విద్యుద్విశ్లేషణ - చర్య, ప్రయోజనం మరియు అప్లికేషన్ యొక్క సూత్రం

విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియలు

నాన్-ఫెర్రస్ మెటలర్జీలో మరియు అనేక రసాయన పరిశ్రమలలో విద్యుద్విశ్లేషణ విస్తృతంగా వ్యాపించింది. అల్యూమినియం, జింక్, మెగ్నీషియం వంటి లోహాలు ప్రధానంగా విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా పొందబడతాయి. అదనంగా, విద్యుద్విశ్లేషణ అనేది రాగి, నికెల్, సీసం, అలాగే హైడ్రోజన్, ఆక్సిజన్, క్లోరిన్ మరియు అనేక ఇతర రసాయనాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి (శుద్ధి చేయడానికి) ఉపయోగించబడుతుంది.

విద్యుద్విశ్లేషణ యొక్క సారాంశం అనేది విద్యుద్విశ్లేషణ స్నానం గుండా ప్రత్యక్ష ప్రవాహం మరియు స్నానంలో మునిగిపోయిన ఎలక్ట్రోడ్‌లపై వాటి నిక్షేపణ (ఎలక్ట్రోఎక్స్‌ట్రాక్షన్) లేదా ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా మరొక ఎలక్ట్రోడ్‌కు పదార్థాలు బదిలీ అయినప్పుడు ఎలక్ట్రోలైట్ నుండి పదార్ధం యొక్క కణాలను వేరు చేయడం ( విద్యుద్విశ్లేషణ శుద్ధి). రెండు సందర్భాల్లో, ప్రక్రియల లక్ష్యం మలినాలతో కలుషితం కాని స్వచ్ఛమైన పదార్థాలను పొందడం.

దీనికి విరుద్ధంగా ఎలక్ట్రానిక్ వాహకత ఎలక్ట్రోలైట్స్‌లోని లోహాలు (నీటిలోని లవణాలు, ఆమ్లాలు మరియు స్థావరాలు మరియు కొన్ని ఇతర ద్రావకాలలో, అలాగే కరిగిన సమ్మేళనాలలో), అయానిక్ వాహకత గమనించబడుతుంది.

ఎలక్ట్రోలైట్లు రెండవ తరగతి కండక్టర్లు.ఈ ద్రావణాలు మరియు కరుగులలో, విద్యుద్విశ్లేషణ విచ్ఛేదనం జరుగుతుంది - సానుకూలంగా మరియు ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్ల విచ్ఛిన్నం.

విద్యుత్ శక్తి మూలానికి అనుసంధానించబడిన ఎలక్ట్రోడ్‌లను ఎలక్ట్రోలైట్ - ఎలక్ట్రోలైజర్‌తో ఒక పాత్రలో ఉంచినట్లయితే, దానిలో అయానిక్ కరెంట్ ప్రవహించడం ప్రారంభమవుతుంది మరియు సానుకూలంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్లు - కాటయాన్‌లు కాథోడ్‌కు వెళతాయి (ఇవి ప్రధానంగా లోహాలు మరియు హైడ్రోజన్. ), మరియు ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడిన అయాన్లు - ఆయాన్లు (క్లోరిన్, ఆక్సిజన్) - యానోడ్కు.

యానోడ్ వద్ద, అయాన్లు తమ ఛార్జ్‌ను వదులుకుంటాయి మరియు ఎలక్ట్రోడ్‌పై స్థిరపడే తటస్థ కణాలుగా మారతాయి. కాథోడ్ వద్ద, కాటయాన్‌లు ఎలక్ట్రోడ్ నుండి ఎలక్ట్రాన్‌లను తీసుకుంటాయి మరియు తటస్థీకరించబడతాయి, దానిపై స్థిరపడతాయి మరియు బుడగలు రూపంలో ఎలక్ట్రోడ్‌లపై విడుదలయ్యే వాయువులు పైకి లేస్తాయి.

