Електролитно производство на калций и неговите сплави. Физико-химични свойства на електролита

Електролизата е окислително-редукционна реакция, която възниква върху електродите, ако през стопилката или разтвора на електролита се пропусне постоянен електрически ток.

Катодът е редуциращ агент, който дарява електрони на катиони.

Анодът е окислител, който приема електрони от аниони.

Серия от катиони:	Na + , Mg 2+ , Al 3+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ , H+ , Cu 2+ , Ag + _____________________________→ Укрепване на окислителната сила
Серия на анионна активност:	I - , Br - , Cl - , OH - , NO 3 - , CO 3 2- , SO 4 2- ←__________________________________ Увеличаване на способността за възстановяване

Процеси, протичащи върху електродите по време на електролизата на стопилки

(не зависят от материала на електродите и естеството на йоните).

1. Анионите се изхвърлят на анода ( A m - ; о-

A m - - m ē → A °; 4 OH - - 4ē → O 2 + 2 H 2 O (окислителни процеси).

2. Катиони се изхвърлят на катода ( Me n + , H + ), превръщайки се в неутрални атоми или молекули:

Me n + + n ē → Me ° ; 2 H + + 2ē → H 2 0 (възстановителни процеси).

Процеси, протичащи върху електродите по време на електролизата на разтвори

КАТОД (-) Не зависи от материала на катода; зависят от позицията на метала в серия от напрежения	ANOD (+) Зависи от материала на анода и естеството на анионите.
	Анодът е неразтворим (инертен), т.е. направена от въглища, графит, платина, злато.	Анодът е разтворим (активен), т.е. направена отCu, Ag, Zn, Ni, Feи други метали (освент, Au)
1. На първо място се възстановяват метални катиони, които стоят в поредица от напрежения след товаХ 2 : Me n+ +nē → Me°	1. Преди всичко се окисляват аниони на безкислородните киселини (освенФ - ): A m- - mē → A°	Анионите не се окисляват. Анодните метални атоми се окисляват: Me° - nē → Me n+ Катиони Me n + отидете в решение. Масата на анода се намалява.
2. Метални катиони със средна активност, стоящи между тяхАл И Х 2 , се възстановяват едновременно с вода: Me n+ + nē →Me° 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH -	2. Аниони на оксо киселини (ТАКА 4 2- , CO 3 2- ,..) И Ф - не се окисляват, молекулите се окисляватХ 2 О : 2H 2 O - 4ē → O 2 + 4H +
3.Катиони на активни метали отЛи преди Ал (включително) не се възстановяват, но се възстановяват молекулиХ 2 О : 2 H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH -	3. При електролизата на алкални разтвори йони се окислявато- : 4OH - - 4ē → O 2 +2H 2 O
4. При електролизата на киселинни разтвори катионите се редуцират H+: 2H + + 2ē → H 2 0

ЕЛЕКТРОЛИЗА НА СТОПКИ

Упражнение 1. Направете диаграма на електролизата на стопилка на натриев бромид. (Алгоритъм 1.)

Последователност	Предприемане на действия
	NaBr → Na + + Br -
	K - (катод): Na +, A + (анод): Br -
	K + : Na + + 1ē → Na 0 (възстановяване), A +: 2 Br - - 2ē → Br 2 0 (окисление).
	2NaBr \u003d 2Na +Br 2

Задача 2. Направете диаграма на електролизата на стопилка на натриев хидроксид. (Алгоритъм 2.)

Последователност	Предприемане на действия
	NaOH → Na + + OH -
2. Покажете движението на йони към съответните електроди	K - (катод): Na +, A + (анод): OH -.
3. Изготвяне на схеми на окислителни и редукционни процеси	K - : Na + + 1ē → Na 0 (възстановяване), A +: 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2 (окисление).
4. Направете уравнение за електролизата на алкална стопилка	4NaOH \u003d 4Na + 2H2O + O2

Задача 3.Направете диаграма на електролизата на стопилка на натриев сулфат. (Алгоритъм 3.)

Последователност	Предприемане на действия
1. Съставете уравнението за дисоциация на солта	Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2-
2. Покажете движението на йони към съответните електроди	K - (катод): Na + A + (анод): SO 4 2-
	K -: Na + + 1ē → Na 0, A +: 2SO 4 2- - 4ē → 2SO 3 + O 2
4. Направете уравнение за електролизата на разтопена сол	2Na 2 SO 4 \u003d 4Na + 2SO 3 + O 2

ЕЛЕКТРОЛИЗА НА РАЗТВОР

Упражнение 1.Начертайте схема за електролиза на воден разтвор на натриев хлорид с помощта на инертни електроди. (Алгоритъм 1.)

Последователност	Предприемане на действия
1. Съставете уравнението за дисоциация на солта	NaCl → Na + + Cl -
	Натриевите йони в разтвора не се възстановяват, така че водата се възстановява. Хлорните йони се окисляват.
3. Начертайте диаграми на процесите на редукция и окисление	K -: 2H 2 O + 2ē → H 2 + 2OH - A +: 2Cl - - 2ē → Cl 2
	2NaCl + 2H 2 O \u003d H 2 + Cl 2 + 2NaOH

Задача 2.Начертайте схема за електролиза на воден разтвор на меден сулфат ( II ) с помощта на инертни електроди. (Алгоритъм 2.)

Последователност	Предприемане на действия
1. Съставете уравнението за дисоциация на солта	CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2-
2. Изберете йоните, които ще бъдат разредени на електродите	Медните йони се редуцират на катода. На анода във воден разтвор сулфатните йони не се окисляват, така че водата се окислява.
3. Начертайте диаграми на процесите на редукция и окисление	K - : Cu 2+ + 2ē → Cu 0 A + : 2H 2 O - 4ē → O 2 +4H +
4. Направете уравнение за електролизата на воден солев разтвор	2CuSO 4 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Задача 3.Начертайте схема за електролиза на воден разтвор на воден разтвор на натриев хидроксид с помощта на инертни електроди. (Алгоритъм 3.)

Последователност	Предприемане на действия
1. Направете уравнение за дисоциацията на алкали	NaOH → Na + + OH -
2. Изберете йоните, които ще бъдат разредени на електродите	Натриевите йони не могат да бъдат редуцирани, така че водата се редуцира на катода. Хидроксидните йони се окисляват на анода.
3. Начертайте диаграми на процесите на редукция и окисление	K -: 2 H 2 O + 2ē → H 2 + 2 OH - A +: 4 OH - - 4ē → 2 H 2 O + O 2
4. Направете уравнение за електролизата на воден разтвор на алкали	2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2 , т.е. електролизата на воден разтвор на алкали се свежда до електролиза на вода.

Помня.При електролизата на кислород-съдържащи киселини (H 2 SO 4 и др.), основи (NaOH, Ca (OH) 2 и др.) , соли на активни метали и кислород-съдържащи киселини(K 2 SO 4 и др.) електролизата на водата се извършва върху електродите: 2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2

Задача 4.Начертайте схема за електролиза на воден разтвор на сребърен нитрат с помощта на анод от сребро, т.е. анодът е разтворим. (Алгоритъм 4.)

Последователност	Предприемане на действия
1. Съставете уравнението за дисоциация на солта	AgNO 3 → Ag + + NO 3 -
2. Изберете йоните, които ще бъдат разредени на електродите	Сребърните йони се редуцират на катода, а сребърният анод се разтваря.
3. Начертайте диаграми на процесите на редукция и окисление	К-: Ag + + 1ē→ Ag 0 ; A+: Ag 0 - 1ē→ Ag +
4. Направете уравнение за електролизата на воден солев разтвор	Ag + + Ag 0 = Ag 0 + Ag + електролизата се свежда до прехвърляне на сребро от анода към катода.

^ ГЛАВА 9. ЕЛЕКТРОХИМИЧНО ПРОИЗВОДСТВО

9.1 Теоретични основи на промишлената електролиза

Технологията на електрохимичното производство разглежда процеси, при които основните реакции протичат в среда на директно преобразуване на електрическата енергия в химическа енергия, без междинно преобразуване на енергията в топлина.

За целта са създадени специални технологични методи и оборудване, базирани на теоретична електрохимия и различаващи се от методите в други области на химическата технология. При електролизата желаните реакции могат да се провеждат като правило с висока степен на селективност, което прави възможно получаването на продукт със сравнително малки примеси. Степента на полезно използване на електричеството при електролизата е сравнително голяма.

Технологичните процеси, които могат да се извършват чрез електрохимични методи, в повечето случаи могат да се извършват и чрез други химични методи.

Изборът на технология трябва да се направи въз основа на сравнителен технико-икономически анализ, който взема предвид икономиката на производството, ресурсите на необходимите суровини, сложността на хардуерния дизайн и други въпроси.

Технико-икономическите предимства на електрохимичните методи се определят от факта, че те могат да се използват за получаване на достатъчно чисти продукти в относително прости технологични схеми. Недостатъците са свързани с необходимостта да се изразходва скъпа форма на енергия (DC енергия) и да се правят разходи за създаване на източници за нейното производство.

Електрохимичните методи са намерили приложение за производството на водород и кислород, хлор, натриев и калиев хидроксид, кислородни съединения на хлора, за електросинтеза на неорганични вещества, а също и за синтеза на органични вещества.

