電気分解 — 動作原理、目的、用途
電気分解プロセス
電気分解は、非鉄冶金や多くの化学産業で広く普及しています。アルミニウム、亜鉛、マグネシウムなどの金属は、主に電気分解によって得られます。さらに、電気分解は、銅、ニッケル、鉛の精製（精製）のほか、水素、酸素、塩素、その他多くの化学物質の生成にも使用されます。
電気分解の本質は、直流電流が電解槽を通過し、電解槽に浸漬された電極上に粒子が堆積するとき (電気抽出)、または物質が電解質を介して一方の電極から別の電極に移動するときに、電解質から物質の粒子が分離されることです (電気抽出)。電解精製）。どちらの場合も、プロセスの目標は、不純物で汚染されていない可能な限り純粋な物質を取得することです。
対照的に 電子伝導性 電解質（水やその他の溶媒中の塩、酸、塩基の溶液、および溶融化合物）中の金属では、イオン伝導性が観察されます。
電解質は第二級導体です。これらの溶液および溶融物では、電解解離、つまり正および負に帯電したイオンの分解が起こります。
電気エネルギー源に接続された電極が電解質の入った容器（電解槽）に置かれると、その中にイオン電流が流れ始め、正に帯電したイオン（カチオン）が陰極に移動します（これらは主に金属と水素です） )、およびマイナスに帯電したイオン (アニオン (塩素、酸素)) がアノードに送られます。
アノードでは、アニオンは電荷を放棄し、中性の粒子になり、電極上に沈降します。カソードでは、カチオンが電極から電子を奪い、中性化されて電極上に沈着し、電極上で気泡の形で放出されたガスが上昇します。
米。 1. 電気分解中のプロセス。電気バス回路: 1 — バス、2 — 電解液、3 — アノード、4 — カソード、5 — 電源
外部回路内の電流は、アノードからカソードへの電子の移動です (図 1)。この場合、溶液は枯渇しており、電気分解プロセスの連続性を維持するには、溶液を濃縮する必要があります。これは、特定の物質が電解質から抽出される方法 (電気抽出) です。
電極が作られたのと同じ物質のイオンを含む溶液中に置かれる場合、電極と溶液の間の特定の電位では、電極は溶解せず、溶液から物質が電極上に堆積することもありません。
この電位を物質の常電位といいます。より負の電位が電極に印加されると、物質の放出（陰極プロセス）が始まりますが、より正の電位がかかると、その溶解が始まります（陽極プロセス）。
正常ポテンシャルの値はイオン濃度と温度に依存します。水素の通常のポテンシャルはゼロであると考えるのが一般的です。表 1 は、+ 25 °C におけるいくつかの物質の水溶液の標準電極電位を示しています。
表 1. + 25 °C での標準電極電位
電解液にさまざまな金属のイオンが含まれている場合、より低い負の常電位を持つイオン (銅、銀、鉛、ニッケル) が最初に陰極で分離されます。アルカリ土類金属は単離が最も困難です。さらに、水溶液中には常に水素イオンが存在しており、負の標準電位を持つすべての金属よりも早く放出されるため、後者の電気分解中に、かなりの、またはほとんどのエネルギーが水素の放出に費やされます。 。
特別な手段を講じれば、一定の範囲内で水素の発生を防ぐことができますが、通常の電位が 1 V 未満の金属 (マグネシウム、アルミニウム、アルカリ土類金属など) は、電気分解では得られません。水溶液。これらは、これらの金属の溶融塩の分解によって得られます。
表に示す物質の標準電極電位。1、電気分解プロセスが開始される最小値ですが、実際には、プロセスの進行には大きな値の電位が必要です。
電気分解中の電極の実際の電位と通常の電位との差を過電圧といいます。電気分解中のエネルギー損失が増加します。
一方、水素イオンの過電圧を高めると、陰極での水素イオンの放出が困難になり、水溶液からの電気分解によって、鉛、錫、ニッケルなど、水素よりもマイナスの多くの金属を得ることが可能になります。 、コバルト、クロム、さらには亜鉛も含まれます。これは、電極上の電流密度を高めてプロセスを実行すること、および電解質に特定の物質を導入することによって達成されます。
電気分解中の陰極反応と陽極反応の過程は、次の 2 つのファラデーの法則によって決まります。
1. 陰極での電気分解中に放出される、または陽極から電解質に通過する物質 md の質量は、電解質を通過する電気量 Azτ に比例します: me = α/τ、ここで a は物質の電気化学的当量です。 、g / C。
2. 同じ電気量での電気分解中に放出される物質の質量は、物質 A の原子質量に正比例し、その価数 n に反比例します: mNS = A / 96480n、ここで 96480 はファラデー数、C x mol -1 。
このように、物質の電気化学当量 α= A / 96480n は、電解槽を通過する電気の単位量、つまりクーロン (アンペア秒) によって放出される物質の質量をグラム単位で表します。
銅の場合 A = 63.54、n =2、α =63.54/96480-2= 0.000329 g/C、ニッケルの場合 α =0.000304 g/C、亜鉛の場合 α = 0.00034 g/C
ファラデーの法則に従って放出されるはずだった質量に対する、実際に放出された物質の質量の比は、物質の現在の収量η1と呼ばれます。
したがって、実際のプロセスでは、 mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It
当然、常にη1
電流効率は電極の電流密度に大きく依存します。電極電流密度が増加すると、電流効率が増加し、プロセス効率が増加します。
電解槽に供給する必要がある電圧 Uel は、降伏電圧 Ep (陽極反応と陰極反応の電位差)、陽極過電圧と陰極過電圧の合計、電解液の電圧降下 Ep、電解液の電圧降下で構成されます。 ue = IRep (Rep - 電解抵抗)、タイヤ、接点、電極の電圧降下 Uc = I(Rw +Rto +RNS)。 Uel = Ep + Ep + Moe + Us が得られます。
電気分解中に消費される電力は次のとおりです: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Moe + Uc)
この電力のうち、反応を行うために使用されるのは最初の成分だけであり、残りはプロセスの熱損失です。溶融塩の電気分解中のみ、電解質ＩＵｅ内で放出される熱の一部は、電解槽内に充填された塩の融解に費やされるため、有効に使用される。
電解槽の効率は、消費電力 1 J あたりに放出される物質の質量 (グラム単位) によって推定できます。この値は物質のエネルギー収量と呼ばれ、qe = (αη1) /Uel100 という式で求められます。ここで、α - 物質の電気化学的当量、g / C、η1 - 電流出力、Uemail - 電解質の電圧セル、V.