అన్నం. 1. విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో ప్రక్రియలు. ఎలక్ట్రిక్ బాత్ సర్క్యూట్: 1 - బాత్, 2 - ఎలక్ట్రోలైట్, 3 - యానోడ్, 4 - కాథోడ్, 5 - విద్యుత్ సరఫరా

బాహ్య సర్క్యూట్లో విద్యుత్ ప్రవాహం యానోడ్ నుండి కాథోడ్కు ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక (Fig. 1). ఈ సందర్భంలో, పరిష్కారం క్షీణిస్తుంది మరియు విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియ యొక్క కొనసాగింపును నిర్వహించడానికి, అది సుసంపన్నం చేయాలి. ఈ విధంగా ఎలక్ట్రోలైట్ (ఎలక్ట్రో ఎక్స్‌ట్రాక్షన్) నుండి కొన్ని పదార్ధాలు సంగ్రహించబడతాయి.

యానోడ్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లో కరిగిపోగలిగితే, రెండోది క్షీణించినందున, దాని కణాలు, ఎలక్ట్రోలైట్‌లో కరిగి, సానుకూల చార్జ్‌ను పొందుతాయి మరియు కాథోడ్‌కు మళ్లించబడతాయి, దానిపై అవి జమ చేయబడతాయి, తద్వారా యానోడ్ నుండి కాథోడ్‌కు పదార్థాన్ని బదిలీ చేస్తుంది. . యానోడ్ యొక్క లోహంలో ఉన్న మలినాలను కాథోడ్‌కు బదిలీ చేయని విధంగా ప్రక్రియ నిర్వహించబడుతుంది కాబట్టి, ఈ ప్రక్రియను ఎలక్ట్రోలైటిక్ రిఫైనింగ్ అంటారు.

ఎలక్ట్రోడ్ తయారు చేయబడిన అదే పదార్ధం యొక్క అయాన్లతో ఒక ద్రావణంలో ఉంచినట్లయితే, ఎలక్ట్రోడ్ మరియు ద్రావణం మధ్య ఒక నిర్దిష్ట సంభావ్యత వద్ద ఎలక్ట్రోడ్ కరిగిపోదు లేదా ద్రావణం నుండి పదార్థం దానిపై జమ చేయబడదు.

ఈ సంభావ్యతను పదార్ధం యొక్క సాధారణ సంభావ్యత అంటారు. ఎలక్ట్రోడ్‌కు మరింత ప్రతికూల సంభావ్యత వర్తించబడితే, దానిపై ఒక పదార్ధం (కాథోడిక్ ప్రక్రియ) విడుదల ప్రారంభమవుతుంది, కానీ అది మరింత సానుకూలంగా ఉంటే, దాని రద్దు ప్రారంభమవుతుంది (అనోడిక్ ప్రక్రియ).

సాధారణ పొటెన్షియల్స్ విలువ అయాన్ ఏకాగ్రత మరియు ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది. హైడ్రోజన్ యొక్క సాధారణ సంభావ్యతను సున్నాగా పరిగణించడం సాధారణంగా అంగీకరించబడుతుంది. + 25 ° C వద్ద పదార్థాల యొక్క కొన్ని సజల ద్రావణాల యొక్క సాధారణ ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్‌లను టేబుల్ 1 చూపిస్తుంది.

పట్టిక 1. + 25 ° C వద్ద సాధారణ ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్స్

ఎలక్ట్రోలైట్ వివిధ లోహాల అయాన్లను కలిగి ఉంటే, తక్కువ ప్రతికూల సాధారణ సంభావ్యత (రాగి, వెండి, సీసం, నికెల్) కలిగిన అయాన్లు మొదట కాథోడ్ వద్ద వేరు చేయబడతాయి; ఆల్కలీన్ ఎర్త్ లోహాలు వేరుచేయడం చాలా కష్టం. అదనంగా, సజల ద్రావణాలలో ఎల్లప్పుడూ హైడ్రోజన్ అయాన్లు ఉంటాయి, ఇవి ప్రతికూల సాధారణ సంభావ్యతతో అన్ని లోహాల కంటే ముందుగా విడుదల చేయబడతాయి, కాబట్టి, తరువాతి విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో, హైడ్రోజన్ విడుదలపై గణనీయమైన లేదా ఎక్కువ శక్తి ఖర్చు చేయబడుతుంది. .