Използва се електрохимичен метод за производство на хидроелектрометалургични метали като мед, никел, цинк, кобалт, кадмий, манган, хром, желязо, сребро, злато и др., както и метални прахове. Използвайки електролизата на разтопена среда, е възможно да се получат алуминий, магнезий, алкални и алкалоземни метали (натрий, калций), берилий, редки и редкоземни метали, както и елементарен флуор.

В галваничното покритие се използват електрохимични методи за медно покритие, никелиране, хромиране и други покрития, в машиностроенето - за анодна механична обработка на продукти (пробиване, рязане, електрополиране, прецизна сложна обработка и др.).

На базата на електрохимични процеси са създадени химически източници на ток, като батерии и галванични елементи.

Електрохимичните реакции протичат в апарати, наречени електролизатори.В тях чрез електролити (разтвори или стопилки - проводници от втори вид) от анода към катода преминава постоянен ток. Реакциите на окисление протичат на анода, а реакциите на редукция протичат на катода.

Според законите на Фарадей количеството вещество, освободено от електродите, е пропорционално на количеството пропуснато електричество. Няколко реакции могат да протичат паралелно на всеки електрод. Делът от общото количество прекарано електричество, изразходвано за дадена реакция, е неговият токов изход.

практически важно токов изход за основната реакция,което характеризира съвършенството на процеса. Скоростта на реакцията в електрохимията е плътност на тока -количеството електричество, което е преминало за единица време през единичната повърхност на електрода на границата му с електролита.

На практика плътността на тока се определя чрез разделяне на силата му на геометричната площ на електрода. Разграничаване оцененоИ истинска плътност на тока,което се определя не от геометричната, а от действителната повърхност на електрода. Последното зависи от порьозността и топографията на повърхността (наличието на издатини и вдлъбнатини) и практически не може да бъде определено. Очевидно, колкото по-развита е повърхността на електролита, толкова по-ниска е истинската плътност на тока и толкова повече се различава от изчислената.

В промишлените предприятия електрохимичните реакции се осъществяват главно чрез реакции, които изискват консумация на електрическа енергия. Тези разходи се характеризират с потенциален скок, който възниква на интерфейса електрод-електролит. Ако електродната реакция протича при условия на обратимо равновесие (със сила на тока, близка до нула), тогава потенциалният скок между електрода и електролита се нарича равновесен потенциал.Равновесният потенциал дава стойността на потенциалния скок, необходим за започване на реакцията.

важна концепция "стандартен потенциал".Това е равновесният потенциал, определен за случая, когато активността на всяко активно вещество е равна на единица. Стандартните потенциали са дадени в справочните таблици. Като се вземат предвид реалните условия и използвайки формулата на Нернст, от тях могат да бъдат изчислени равновесните потенциали.

Нарича се сумата от равновесните потенциали на анода и катода стрес при разлагане.Именно при това напрежение, при ток, близък до нула, и при наличие на условия за обратимост на електродните реакции, започва процесът на електролиза.

На практика през електродите преминава ток, различен от нула, и следователно електродните процеси протичат при неравновесни условия. Потенциалният скок на интерфейса електрод-електролит в тези случаи е по-голям от равновесния и се нарича електроден потенциал.Невъзможно е експериментално да се измери потенциалната разлика между електрода и електролита. Вместо това се измерва потенциалната разлика между данните и стандартните (напр. стандартен водороден електрод) електроди. Тази разлика се приема като потенциал на електрода. От този начин на дефинирането им следва знаковото правило за потенциалите.

Разликата между електродния потенциал и неговия равновесен потенциал се нарича пренапрежение.То е толкова по-голямо, колкото по-висока е истинската плътност на тока. Свръхнапрежение на електрода възниква и когато реакциите, протичащи върху него, са необратими. Свръхнапрежението е пропорционално на енергията, която трябва да се изразходва, за да се извърши реакцията на електрода с определена скорост.

Електродната реакция преминава през следните етапи:

1) подаване на реагиращи вещества от електролита към електродите и отстраняване на реакционните продукти от тях;

2) движение на електрони между електроди и йони;

3) вторични реакции върху електродите (например образуване на водородни и кислородни молекули от атоми).

За да протича процесът с дадена скорост на електродите, е необходимо определено количество електрическа енергия за всеки етап. На първия етап той е пропорционален на концентрационния компонент на пренапрежението, или концентрационна поляризация.

Равновесните потенциали се изчисляват въз основа на средната активност (концентрация) на реагентите в разтвор. При електродите те или работят, или тренират, така че тяхната активност там се различава от средната.

Равновесният реакционен потенциал, изчислен от стойността на истинската активност на веществата при електродите, се различава от потенциала, изчислен от средната активност. Разликата между тях е концентрационната поляризация. Тя е пропорционална на работата на концентрация или разреждане на разтворите от средната стойност на активност до истинската, която се създава при електродите, и колкото по-голяма, толкова по-висока е скоростта на реакцията върху електродите.

Появата на втория компонент на пренапрежението зависи от другите два етапа на електродния процес - химичен скокили поляризация.От енергийна страна това се обяснява по следния начин. От химическата кинетика е известно, че само активни молекули с енергия над определено ниво (енергия на активиране) влизат в реакции.

Чрез увеличаване на потенциалния скок на интерфейса електрод-електролит спрямо равновесния е възможно да се намали енергийната бариера и по този начин да се увеличи фракцията на активните частици, без да се променя температурата. В тази част има аналогия между каталитични и електрохимични процеси. Допълнителният потенциален скок срещу равновесието (химическа поляризация) е пропорционален на работата, необходима за активиране на необходимия брой йони или молекули, така че реакцията да може да протече с дадена скорост. Колкото по-висока е скоростта на реакцията, толкова по-висока е химическата поляризация.

Физическата картина върху електродите, която обяснява появата на химическа поляризация, се разглежда в теорията за двойния слой и свързаната теория за забавения разряд. Тези теории показват, че големината на химическата поляризация зависи от структурата на двойния слой, която до голяма степен се определя от състава на разтвора и способността на материала на електрода да адсорбира определени компоненти на разтвора. По този начин, чрез избор на състава на разтвора и материала на електрода, е възможно да се контролира химическата поляризация.

Действителното напрежение, което трябва да се приложи към клемите на клетката е електролизно напрежение -за да се осъществи реакцията с дадена скорост, напрежението на разлагане е по-голямо от големината на пренапреженията на електродите и от сумата на загубите в проводниците от първи и втори вид.

Консумацията на електрическа енергия за единица продукт е право пропорционална на произведението на напрежението на електролизата и количеството електроенергия, необходимо за производството на продукта (като се вземе предвид изходният ток). От общото потребление на електроенергия само част преминава в химическа енергия. Тази част е пропорционална на напрежението, което се нарича Томпсън напрежение.То се различава от напрежението на разлагане поради следната причина: електрическата енергия, необходима за протичането на процеса върху електродите (при постоянна температура и при равновесни обратими условия), пропорционална на напрежението на разлагане, не отговаря напълно на промяната в вътрешна енергия на системата. Може да се случи (в зависимост от свойствата на веществата, участващи в реакцията) част от нея в хода на реакцията да се превърне в топлина, която преминава във вътрешната енергия на системата.

Разликата между напрежението на електролизата и напрежението на Томпсън е пропорционална на излишната топлина, генерирана по време на електролизата. Това е напрежението на нагряване или термичният компонент на напрежението.

Делът от общата цена на електроенергията, прехвърлена в резултат на реакцията във вътрешната енергия на целевия продукт, се нарича изходна енергия.

Основните технологични показатели на електролизата включват: изходен ток, коефициент на използване на енергия (енергийна мощност) и коефициент на потребление на енергия.

Изходният ток (Wt,%) се изчислява по формулата:

V t \u003d (m f / m t) ∙ 100%, (9.1)

Където: m f - количеството вещество, действително получено чрез електролиза, kg; m t - количеството вещество, което е трябвало да се освободи според закона на Фарадей, кг.

M t = k ∙ I∙ τ, (9.2)

Където: I - сила на тока, A; τ е времето на електролизата, h; k е електрохимичният еквивалент на освободеното вещество.

K = M/(F∙z), (9.3)

Където: F е константата на Фарадей, равна на 96 500 C или 26,8 Ah; z е зарядът на йона, освободен върху електрода.

Коефициентът на използване на енергия (V e, %) се изчислява по формулата:

V e \u003d (Wt / W f) ∙ 100%, (9.4)

Където: W T - теоретична консумация на енергия, kWh; W f - действителна консумация на енергия, kW∙h.

W t/p = V t/p ∙ J ∙ τ / m t/p (9.5)

Където: V t - теоретично напрежение на разлагане, V; V p - действителното напрежение на електродите, V.

Теоретичната консумация на електроенергия (kWh/t) също може да бъде изчислена с помощта на уравнението:

W t = 10 3 ∙ V t / k (9.6)

Процесът на електролиза започва, ако напрежението, приложено към електролизатора (V p), надвиши с безкрайно малка стойност (∆V) теоретичното напрежение на разлагане (V t), т.е. ще бъде осигурено условие:

V p \u003d V t + ∆V (9.7)

Теоретичното напрежение на разлагане върху електродите на ваната се определя от уравнението:

V t \u003d E k - E a (9.8)

Където: E k е действителният потенциал на йонния разряд на катода, V; E a - действителният потенциал на разряда на йони на анода, V.

