — 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.
• 10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl₂ и FeCl₃, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.