ప్రత్యేక చర్యల సహాయంతో, కొన్ని పరిమితుల్లో హైడ్రోజన్ పరిణామాన్ని నిరోధించడం సాధ్యమవుతుంది, అయితే 1 V కంటే తక్కువ సాధారణ సంభావ్యత కలిగిన లోహాలు (ఉదాహరణకు, మెగ్నీషియం, అల్యూమినియం, ఆల్కలీన్ ఎర్త్ లోహాలు) నుండి విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా పొందలేము. సజల ద్రావణంలో. ఈ లోహాల కరిగిన లవణాల కుళ్ళిపోవడం ద్వారా అవి పొందబడతాయి.

పట్టికలో సూచించిన పదార్ధాల సాధారణ ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్స్.1, విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియ ప్రారంభమయ్యే కనిష్టంగా ఉంటుంది, ఆచరణలో ప్రక్రియ అభివృద్ధికి సంభావ్యత యొక్క పెద్ద విలువలు అవసరం.

విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క వాస్తవ సంభావ్యత మరియు దాని సాధారణ సంభావ్యత మధ్య వ్యత్యాసాన్ని ఓవర్వోల్టేజ్ అంటారు. ఇది విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో శక్తి నష్టాలను పెంచుతుంది.

మరోవైపు, హైడ్రోజన్ అయాన్లకు ఓవర్ వోల్టేజీని పెంచడం వల్ల కాథోడ్ వద్ద విడుదల చేయడం కష్టమవుతుంది, ఇది సీసం, టిన్, నికెల్ వంటి హైడ్రోజన్ కంటే ప్రతికూలంగా ఉండే అనేక లోహాలను సజల ద్రావణాల నుండి విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా పొందడం సాధ్యం చేస్తుంది. , కోబాల్ట్, క్రోమియం మరియు జింక్ కూడా. ఎలక్ట్రోడ్‌లపై పెరిగిన కరెంట్ సాంద్రతలలో ప్రక్రియను నిర్వహించడం ద్వారా, అలాగే ఎలక్ట్రోలైట్‌లో కొన్ని పదార్ధాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా ఇది సాధించబడుతుంది.

విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో కాథోడిక్ మరియు అనోడిక్ ప్రతిచర్యల కోర్సు ఫెరడే యొక్క క్రింది రెండు చట్టాల ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.

1. కాథోడ్‌లో విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో విడుదలైన md పదార్ధం యొక్క ద్రవ్యరాశి లేదా యానోడ్ నుండి ఎలక్ట్రోలైట్‌కు పంపబడినది Azτ ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా పంపబడిన విద్యుత్ మొత్తానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది: me = α/τ, ఇక్కడ a అనేది పదార్ధానికి సమానమైన ఎలెక్ట్రోకెమికల్. , g / C.

2. అదే మొత్తంలో విద్యుత్తో విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో విడుదలయ్యే పదార్ధం యొక్క ద్రవ్యరాశి A పదార్ధం యొక్క పరమాణు ద్రవ్యరాశికి నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది మరియు దాని విలువ nకి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది: mNS = A / 96480n, ఇక్కడ 96480 అనేది ఫెరడే సంఖ్య, C x mol -1.

ఈ విధంగా, α= A / 96480n పదార్ధానికి సమానమైన ఎలెక్ట్రోకెమికల్ అనేది ఎలెక్ట్రోలైటిక్ బాత్ గుండా వెళుతున్న ఒక యూనిట్ మొత్తం విద్యుత్ ద్వారా విడుదల చేయబడిన గ్రాములలోని పదార్ధం యొక్క ద్రవ్యరాశిని సూచిస్తుంది - ఒక కూలంబ్ (ఆంపియర్-సెకండ్).