Действителните разрядни потенциали на йони се различават от техните равновесни разрядни потенциали по големината на пренапрежението, съответно катодния E k per и анодния E a per, които увеличават равновесните потенциали:

E k \u003d E k p + E k ln и E a \u003d E a p + E a ln (9.9)

Където: E k p и E a p са равновесните потенциали на разряда на катиона и аниона.

Равновесните потенциали на разряда на йони са равни по големина и противоположни по знак на равновесните електродни потенциали: E k p = φ k и E a p = φ a, които могат да бъдат изчислени по формулата на Nernst:

φ k/a = φ 0 k/a ± R∙ T ∙Iga k/a /z ∙ F, (9.10)

Където: φ 0 k / a - стандартен електроден потенциал, V; Р - универсална газова константа, J/mol∙K; Т е температура, К; a k / a - йонна активност в разтвор (стопка), mol/l; F е константа на Фарадей, равна на 96500 Cul.; z е зарядът на електролитния йон.

Обяснението на условието, представено в 9.7, дава уравнението на "баланса на напрежението":

V p \u003d V t + J ∙∑R = E k - E a + J (R e + R d + R tp) (9.11)

Където: J - сила на тока, A; R е общото съпротивление на процеса на електролиза, Ohm; R e - електролитно съпротивление, Ohm; R d - съпротивление на диафрагмата на клетката, Ohm; R tp - съпротивление на токопроводящите пътища, Ohm.

^ КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ ПО ТЕМА 9.1

9-1 . Кои процеси се наричат ​​електрохимични процеси и как се различават от електротермичните процеси? Дайте примери и за двете.

9-2. Какви са предимствата на електрохимичните методи за получаване на вещества пред химическите?

9-3. Назовете областите на приложение на електрохимичните методи.

9-4 . Какво е състоянието на процеса на електролиза? Какво е свръхнапрежение и как влияе върху последователността на йонния разряд при електролиза?

9-5 . Избройте количествените характеристики на индустриалната електролиза и им дайте определение.

^ ПРОБЛЕМ ЗА ТЕМА 9-1

9-1. Колко хлороводородна киселина теоретично може да се получи от електролитен хлор и водород на ден, ако токът, подаван към електролизатора, е 1500 A. Масовата част на солната киселина в разтвора е 37,23% (плътност 1,19 g / ml). Изразете отговора си в килограми и литри.

9-2. От хлорен електролизатор с диафрагмен тип с натоварване 40 kA на ден се получава течност с обем 10,6 m 3 , съдържаща 130 kg/m 3 натриев хидроксид. Определете алкалния изход чрез ток.

9-3. Колко бани трябва да има в завод за рафиниране на мед с капацитет 182,5 хил. тона/годишно катодна мед, ако баните работят с товар 12 kA, а текущата ефективност за медта е 96%? Коефициент на използване на банята 0,96.

9-4. Определете масите на газообразния хлор и 50% разтвор на натриев хидроксид, получени чрез електролиза на воден разтвор на натриев хлорид на ден, ако токът през клетката е 150 kA и ефективността на тока е 0,95.

9-5. Определете теоретичната консумация на електроенергия за производството на 3 тона 85% натриев хидроксид и 3 тона хлорен газ, ако теоретичното напрежение на електролизата е 2,2 V.

9-6. По време на електролизата на стопилка от 24 g от определено вещество, на анода се отделят 33,6 литра водород (н.о.). Определете веществото, което е взето за електролиза, и обема на 20% разтвор на солна киселина (плътност 1,1 g/ml), необходим за реакцията.

9-7. При преминаване на ток от 1 А през стопилката на някакво бинарно неорганично съединение в продължение на 8 часа се получават 2,068 g метал. Какво съединение е подложено на електролиза, ако съотношението на компонентите в него е 1: 0,145 тегл.%?

9-8. При преминаване на ток от 0,8 A през 80 ml разтвор, съдържащ смес от AgNO 3 и Cu(NO 3) 2 за 117 минути, на катода се отделя смес от метали с обща маса 3,0 g. Запишете уравнения за електролиза за всяка сол и определят моларните концентрации на соли в първоначалния разтвор, ако е известно, че при анода са се отделили газове и след приключване на електролизата разтворът не съдържа метални йони.

9-9. При електролизата на разтвор на хром(III) нитрат върху катода се отделят 31,2 g хром, който се разтваря в солна киселина. Разтворът се оставя на въздух и след това постепенно към него се добавя 25% разтвор на натриев хидроксид (плътност 1,28 g/mL). Утайката, която се образува в началото, след това се разтваря напълно. Колко ml разтвор на натриев хидроксид са необходими, за да се разтвори утайката?

9-10. Изследвани са две проби от бинарно съединение на някакъв метал. Първата проба с тегло 16 g беше разтопена и подложена на електролиза, която даде 26,312 литра водород, измерено при 720 mm. Hg и 31 o С. Втората проба с тегло 37,23 g, когато е изложена на вода, дава 9,308 g водород. Задайте формулата за неизвестното съединение и напишете уравненията за протичащите процеси.

9-11. През разтвор на сол на органична киселина в продължение на 5 часа се пропуска ток от 2 А. В резултат на електролизата на катода се отделят 12,195 g метал, а на анода се отделят въглероден окис (IV) и водород. Определете коя сол е била подложена на електролиза.

9-12. При електролизата на воден разтвор на натриев хлорид с живачен катод се получава амалгама, която се обработва с вода. За титруване на получения разтвор се използват 7,46 ml 0,5 М разтвор на сярна киселина. Определете силата на тока, преминаващ през разтвора, ако времето за електролиза е 1 час.

9-13. Воден разтвор на неизвестен метален нитрат се подлага на електролиза. В този случай 3,78 g метал и 196 ml кислород (n.c.) бяха освободени върху платинени електроди. Определете кой метален нитрат е подложен на електролиза.

9-14. Воден разтвор на меден нитрат се подлага на електролиза с помощта на инертни (въглеродни) електроди. Електродите се претеглят след приключване на електролизата и един час след нейното завършване. Ще бъдат ли същите тези маси? Обосновете отговора.

9-15. Определете енергийната ефективност по време на електролизата на алуминиев триоксид в криолит, ако теоретичното напрежение на електролизата е 1,12 V, практическото напрежение е 4,6 V, изходният ток на метала е 0,8.

9-16. Изчислете степента на преобразуване на натриевия хлорид в електролизатора, чийто католит съдържа натриев хидроксид 120 g/l и натриев хлорид 190 g/l.

9-17 . Изчислете ефективността на тока за електролитна клетка при ток от 14 000 A, ако има 4 000 литра електролитна течност, съдържаща 120 g/l натриев хидроксид за 24 часа.

^ 9-18. За условията на проблема 10-17 Изчислете коефициента на използване на енергия, ако практическото напрежение на разлагане на натриев хлорид е 3,6V и изходният ток е 96 %.

9-20. Във фабриката за медицински инструменти повърхността на повечето продукти е покрита с никелов слой с дебелина 5,0·10 -5 m от електролит на базата на NiSO 4 . Определете продължителността на електролизата за получаване на покритие с необходимата дебелина върху пинсети, чиято повърхност е 4,3·10 -3 m 2 , ако плътността на металния никел е 8,9 t/m 3 и текущата ефективност е 9 6%. Ток по време на електролиза 1,9 A.

^ 9.2. Електролиза на воден разтвор на натриев хлорид

Електролизата на воден разтвор на натриев хлорид се използва в промишлеността за производство на хлор, водород и натриев хидроксид.

В момента в индустрията се използват два метода на електролиза - диафрагмен и живак. Основният процес и при двата метода е електролизата на наситен разтвор на натриев хлорид. И при двата метода анодните процеси са сходни; основният им продукт е хлорен газ. Катодните процеси са различни.

В диафрагмен методизползва се стоманен катод, към който се подава разтвор на натриев хлорид. Част от натриевия хлорид се превръща в натриев хидроксид и се отделя водород. Натриевият хлорид се отделя от натриевия хидроксид чрез изпаряване на разтвора. В същото време, поради намаляване на разтворимостта, той се утаява. Търговски продукт - разтвор на натриев хидроксид с концентрация 42-50% (тегл.) съдържа 2-4% (тегл.) натриев хлорид.

IN живачна електролизаживачен катод. Натриевите йони, изпускайки се върху него, образуват натриева амалгама. В отделен апарат - разложител - натриевата амалгама се разлага от вода, като се образува водород и разтвор на натриев хидроксид. В разложителя може незабавно да се получи разтвор на натриев хидроксид с търговска концентрация 42-50% (тегл.) без примеси на натриев хлорид.

Солевият разтвор (солов разтвор) се пречиства преди електролиза. Саламурата се пречиства от калциеви и магнезиеви соли. Пречистването се извършва чрез утаяване на примеси със строго дозирани реагенти за утаяване: сода суспензия и варово мляко.

Утаяването на примеси става според реакциите:

Mg 2+ + Ca (OH) 2 \u003d Ca 2+ + Mg (OH) 2 ↓

Ca 2 + + Na 2 CO 3 \u003d 2 Na + + CaCO 3 ↓

В допълнение към химическото пречистване, саламурата се освобождава от механични примеси чрез утаяване и филтриране.

