Elektrolyse. Rekenvoorbeelden

Elektrolyse is de ontbinding van een elektrolyt (een oplossing van zouten, zuren, basen) door middel van een elektrische stroom.

Elektrolyse kan alleen met gelijkstroom. Tijdens de elektrolyse komt de waterstof of het metaal in het zout vrij bij de negatieve elektrode (kathode). Als de positieve elektrode (anode) van metaal is (meestal hetzelfde als in zout), lost de positieve elektrode op tijdens elektrolyse. Als de anode onoplosbaar is (bijvoorbeeld koolstof), neemt het metaalgehalte van de elektrolyt af tijdens de elektrolyse.

De hoeveelheid stof die vrijkomt bij elektrolyse aan de kathode is evenredig met de hoeveelheid elektriciteit die door de elektrolyt is gegaan.

De hoeveelheid stof die vrijkomt bij één coulomb elektriciteit wordt het elektrochemische equivalent van A genoemd, dus G = A • Q; G = A • I • t,

waarbij G de hoeveelheid geïsoleerde stof is; Q is de hoeveelheid elektriciteit; ik — elektrische stroom; het is tijd.

Elk metaal heeft zijn elektrochemische equivalent A.

Rekenvoorbeelden

1. Hoeveel koper komt er vrij uit kopersulfaat (CuSO4) (Fig. 1) met een stroom I = 10 A gedurende 30 minuten.Elektrochemisch equivalent van koper A = 0,329 mg / A • sec.

Rijst. 1. Schema bijvoorbeeld 1

G = A • I • t = 0,329 • 10 • 30 • 60 = 5922 mg = 5,922 g.

Een voorwerp dat aan de kathode hangt, zal 5,9 g puur koper vrijgeven.

2. Toelaatbare stroomdichtheid in koperen elektrolytische coating • = 0,4 A / dm2. Het met koper te bedekken oppervlak van de kathode is S = 2,5 dm2. Welke stroom is er nodig voor elektrolyse en hoeveel koper komt er in 1 uur vrij aan de kathode (fig. 2).

Rijst. 2. Schema bijvoorbeeld 2

I = •• S = 0,4-2,5 = l A; G = A • Q = A • I • t = 0,329 • 1 • 60 • 60 = 1184,4 mg.

3. Geoxideerd water (bijvoorbeeld een zwakke oplossing van zwavelzuur H2SO4) valt tijdens elektrolyse uiteen in waterstof en zuurstof. Elektroden kunnen van koolstof, tin, koper enz. zijn, maar platina is het beste. Hoeveel zuurstof komt er vrij aan de anode en hoeveel waterstof komt er vrij aan de kathode in 1/4 uur bij een stroom van 1,5 A. De hoeveelheid elektriciteit 1 A sec geeft 0,058 cm3 zuurstof en 0,116 cm3 waterstof vrij (fig. 3).

Rijst. 3. Schema bijvoorbeeld 3

Ga = A • I • t = 0,058 • 1,5 • 15 • 60 = 78,3 cm3 zuurstof zal vrijkomen aan de kathode.

Aan de anode komt Gc = A • I • t = 0,1162 • 1,5 • 15 • 60 = 156,8 cm3 waterstof vrij.

Een mengsel van waterstof en zuurstof in deze verhouding wordt een explosief gas genoemd, dat bij ontsteking explodeert en water vormt.

4. Zuurstof en waterstof voor laboratoriumexperimenten worden verkregen met behulp van elektrolyse van water (geoxideerd zwavelzuur) (fig. 4). Platina-elektroden zijn in het glas gesoldeerd. Met behulp van de weerstand stellen we de stroom I = 0,5 A in. (Als stroombron wordt een batterij van drie droge cellen van 1,9 V gebruikt) Hoeveel waterstof en zuurstof komt er na 30 minuten vrij.

Rijst. 4… Figuur 4 bijvoorbeeld

In het rechtervat komt Gc = A • I • t = 0,1162 • 0,5 • 30 • 60 = 104,58 cm3 waterstof vrij.

In het linker vat zal Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 zuurstof worden ontwikkeld (de gassen verdringen water in het middelste vat).

5. Het convertorblok (motor-generator) levert stroom voor het verkrijgen van elektrolytisch (puur) koper. In 8 uur zou je 20 kg honing moeten krijgen. Welke stroom moet de generator leveren? • Het elektrochemische equivalent van koper is A = 0,329 mg / A • sec.

Aangezien G = A • I • t, ​​dan is I = G / (A • t) = 20.000.000 / (0,329 • 8 • 3600) = 20.000.000 / 9475,2 = 2110,7 A.

6. Het is noodzakelijk om 200 koplampen te verchromen, waarvan 3 g chroom per stuk nodig is. Welke stroom is er nodig om dit werk in 10 uur te doen (elektrochemisch equivalent van chroom A = 0,18 mg / A • sec).

I = G / (A • t) = (200 • 3 • 1000) / (0,18 • 10 • 3600) = 92,6 A.

7. Aluminium wordt verkregen door elektrolyse van een oplossing van kaolienklei en kryoliet in baden bij een werkspanning van het bad van 7 V en een stroom van 5000 A. De anodes zijn gemaakt van steenkool en het bad is gemaakt van staal met steenkool blokken (Fig. 5).

Rijst. 5Figuur 5 bijvoorbeeld

Aluminium productiebaden worden in serie geschakeld om de werkspanning te verhogen (bijvoorbeeld 40 baden). Voor de productie van 1 kg aluminium zijn ongeveer 0,7 kg koolstofanoden en 25-30 kWh elektriciteit nodig. Bepaal op basis van de gegeven gegevens het vermogen van de generator, het energieverbruik voor 10 bedrijfsuren en het gewicht van het resulterende aluminium.

Vermogen van de generator bij het werken aan 40 baden P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.

Elektrische energie verbruikt gedurende 10 uur, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.

De verkregen hoeveelheid aluminium G = 14000:25 = 560 kg.

Op basis van het theoretische elektrochemische equivalent zou de verkregen hoeveelheid aluminium gelijk moeten zijn aan:

GT = A • I • t = 0,093 • 5000 • 40 • 10 • 3600 = 0,093 • 720.000.000 mg = 669,6 kg.

Het rendement van de elektrolytische installatie is gelijk aan: Rendement = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83%.