రాగి A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g / C, నికెల్ α =0.000304 g / C కోసం, జింక్ కోసం α = 0.00034 g / C

వాస్తవానికి, విడుదలైన పదార్ధం యొక్క ద్రవ్యరాశి ఎల్లప్పుడూ సూచించిన దానికంటే తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది స్నానంలో జరుగుతున్న అనేక సైడ్ ప్రక్రియల ద్వారా వివరించబడుతుంది (ఉదాహరణకు, కాథోడ్ వద్ద హైడ్రోజన్ విడుదల), కరెంట్ లీకేజ్ మరియు ఎలక్ట్రోడ్ల మధ్య షార్ట్ సర్క్యూట్.

ఫెరడే చట్టం ప్రకారం విడుదల చేయబడాల్సిన పదార్ధం యొక్క ద్రవ్యరాశికి దాని ద్రవ్యరాశికి ఉన్న నిష్పత్తిని η1 పదార్ధం యొక్క ప్రస్తుత దిగుబడి అంటారు.

కాబట్టి, నిజమైన ప్రక్రియ కోసం mNS = η1 NS (A / 96480n) NS ఇది

సహజంగా, ఎల్లప్పుడూ η1

ప్రస్తుత సామర్థ్యం ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క ప్రస్తుత సాంద్రతపై గణనీయంగా ఆధారపడి ఉంటుంది. ఎలక్ట్రోడ్ కరెంట్ సాంద్రత పెరిగినప్పుడు, ప్రస్తుత సామర్థ్యం పెరుగుతుంది మరియు ప్రక్రియ సామర్థ్యం పెరుగుతుంది.

విద్యుద్విశ్లేషణకు సరఫరా చేయవలసిన వోల్టేజ్ Uel వీటిని కలిగి ఉంటుంది: బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్ Ep (అనోడిక్ మరియు కాథోడిక్ ప్రతిచర్యల సంభావ్య వ్యత్యాసం), అనోడిక్ మరియు కాథోడిక్ ఓవర్‌వోల్టేజీల మొత్తం, ఎలక్ట్రోలైట్ Epలో వోల్టేజ్ తగ్గుదల, ఎలక్ట్రోలైట్ Ueలో వోల్టేజ్ తగ్గుదల = IRep (Rep — విద్యుద్విశ్లేషణ నిరోధకత), టైర్లు, పరిచయాలు, ఎలక్ట్రోడ్‌లలో వోల్టేజ్ తగ్గుదల Uc = I(Rw +Rto +RNS). మేము పొందుతాము: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో వినియోగించే శక్తి దీనికి సమానం: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

ఈ శక్తిలో, ప్రతిచర్యలను నిర్వహించడానికి మొదటి భాగం మాత్రమే ఉపయోగించబడుతుంది, మిగిలినవి ప్రక్రియ యొక్క ఉష్ణ నష్టాలు. కరిగిన లవణాల విద్యుద్విశ్లేషణ సమయంలో మాత్రమే, ఎలక్ట్రోలైట్ IUeలో విడుదలయ్యే వేడిలో కొంత భాగం ఉపయోగకరంగా ఉపయోగించబడుతుంది, ఎందుకంటే ఇది ఎలక్ట్రోలైజర్‌లో ఛార్జ్ చేయబడిన లవణాలను కరిగించడానికి ఖర్చు చేయబడుతుంది.

విద్యుద్విశ్లేషణ స్నానం యొక్క సామర్థ్యాన్ని 1 J విద్యుత్ వినియోగించే ప్రతి గ్రాముల ద్రవ్యరాశి ద్వారా అంచనా వేయవచ్చు.ఈ విలువను పదార్ధం యొక్క శక్తి దిగుబడి అంటారు.దీనిని qe = (αη1) /Uel100 అనే వ్యక్తీకరణ ద్వారా కనుగొనవచ్చు, ఇక్కడ α — ఒక పదార్ధానికి సమానమైన ఎలెక్ట్రోకెమికల్, g/C, η1 — కరెంట్ అవుట్‌పుట్, Uemail — విద్యుద్విశ్లేషణ యొక్క వోల్టేజ్ సెల్, వి.