Производството на диафрагма (фиг. 9.1) включва следните етапи:

1) приготвяне и пречистване на саламура. На този етап твърдата готварска сол се разтваря и саламурата се пречиства от калциеви и магнезиеви йони. Приготвеният саламура се изпраща за електролиза;

2) електролиза;

3) изпаряване на електролитни течности. На този етап слабите разтвори на натриев хидроксид и натриев хлорид, получени чрез електролиза, се изпаряват до търговска концентрация на натриев хидроксид. Получената сол се отделя от разтвора, разтваря се във вода и се прехвърля към етапа на приготвяне на саламура, където тази сол се добавя към саламура, приготвен от прясна сол;

4) отстраняване на сулфати. На този етап се получава натриев хлорид, получен в последния етап на изпаряване на електролитни течности и съдържащ повишено количество сулфати. Натриевият сулфат се изолира от солта под формата на търговски продукти. Пречистеният солев разтвор се прехвърля към етапа на приготвяне на саламура;

5) охлаждане и сушене на хлор;

6) охлаждане и сушене на водород.

Реакциите, протичащи в клетка с диафрагма, зависят от материалите и дизайна на клетките, концентрацията на солев разтвор, pH на средата, плътността на тока, температурата и съдържанието на кислород-съдържащи йони.

Ориз. 9.1. Структурна диаграма на метода на диафрагмата:

1- приготвяне и пречистване на саламура; 2 - електролиза; 3 - изпаряване на електролитни течности; 4 - изтегляне на сулфиди: 5 - охлаждане, сушене и компресиране на хлор; 6 - охлаждане, сушене и компресиране на водород.

В индустриалните електролизатори анодът е направен от графит, катодът е изработен от желязо.

На железен катод основният процес е отделянето на водород:

2 H + + 2ē \u003d H 2

2 H 2 O + 2ē \u003d H 2 + 2 OH -

Изхвърлянето на натриевите йони е невъзможно, тъй като равновесният потенциал на разряда на натриев йон върху железен катод в неутрален наситен разтвор на натриев хлорид е много по-висок (-2,71 V) от този на водорода (-0,415 V).

Основната реакция на графитния анод:

2 Cl - + 2ē \u003d C1 2

В допълнение към тази реакция при анода възникват странични реакции:

2OH - - 2д\u003d 0,5 O 2 + H 2 O H 2 O - 2ē \u003d 0,5 O 2 + 2 H +

Равновесният електроден потенциал на разряда на хидроксидни йони в неутрален наситен разтвор на натриев хлорид е +0,82 V, а на хлоридните йони +1,32 V. Следователно кислородът трябва да се освободи първо на анода с малко пренапрежение.

Както е известно от теоретичната електрохимия, паралелните електродни реакции протичат с такива частични плътности на тока, които дават същия електроден потенциал. Следователно можем да напишем:

φ a \u003d φ (C1 2) + ψ (C1 2) = φ (O 2) + ψ (O 2) (9.12)

Където: φ a - аноден потенциал, V; φ (С1 2 ), φ (О 2 ) - равновесните потенциали на отделяне на хлор и кислород се определят по формулата на Нернст и зависят от концентрацията (активността) на хлорни или хидроксидни йони, както и от температурата; ψ (С1 2 ), ψ (О 2) - пренапрежение на хлор и кислород; големината на пренапрежението се увеличава с увеличаване на плътността на тока.

Свръхнапрежението за отделяне на хлор намалява с повишаване на температурата в по-голяма степен, отколкото за кислород. С увеличаване на плътността на тока, процесът на анода също се измества към освобождаването на хлор. Както се вижда от фиг. 9.2, с увеличаване на плътността на тока, потенциалът за отделяне на хлор се увеличава в по-малка степен от този на кислорода. На анода могат да се отделят хипохлоритни йони. В резултат на това се отделя кислород:

3 ClO - + 3 H 2 O - 6ē \u003d ClO 3 - + 1,5 O 2 + 2 Cl - + 3 H 2

Наличието на хипохлоритни йони се причинява от частичната хидролиза на хлора.

При диафрагмената електролиза кислородът винаги се отделя заедно с хлора. Нормалното ниво на отделяне на кислород се определя от установения технологичен режим (аноден материал, плътност на тока, температура, състав на солена вода и др.). Най-важното условие в този случай е нормалната киселинност на анолита (разтвор, разположен в анодното пространство).

Ориз. 9.2. Анодни поляризационни криви върху графит при 250°C в 22,6% (тегл.) разтвор на натриев хлорид:

1- освобождаване на хлор; 2 - освобождаване на кислород.

Наличието на хипохлорит и хипохлорат йони в електролита може да причини странични реакции на катода:

ClO 3 - + 3 H 2 = 3 H 2 O + Cl - ClO - + H 2 \u003d H 2 O + Cl -

Увеличаването на алкалността на анолита увеличава интензивността на отделяне на кислород в анода. Следователно процесът на електролиза в диафрагмените електролизери е изграден по такъв начин, че да се сведе до минимум електролитният трансфер на хидроксидния йон към анода. Това може да се постигне чрез използване филтърна диафрагма.

Филтриращата диафрагма е направена под формата на пореста преграда, разделяща катодното и анодното пространство. Предотвратява смесването на продуктите на електролизата. Анолитният поток непрекъснато преминава през него от анодното пространство към катода.

Пропускливостта на диафрагмата и степента на преобразуване (приблизително) контролират концентрацията на натриев хидроксид в католита (електролит, разположен в катодното пространство). На практика в съвременните промишлени електролизатори граничната стойност на степента на преобразуване съответства на концентрацията на натриев хидроксид в католита от 140–150 g/l. Когато алкалната концентрация надвиши стойността си, ходът на електролизата се отклонява от нормата.

Данните, показващи зависимостта на ефективността на тока от концентрацията на алкали, са показани на фиг. 9.3. Наблюдава се намаляване на ефективността на тока при работа с католит с алкална концентрация над 150 g/l.

Ориз. 9.3. Зависимост на изходния ток от концентрацията на натриев хидроксид в католита

Повишените температури на електролиза и кондензация на натриев хлорид в електролита намаляват разтворимостта на хлора, което намалява вероятността от странични реакции и следователно увеличава скоростта на потока. В допълнение, повишаването на температурата увеличава електрическата проводимост на електролита, като по този начин намалява напрежението във ваната. По този начин се намалява консумацията на енергия, така че електролизата на разтвори на натриев хлорид се извършва при температури от 70 - 80 °C.

Индустриалните електролизери с филтрираща преграда са широко използвани в индустрията.

Диаграмата на модерен диафрагмен електролизатор е показана на фиг. 9.4. Клетъчен корпус ^ 7 разделена на две кухини: анодна 4 и катодна 5 пространство. В анодното пространство се поставят графитни аноди. Анодното и катодното пространство са разделени от диафрагма, основата на която е катодът. 3 . Диафрагмата покрива катода от страната, обърната към анода. В анодното пространство се подава саламура - наситен разтвор на готварска сол.

Нивото на анолита е над горната граница на диафрагмата. Хлорът, образуван на анода, се събира в газовото пространство над нивото на анолита. Оттук хлорът се изхвърля към колектора. Анолитът, поради разликата в нивата на течността в анодното и катодното пространство, протича през диафрагмата.

Водородът се редуцира на катода, а анолитът, който тече към катода, променя състава си и се обогатява с хидроксидни йони. Католитът съдържа готварска сол, натриев хидроксид и малко количество натриев хлорат. Той се отстранява от катодното пространство през дренажната тръба 9 ; неговото устройство ви позволява да регулирате нивото на разтвора в клетката. Водородът се събира в газовото пространство над нивото на католита и след това се насочва към колектора.

ДА СЕ
атолитът, излязъл от електролитната клетка, наричан иначе електролитен разтвор, съдържа натриев хидроксид 110-120 g/l и натриев хлорид 170-180 g/l.

Ориз. 9.4. Схема на диафрагмен електролизатор:

1- анод; 2 - диафрагма; 3 - катод; 4 - анодно пространство; 5 - катодно пространство; 6 - капкомер; 7- корпус на електролитната клетка; 8 - капак; 9 - дренажна тръба за католит

Съотношението на концентрацията на натриев хидроксид към концентрацията на натриев хлорид в католита се определя от важен показател за технологичния режим - степен на преобразуване (X)натриев хлорид по време на електролиза. Това е съотношението на броя на моловете натриев хлорид, превърнат в натриев хидроксид, към броя на моловете натриев хлорид, получени за електролиза.

Степента на преобразуване се изчислява по формулата:

X = 1,46 C NaOH / (9,13)

Процесите, протичащи в електролизерите и техните технически показатели до голяма степен зависят от функционирането на диафрагмата. За да може диафрагмата да изпълнява своите функции, тя трябва да отговаря на следните изисквания:

Да бъде достатъчно плътен и здрав, за да осигури пълно отделяне на газовите продукти и да изключи изместване на анолит и католит;

Имат ниско електрическо съпротивление, за да се избегне загуба на напрежение през диафрагмата;

Имат достатъчно ниско хидравлично съпротивление;

Бъдете химически устойчиви на киселини и основи, така че диафрагмата да работи дълго време;

Имат сходни свойства и еднаквост във всички области.

Най-добрият материал за диафрагмата е хризолит азбест.

Основното изискване за материала на анода е най-голямото пренапрежение за освобождаване на кислород от хлора.

Все още не е открит материал, който да е абсолютно устойчив на процесите на съвместно електрохимично отделяне на хлор и кислород. На практика целта е да се гарантира, че използваните материали се унищожават с относително ниска скорост.

Предпочитание се дава на материали с ниско електрическо съпротивление, тъй като колкото по-ниско е съпротивлението, толкова по-нисък е спадът на напрежението в анода и толкова по-равномерно е разпределението на плътността на тока върху него. На практика могат да се използват платина, графит и магнетит. Най-доброто във всички отношения (с изключение на цената) е платината. В индустрията анодите се произвеждат изключително от изкуствен графит.

^ Живачен метод за електролиза на воден разтвор на натриев хлорид съдържа същите етапи като диафрагмата, с изключение на изпарението (фиг. 9.5). Приготвянето и пречистването на саламура в това производство имат особености и според технологичната схема се различават от съответния етап на производство на диафрагма. Това се дължи на специалните изисквания към анолита, върнат за електролиза.

Анолитът след електролиза съдържа 260-270 g/l натриев хлорид, около 0,6 g/l разтворен хлор, около 5 mg/l калций, магнезий, тежки метали, примеси от графитен прах.

Ориз. 9.5. Блокова схема на електролизата на воден разтвор на натриев хлорид с живачен катод:

1- приготвяне и почистване на саламурата; 2- електролиза: 3 - дехлориране и пречистване на анолита; 4 - охлаждане, сушене и компресиране на хлор; 5 - охлаждане, сушене и компресиране на водород.

За отстраняване на хлора от анолита се използват последователно подкиселяване, евакуация, продухване с въздух и унищожаване на хлорните остатъци чрез редуциращи агенти. Анолитът се подкиселява със солна киселина. Вакуумирането се извършва при налягане 400-450 mm Hg.

Реакциите, протичащи на анода в електролизерите с живачен катод, са подобни на тези, разглеждани при диафрагмените електролизатори.

Катодният процес в електролизерите с живачен катод е коренно различен от този в диафрагмен електролизатор, при който водородните йони се изхвърлят върху стоманен катод.

В живачните електролизери отделянето на водород на катода е страничен и вреден процес. Развитието му е затруднено от факта, че при живачен катод или катод от натриева амалгама се отделя водород с голямо пренапрежение.

Характерната поляризационна крива на този процес е показана на фиг. 9.6. Фигурата показва, че интензивно отделяне на водород възниква при катодни потенциали, които са по-отрицателни от -1,9 V. Въпреки това, при по-нисък отрицателен потенциал, на живачния катод възниква друга електродна реакция - образуването на натриево-живачна амалгама, за която основната част от токът се изразходва.

В момента на освобождаване металният натрий реагира с живак, образувайки интерметално съединение NaHg n (натриева амалгама, разтворена в живак). В този случай работата, необходима за намаляване на натриевия йон, се намалява с количеството енергия, освободена по време на образуването на амалгамата. Потенциал за образуване на натриева амалгама φ k = -1,80 V.

Промяната в потенциала на освобождаване на вещества в електрохимичния процес поради възникването на вторична реакция върху електрода се нарича деполяризация.Поради деполяризация, натрий може да се освободи върху живачния катод под формата на амалгама според реакцията:

Na + + n Hg + ē = NaHgn

Този процес протича почти без пренапрежение.

Основната странична реакция на катода:

2
H + + 2e - = H 2

Ориз. 9.6. Поляризационна крива

Отделяне на водород върху живак

Други странични процеси също протичат на катода. Натриевата амалгама реагира с хлор, разтворен в анолит, съгласно уравненията:

NaHg n + Cl 2 = Na + + CI - + nHg Hg + Cl 2 = Hg 2+ + 2 Cl -

Под действието на водата амалгамата се разлага, отделяйки алкали:

NaHg n + 2 H 2 O \u003d H 2 + Na + + 2 OH - + н hg

Реакцията в декомпозора се състои от две свързани реакции:

2 H 2 O + e - \u003d H 2 + 2 OH - NaHg n - e - \u003d Na + + n Hg

Електролитният процес в електролизатор с живачен катод протича на два етапа. На първия етап чрез електролиза на воден разтвор на натриев хлорид се получават хлор и силна натриева амалгама. Амалгамата, получена след електролиза, съдържа 0,3-0,5% натрий. На втория етап амалгамата се обработва с пречистена вода. Част от амалгамата се разлага за образуване на натриев хидроксид и водород. Слаба амалгама живачна помпа се използва повторно за електролиза.

Провеждането на процеса на два етапа дава възможност да се получи разтвор на натриев хидроксид с много малки примеси на натриев хлорид в електролизатори с живачен катод.

Схемата на електролитната клетка с живачен катод е показана на фиг. 9.7. Състои се от три основни части: електролитна вана 9 , разложител 12 и живачна помпа 10.

Ориз. 9.7. Схема на електролитна клетка с живачен катод:

1 - амалгама; 2 - изходен джоб на клетката; 3 - капак на клетката; 4 - анод; 5 - аноден проводник и неговото уплътнение; 6 - анолит; 7 - място за събиране на хлор; 8 - входен джоб на клетката; 9 - електролитна вана; 10 - живачна помпа; 11 - дюза декомпозитор; 12 - разложител; 13- разтвор на натриев хидроксид.

В електролитна вана 9 непрекъснато се подават наситен разтвор на натриев хлорид и слаба амалгама. Хлорът се отстранява от електролизатора заедно с водна пара и силна амалгама.Отделно от амалгамата се отстранява изчерпаният в резултат на електролизата натриев хлорид с разтворен в него хлор.

в разложителя 12 непрекъснато се доставя силна амалгама и пречистена вода. Отстраняват се водород с водна пара, разтвор на натриев хидроксид във вода и слаба амалгама.

Живачните електролизери са проектирани да работят с висока плътност на тока (5000-10 000 A/m2). С увеличаване на плътността скоростта на потока се подобрява. В допълнение, изчислената повърхност на катода намалява (при същия токов товар) и следователно необходимото количество живак намалява.

В момента хоризонталните електролизатори са често срещани. Представляват наклонен улей с правоъгълно сечение, по дъното на който гравитачно тече амалгама. Улукът е покрит с капак 3 , върху които са фиксирани графитни плоски анодни пластини 4 . Разстоянието между електродите е 3-5 мм. Плочите са поставени толкова плътно, че работната повърхност на анодите се доближава до повърхността на катода. Всяка анодна плоча има токов проводник през капака на клетката. На мястото, където токът преминава през капака, има уплътнение 5 предотвратява отделянето на хлор в атмосферата.

Графитът се разрушава по време на електролиза. В резултат на това разстоянието между електродите се увеличава и напрежението на електролизата се увеличава. Следователно, в съвременния дизайн, анодите са оборудвани с устройство, което ви позволява да регулирате разстоянието между електродите.

За това се използват два различни вида устройства. Първият тип е предназначен за спускане на всеки анод поотделно, вторият - за спускане на цялата група аноди едновременно.

Анолитът се движи в същата посока над амалгамния слой в електролизатора ^ 6 .

Над слоя анолит се образува газово пространство 7 . Той събира освободения хлор. Хлорът и анолитът се изхвърлят от електролизатора заедно или поотделно.

Вторият етап от електрохимичния процес протича в разложителя. Хоризонталните разложители имат формата на стоманен, херметически затворен улей, монтиран с наклон. На дъното на декомпозора се полагат графитни плочи. 12 . Потокът от амалгама се движи чрез гравитация по дъното му. Разтвор на натриев хидроксид се движи в противоток на амалгамата и се изхвърля заедно с водород в края на декомпозора.

^ КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ ПО ТЕМА 9.2

9-1. Какви са промишлените методи за електролиза на воден разтвор на натриев хлорид?

9-2. Назовете основните етапи на метода на диафрагмената електролиза.

9-3 . Каква реакция протича на катода при диафрагмената електролиза? Какви странични реакции могат да възникнат на катода при метода на диафрагмената електролиза?

9-4 . Какво основно вещество се отделя при анода по време на електролиза на диафрагмата? Какъв страничен продукт се освобождава от анода по време на електролиза на диафрагмата?

9-5. Какви са характеристиките на електролизата на воден разтвор на натриев хлорид с живачен катод? Каква е ролята на диафрагмата в клетката на диафрагмата?

^ ЗАДАЧИ ЗА ТЕМА 9.2

9-1. Изтичащата от диафрагмената хлорна клетка течност съдържа 130 kg/m 3 луга. Ваната работи с товар 25 kA, токова ефективност за CI 2 и NaOH 96%, а за водород 98%. Изчислете: а) дневната производителност на ваната за хлор и водород (по маса и обем) и за алкали; б) обемът на течността, изтичаща от банята за 1 час. Условията са нормални.

9-2. Колко часа трябва да работи електролизерът BGK-17-25, за да произведе хлор с обем 800 m 3, ако ефективността на тока е 96%, силата на тока е 30 kA? Условията са нормални.

9-3. Изчислете теоретичната стойност (V) на напрежението на разлагане по време на електролизата на воден разтвор на натриев хлорид. Концентрация на анолит 270 kg/m 3 , католит 120 kg/m 3 .

9-4. Изчислете коефициента на използване на енергията за електролизатор, оборудван с железен катод, където теоретичното напрежение на разлагане е 2,16 V, а практическото напрежение е 3,55 V при електролиза на воден разтвор на натриев хлорид. Токов изход 93%.

9-5. Определете изходния ток за клетката BGK-17-50, където през деня при ток от 40 kA е получено 9821 m 3 електролитна течност, съдържаща 140 kg/m 3 натриев хидроксид.

9-6. При диафрагмения метод за производство на сода каустик процесът на електролиза завършва, когато масовата част на сода каустик в разтвора достигне 10%. Изчислете каква масова част на натриевия хлорид е подложена на електролиза, ако първоначалната концентрация на саламура е 310 kg/m 3 и плътността е 1,197 t/m 3 .

9-7. Определете скоростта на преобразуване за католит, съдържащ 120 kg/m 3 натриев хидроксид, ако първоначалното съдържание на натриев хлорид е 293 kg/m 3 . Игнорирайте производствените загуби.

9-8. Определете допълнителната консумация на енергия за получаване на водород с маса 1 t, причинена от пренапрежението на отделянето на газ h = 0,2 V.

9-9. Изчислете консумацията на енергия за получаване на хлор с маса 1 тон в електролизатора BGK-17-50, ако токът на клемите е 25 kA, напрежението е 3,6 V, токовият изход е 96%.

9-10. Определете изходния ток за клетка на Хукър, произвеждаща 225 m 3 /h католит, съдържащ 135 kg/m 3 натриев хидроксид. Клетката работи с товар от 40 kA.

9-11. Определете седмичната нужда на предприятието от железопътни цистерни с товароносимост 50 тона за транспортиране на течен хлор, ако предприятието разполага с 3 серии електролизатори BGK-17-50, 68 броя във всяка серия. Натоварването на клетката е 50 kA, токовият изход е 96%.

9-12. Изчислете теоретичната консумация на енергия за производство на 1 тон натриев хидроксид и 1 тон хлор в диафрагмен електролизатор, ако теоретичното напрежение на разлагане на разтвор на натриев хлорид е 2,2 V.

9-13. Изчислете консумацията на енергия за производството на 1 тон натриев хидроксид в електролизатор с живачен катод тип "Solve" V-200, ако напрежението на електродите е 4,56 V, токовият изход е 96%, силата на тока е 190 kA.

9-14. Електролизният цех разполага с 66 вани с живачни катоди. От източник на постоянен ток те се захранват с напрежение 250 V при сила на тока 30 kA. Определете производителността на такъв цех на ден за луга с концентрация на сода каустик от 140 kg / m 3 и хлор при токова мощност 96%; напрежение на всяка баня и консумация на енергия за 1 тон хлор и 1 тон сода каустик (отделно).

9-15. На дъното на живачния електролизатор, с дължина 10 m, ширина 1,5 m, живак тече в слой от 5 mm. На входа на електролизатора масовата част на натрия в живака е 0,01%, а на изхода е 0,2%. Токов изход 95%. Катодната плътност на тока е 5000 A/m 2 . Определете масата на 40% разтвор на натриев хидроксид, който може да се получи от 1 m 2 живачен катод, и линейния дебит на живака. Игнорирайте промяната в плътността на живака по време на образуването на амалгама.

9-16. Определете изходната енергия за живачната клетка R-101, ако тук: потенциалът на анода е -1,42 V; катоден потенциал 1,84 V; вана напрежение 3,55 V; токов изход 93,7%.

9-17. Изчислете обемната скорост на циркулация на живака в хлорния електролизатор, ако масовата част на натрия във входящия живак е 0,015%, а в изходящия живак е 0,21%. Изходният ток на натрия е 97%, натоварването на клетката е 25 kA.

9-18. В хоризонталния разложител, който получава 23 тона натриева амалгама на час, се отделя водород в обем от 56 m 3 . Определете масовата част на натрия в амалгамата (при n.a.).

9-19 . Проектният годишен капацитет на едно от предприятията за производство на солна киселина е 80 хиляди тона продукт с масова част на хлороводород 34%. Ще осигури ли това предприятие с хлор и водород цех с 84 бани R-30, работещи по график на предприятието? Токов изход 96%, натоварване на една клетка 30 kA. Добивът на киселина е 95% от теоретичния.

9-20. Мембранният хлорен електролизатор има следните показатели за ефективност: токов изход на хлор 95%; ефективност на водородния ток 99%; натоварване 20 kA. Каква маса солна киселина с масова част на хлороводород 35% може да се получи от общия хлор, произведен за 30 дни работа на електролизатора? Какъв обем водород в m 3 трябва да бъде произведен от електролизатора, за да се получи тази маса киселина, ако обемната част на водорода е с 5% повече спрямо стехиометрията?

ЕЛЕКТРОЛИЗА

Един от начините за получаване на метали е електролизата. Активните метали се срещат в природата само под формата на химични съединения. Как да се изолират от тези съединения в свободно състояние?

Разтворите и стопилките на електролити провеждат електрически ток. Въпреки това, когато ток преминава през електролитен разтвор, могат да възникнат химични реакции. Помислете какво ще се случи, ако две метални пластини се поставят в електролитен разтвор или стопилка, всяка от които е свързана към един от полюсите на източника на ток. Тези плочи се наричат ​​електроди. Електрическият ток е движещ се поток от електрони. В резултат на факта, че електроните във веригата се движат от един електрод към друг, на един от електродите се появява излишък от електрони. Електроните имат отрицателен заряд, така че този електрод става отрицателно зареден. Нарича се катод. На другия електрод се създава липса на електрони и той е положително зареден. Този електрод се нарича анод. Електролитът в разтвор или стопилка се дисоциира на положително заредени йони - катиони и отрицателно заредени йони - аниони. Катионите се привличат към отрицателно зареден електрод - катода. Анионите се привличат към положително зареден електрод - анода. На повърхността на електродите може да възникне взаимодействие между йони и електрони.

Електролизата се отнася до процесите, които възникват при преминаване на електрически ток през разтвори или стопилки на електролити.

Процесите, протичащи при електролизата на разтвори и стопилки на електролити, са доста различни. Нека разгледаме и двата случая подробно.

Електролиза на стопилка

Като пример, разгледайте електролизата на стопилка на натриев хлорид. В стопилката натриевият хлорид се дисоциира на йони Na+
и Cl - : NaCl = Na + + Cl -

Натриевите катиони се придвижват към повърхността на отрицателно зареден електрод - катода. На повърхността на катода има излишък от електрони. Следователно има прехвърляне на електрони от повърхността на електрода към натриеви йони. В същото време йони Na+ се превръщат в натриеви атоми, тоест катионите се редуцират Na+ . Уравнение на процеса:

Na + + e - = Na

Хлоридни йони Cl - преместете се към повърхността на положително зареден електрод - анода. На повърхността на анода се създава липса на електрони и електроните се прехвърлят от аниони Cl- към повърхността на електрода. В същото време отрицателно заредени йони Cl- се превръщат в хлорни атоми, които незабавно се комбинират, за да образуват хлорни молекули C l2 :

2C l - -2e - \u003d Cl 2

Хлоридните йони губят електрони, тоест се окисляват.

Нека напишем заедно уравненията на процесите, протичащи на катода и анода

Na + + e - = Na

2 C l - -2 e - \u003d Cl 2

Един електрон участва в процеса на редукция на натриевите катиони, а 2 електрона участват в процеса на окисляване на хлорните йони. Трябва обаче да се спазва законът за запазване на електрическия заряд, тоест общият заряд на всички частици в разтвора трябва да е постоянен. Следователно броят на електроните, участващи в редукцията на натриевите катиони, трябва да бъде равен на броя на електроните участва в окисляването на хлоридните йони. Следователно умножаваме първото уравнение по 2:

Na + + e - \u003d Na 2

2C l - -2e - \u003d Cl 2 1

Събираме двете уравнения заедно и получаваме общото уравнение за реакцията.

2 Na + + 2C l - \u003d 2 Na + Cl 2 (уравнение на йонна реакция), или

2 NaCl \u003d 2 Na + Cl 2 (уравнение на молекулярната реакция)

И така, в разглеждания пример виждаме, че електролизата е редокс реакция. При катода, редукция на положително заредени йони - катиони, при анода - окисляване на отрицателно заредени йони - аниони. За да запомните кой процес къде се случва, можете да използвате "правилото T":

катод - катион - редукция.

Пример 2Електролиза на стопилка на натриев хидроксид.

Натриевият хидроксид в разтвора се дисоциира на катиони и хидроксидни йони.

катод (-)<-- Na + + OH - à Анод (+)

На повърхността на катода натриевите катиони се редуцират и се образуват натриеви атоми:

катод (-) Na + +e à Na

Хидроксидните йони се окисляват на повърхността на анода, докато кислородът се освобождава и се образуват водни молекули:

катод (-) Na + + e à Na

анод (+)4 OH - - 4 e à 2 H 2 O + O 2

Броят на електроните, участващи в реакцията на редукция на натриевите катиони и в окислителната реакция на хидроксидните йони, трябва да бъде еднакъв. Така че нека умножим първото уравнение по 4:

катод (-) Na + + e à Na 4

анод (+)4 OH - – 4 e à 2 H 2 O + O 2 1

Събирайки двете уравнения заедно, получаваме уравнението за реакцията на електролиза:

4 NaOH à 4 Na + 2 H 2 O + O 2

Пример 3Помислете за електролизата на стопилката Al2O3

Използвайки тази реакция, алуминият се получава от боксит, естествено съединение, което съдържа много алуминиев оксид. Точката на топене на алуминиевия оксид е много висока (повече от 2000º C), така че към него се добавят специални добавки, понижаващи точката на топене до 800-900º C. В стопилката алуминиевият оксид се дисоциира на йони Al 3+ и O 2-. Х катионите се редуцират на катодаАл 3+ , превръщайки се в алуминиеви атоми:

Al +3 e a Al

Анионите се окисляват на анода O 2- превръщайки се в кислородни атоми. Кислородните атоми незабавно се комбинират в O2 молекули:

2 O 2- – 4 e à O 2

Броят на електроните, участващи в редукцията на алуминиевите катиони и окисляването на кислородните йони, трябва да бъде равен, така че умножаваме първото уравнение по 4, а второто по 3:

Al 3+ +3 e à Al 0 4

2 O 2- – 4 e à O 2 3

Нека съберем и двете уравнения и ще получим

4 Al 3+ + 6 O 2- a 4 Al 0 +3 O 2 0 (уравнение на йонна реакция)

2 Al 2 O 3 à 4 Al + 3 O 2

Електролиза на разтвор

В случай на преминаване на електрически ток през воден електролитен разтвор, материята се усложнява от наличието на водни молекули в разтвора, които също могат да взаимодействат с електрони. Припомнете си, че в молекулата на водата водородните и кислородните атоми са свързани чрез полярна ковалентна връзка. Електроотрицателността на кислорода е по-голяма от електроотрицателността на водорода, така че споделените електронни двойки се изместват към кислородния атом. Върху кислородния атом възниква частичен отрицателен заряд, обозначава се δ-, а на водородните атоми има частичен положителен заряд, означава се δ+.

δ+

H-O δ-

│

H δ+

Поради това изместване на зарядите, водната молекула има положителни и отрицателни "полюси". Следователно, водните молекули могат да бъдат привлечени от положително зареден полюс към отрицателно зареден електрод - катода, и от отрицателен полюс - към положително зареден електрод - анод. На катода водните молекули могат да се редуцират и се отделя водород:

Окисляването на водните молекули може да настъпи при анода с освобождаване на кислород:

2 H 2 O - 4e - \u003d 4H + + O 2

Следователно на катода могат да бъдат редуцирани или електролитни катиони, или водни молекули. Тези два процеса изглежда се конкурират един с друг. Какъв процес всъщност протича на катода зависи от естеството на метала. Дали метални катиони или водни молекули ще се редуцират на катода зависи от позицията на метала в поредица от метални напрежения .

Li K Na Ca Mg Al ¦¦ Zn Fe Ni Sn Pb (H 2) ¦¦ Cu Hg Ag Au

Ако металът е в серия на напрежението вдясно от водорода, металните катиони се редуцират на катода и свободният метал се освобождава. Ако металът е в серия на напрежението вляво от алуминия, водните молекули се редуцират на катода и се отделя водород. И накрая, в случай на метални катиони от цинк до олово, може да се появи или еволюция на метал, или отделяне на водород, а понякога и водородът, и металът се отделят едновременно. Като цяло това е доста сложен случай, много зависи от условията на реакцията: концентрацията на разтвора, силата на тока и други.

На анода може да се случи и един от двата процеса - или окисляване на електролитните аниони, или окисляване на водните молекули. Кой процес всъщност се осъществява зависи от естеството на аниона. По време на електролизата на соли на аноксидни киселини или на самите киселини анионите се окисляват на анода. Единственото изключение е флуорният йон F- . При кислород-съдържащи киселини водните молекули се окисляват на анода и се отделя кислород.

Пример 1Нека разгледаме електролизата на воден разтвор на натриев хлорид.

Във воден разтвор на натриев хлорид ще има натриеви катиони Na + , хлорни аниони Cl - и водни молекули.

2 NaCl a 2 Na + + 2 Cl -

2Н 2 О а 2 H + + 2 OH -

катод (-) 2 Na + ; 2H+; 2Н + + 2е а Н 0 2

анод (+) 2 Cl - ; 2OH-; 2 Cl - – 2e a 2 Cl 0

2NaCl + 2H2O - H2 + Cl2 + 2NaOH

Химически дейност аниони едва ли намалява.

Пример 2Ами ако солта съдържа SO 4 2- ? Помислете за електролизата на разтвор на никелов сулфат ( II ). никелов сулфат ( II ) дисоциира на йони Ni 2+ и SO 4 2-:

NiSO 4 à Ni 2+ + SO 4 2-

H 2 O à H + + OH -

Никелови катиони са между метални йони Al 3+ и Pb 2+ , заемайки средна позиция в поредицата на напрежението, процесът на възстановяване на катода протича по двете схеми:

2 H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -

Аниони на кислород-съдържащи киселини не се окисляват на анода ( серия от анионна активност ), водните молекули се окисляват:

анод e à O 2 + 4H +

Нека напишем заедно уравненията на процесите, протичащи на катода и анода:

катод (-) Ni 2+ ; Н + ; Ni 2+ + 2е а Ni 0

2 H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -

анод (+) SO42-; ОН-; 2Н2О-4 e а O2 + 4H+

4 електрона участват в редукционните процеси, а 4 електрона също участват в процеса на окисление. Събирайки тези уравнения заедно, получаваме общото уравнение на реакцията:

Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + 2OH - + O 2 + 4 H +

От дясната страна на уравнението има едновременно Н + йони ио- , които се комбинират, за да образуват водни молекули:

H + + OH - à H2O

Следователно, от дясната страна на уравнението, вместо 4 H + йона и 2 йонао- пишем 2 водни молекули и 2 Н + йона:

Ni 2+ +2 H 2 O + 2 H 2 O à Ni 0 + H 2 +2 H 2 O + O 2 + 2 H +

Нека намалим две водни молекули от двете страни на уравнението:

Ni 2+ +2 H 2 O à Ni 0 + H 2 + O 2 + 2 H +

Това е кратко йонно уравнение. За да получите пълното йонно уравнение, трябва да добавите към двете части на сулфатния йон SO 4 2- , образуван по време на дисоциацията на никелов сулфат ( II ) и не участва в реакцията:

Ni 2+ + SO 4 2- + 2H 2 O a Ni 0 + H 2 + O 2 + 2H + + SO 4 2-

По този начин, по време на електролизата на разтвор на никелов сулфат ( II ) на катода се отделят водород и никел, а на анода се отделя кислород.

NiSO 4 + 2H 2 O à Ni + H 2 + H 2 SO 4 + O 2

Пример 3 Напишете уравненията на процесите, протичащи при електролизата на воден разтвор на натриев сулфат с инертен анод.

Стандартен електроден потенциал на системата Na + + e = Na 0 е много по-отрицателен от потенциала на водния електрод в неутрална водна среда (-0,41 V) Следователно на катода ще настъпи електрохимична редукция на водата, придружена от отделяне на водород

2Н 2 О а 2 H + + 2 OH -

и Na йони + идващи към катода ще се натрупват в съседната част на разтвора (катодно пространство).

На анода ще настъпи електрохимично окисление на водата, което ще доведе до освобождаване на кислород.

2 H 2 O - 4e à O 2 + 4 H +

защото съответства на тази система стандартен електроден потенциал (1,23 V) е значително по-нисък от стандартния електроден потенциал (2,01 V), който характеризира системата

2 SO 4 2- + 2 e \u003d S 2 O 8 2-.

йони SO 4 2- движещи се към анода по време на електролизата ще се натрупват в анодното пространство.

Умножавайки уравнението на катодния процес по две и го добавяйки с уравнението на анодния процес, получаваме общото уравнение на процеса на електролиза:

6 H 2 O \u003d 2 H 2 + 4 OH - + O 2 + 4 H +

Като се има предвид, че йони се натрупват едновременно в катодното пространство и йони в анодното пространство, цялостното уравнение на процеса може да се запише в следния вид:

6H 2 O + 2Na 2 SO 4 \u003d 2H 2 + 4Na + + 4OH - + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-

Така едновременно с отделянето на водород и кислород се образуват натриев хидроксид (в катодното пространство) и сярна киселина (в анодното пространство).

Пример 4Електролиза на разтвор на меден сулфат ( II) CuSO4.

катод (-)<-- Cu 2+ + SO 4 2- à анод (+)

катод (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0 2

анод (+) 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H + 1

H + йони остават в разтвора и SO 4 2- , тъй като се натрупва сярна киселина.

2CuSO 4 + 2H 2 O à 2Cu + 2H 2 SO 4 + O 2

Пример 5 Електролиза на разтвор на меден хлорид ( II) CuCl 2 .

катод (-)<-- Cu 2+ + 2Cl - à анод (+)

катод (-) Cu 2+ + 2e à Cu 0

анод (+) 2Cl - – 2e à Cl 0 2

И двете уравнения включват два електрона.

Cu 2+ + 2e à Cu 0 1

2Cl - -– 2e à Cl 2 1

Cu 2+ + 2 Cl - à Cu 0 + Cl 2 (йонно уравнение)

CuCl 2 à Cu + Cl 2 (молекулно уравнение)

Пример 6 Електролиза на разтвор на сребърен нитрат AgNO3.

катод (-)<-- Ag + + NO 3 - à Анод (+)

катод (-) Ag + + e à Ag 0

анод (+) 2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H +

Ag + + e à Ag 0 4

2H 2 O - 4 e à O 2 + 4H + 1

4 Ag + + 2 H 2 O à 4 Ag 0 + 4 H + + О 2 (йонно уравнение)

4 Ag + + 2 Х 2 Оà 4 Ag 0 + 4 Х + + О 2 + 4 НЕ 3 - (пълно йонно уравнение)

4 AgNO 3 + 2 Х 2 Оà 4 Ag 0 + 4 HNO 3 + О 2 (молекулно уравнение)

Пример 7 Електролиза на разтвор на солна киселинаHCl.

катод (-)<-- Х + + кл - à анод (+)

катод (-) 2Х + + 2 дà Х 2

анод (+) 2кл - – 2 дà кл 2

2 Х + + 2 кл - à Х 2 + кл 2 (йонно уравнение)

2 HClà Х 2 + кл 2 (молекулно уравнение)

Пример 8 Електролиза на разтвор на сярна киселинаХ 2 ТАКА 4 .

катод (-) <-- 2H + + SO 4 2- à анод (+)

катод (-)2H+ + 2eà H2

анод(+) 2H2O-4дà O2+4H+

2H+ + 2eà H 2 2

2H2O-4дà О2 + 4Н+1

4Н+ + 2Н20à 2H2 + 4H+ + O2

2H2Oà 2H2+O2

Пример 9. Електролиза на разтвор на калиев хидроксидKOH.

катод (-)<-- К + + ох - à анод (+)

Калиевите катиони няма да се редуцират на катода, тъй като калият е в напреженията на металите вляво от алуминия, вместо това водните молекули ще бъдат намалени:

2H2O + 2eà H2 + 2OH - 4OH - -4eà 2H2O +O2

катод(-)2H2O+2eà Н2 + 2ОН - 2

анод(+) 4OH - - 4eà 2H 2 O + O 2 1

4H 2 O + 4OH -à 2H2 + 4OH - + 2H2O + O2

2 Х 2 Оà 2 Х 2 + О 2

Пример 10 Електролиза на разтвор на калиев нитратKNO 3 .

катод (-) <-- K + + NO 3 - à анод (+)

2H2O + 2eà H2 + 2OH - 2H2O - 4дà O2+4H+

катод(-)2H2O+2eà Н2 + 2ОН-2

анод(+) 2H2O-4дà О2 + 4Н+1

4H2O + 2H2Oà 2Н2+4ОН-+4Н++ O2

2H2Oà 2H2+O2

При преминаване на електрически ток през разтвори на кислород-съдържащи киселини, основи и соли на кислород-съдържащи киселини с метали, които са в серия на напрежението на металите, вляво от алуминия, на практика настъпва водна електролиза. В този случай на катода се отделя водород, а на анода - кислород.

Заключения. При определяне на продуктите на електролизата на водни разтвори на електролити в най-простите случаи може да се ръководи от следните съображения:

1. Метални йони с малка алгебрична стойност на стандартния потенциал – отЛи + предиАл 3+ включително - имат много слаба склонност към повторно свързване на електрони, отстъпвайки в това отношение на йониХ + (см. Серия на катионна активност). При електролизата на водни разтвори на съединения, съдържащи тези катиони, функцията на окислител на катода се изпълнява от йониХ + , докато се възстановява по схемата:

2 Х 2 О+ 2 дà Х 2 + 2OH -

2. Метални катиони с положителни стойности на стандартните потенциали (Cu 2+ , Ag + , hg 2+ и др.) имат по-голяма склонност да прикрепят електрони, отколкото йони. По време на електролизата на водни разтвори на техните соли, тези катиони излъчват функцията на окислител на катода, като същевременно се редуцират до метал по схемата, например:

Cu 2+ +2 дà Cu 0

3. По време на електролизата на водни разтвори на метални солиZn, Fe, CD, Niи други, заемащи средно положение между изброените групи в поредицата на напрежението, процесът на редукция при катода протича и по двете схеми. Масата на освободения метал в тези случаи не съответства на количеството протичащ електрически ток, част от който се изразходва за образуването на водород.

4. Във водни разтвори на електролити, едноатомни аниони (кл - , Бр - , Дж - ), кислородсъдържащи аниони (НЕ 3 - , ТАКА 4 2- , ПО 4 3- и други), както и хидроксилни йони на водата. От тях халогенидните йони имат по-силни редуциращи свойства, с изключение наФ. йониохзаемат междинно положение между тях и многоатомните аниони. Следователно, по време на електролизата на водни разтвориHCl, HBr, HJили техните соли на анода, халогенидните йони се окисляват по схемата:

2 х - -2 дà х 2 0

При електролизата на водни разтвори на сулфати, нитрати, фосфати и др. функцията на редуктора се изпълнява от йони, докато се окислява по схемата:

4 HOH – 4 дà 2 Х 2 О + О 2 + 4 Х +

.

Задачи.

У но дача 1. По време на електролизата на разтвор на меден сулфат на катода се отделят 48 g мед. Намерете обема на газа, освободен от анода, и масата на сярната киселина, образувана в разтвора.

Медният сулфат в разтвор не дисоциира нито един йонC 2+ иС0 4 2 ".

CuS0 4 \u003d Cu 2+ + S0 4 2 "

Нека запишем уравненията на процесите, протичащи на катода и анода. Cu катионите се редуцират на катода, електролизата на водата настъпва на анода:

Cu 2+ + 2e- \u003d Cu12

2H 2 0-4e- = 4H + + 0 2 |1

Общо уравнение на електролизата:

2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + 4H+ + O2 (кратко йонно уравнение)

Добавете към двете страни на уравнението по 2 сулфатни йона, които се образуват по време на дисоциацията на медния сулфат, получаваме пълното йонно уравнение:

2Cu2+ + 2S042" + 2H20 = 2Cu + 4H+ + 2SO4 2" + O2

2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + 2H2SO4 + O2

Газът, освободен от анода, е кислород. В разтвора се образува сярна киселина.

Моларната маса на медта е 64 g / mol, изчисляваме количеството медно вещество:

Според уравнението на реакцията, когато от анода се отделят 2 mol мед, се отделя 1 mol кислород. 0,75 mol мед се отделя на катода, нека x mol кислород се освободи на анода. Нека направим пропорция:

2/1=0,75/x, x=0,75*1/2=0,375 mol

0,375 mol кислород се отделя на анода,

v(O2) = 0,375 mol.

Изчислете обема на освободения кислород:

V(O2) = v (O2) "VM = 0,375 mol" 22,4 l / mol \u003d 8,4 l

Според уравнението на реакцията, когато на катода се отделят 2 mol мед, в разтвора се образуват 2 mol сярна киселина, което означава, че ако на катода се отделят 0,75 mol мед, тогава се образуват 0,75 mol сярна киселина в разтвора v (H2SO4) = 0,75 mol. Изчислете моларната маса на сярната киселина:

M(H2SO4) = 2-1+32+16-4 = 98 g/mol.

Изчислете масата на сярната киселина:

m (H2S04) = v (H2S04> M (H2S04) = = 0,75 mol = 98 g / mol = 73,5 g.

Отговор:При анода бяха отделени 8,4 литра кислород; В разтвора се образува 73,5 g сярна киселина

Задача 2. Намерете обема на газовете, отделени при катода и анода при електролизата на воден разтвор, съдържащ 111,75 g калиев хлорид. Какво вещество се образува в разтвор? Намерете масата му.

Калиевият хлорид в разтвора се дисоциира на K+ и Cl йони:

2KS1 \u003d K + + Cl

Калиевите йони не се редуцират на катода; вместо това водните молекули се редуцират. Хлоридните йони се окисляват на анода и се отделя хлор:

2H2O + 2e "= H2 + 20H-|1

2SG-2e "= C12|1

Общо уравнение на електролизата:

2CHl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (кратко йонно уравнение) Разтворът също съдържа K + йони, образувани по време на дисоциацията на калиев хлорид и не участващи в реакцията:

2K+ + 2Cl + 2H20 = H2 + 2K+ + 2OH" + C12

Нека пренапишем уравнението в молекулярна форма:

2KS1 + 2H2O = H2 + C12 + 2KOH

На катода се отделя водород, на анода се отделя хлор, а в разтвор се образува калиев хидроксид.

Разтворът съдържа 111,75 g калиев хлорид.

Изчислете моларната маса на калиевия хлорид:

М(КС1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

Изчислете количеството на веществото калиев хлорид:

Според уравнението на реакцията при електролиза на 2 mol калиев хлорид се отделя 1 mol хлор. Нека електролизата на 1,5 mol калиев хлорид освободи x mol хлор. Нека направим пропорция:

2/1=1,5/x, x=1,5/2=0,75 mol

Ще се отделят 0,75 mol хлор, v (C! 2) \u003d 0,75 mol. Съгласно уравнението на реакцията, когато 1 mol хлор се отделя на анода, 1 mol водород се отделя на катода. Следователно, ако на анода се отделят 0,75 mol хлор, тогава на катода се отделят 0,75 mol водород, v(H2) = 0,75 mol.

Нека изчислим обема на хлора, освободен от анода:

V (C12) = v (Cl2) -VM = 0,75 mol = 22,4 l / mol \u003d 16,8 l.

Обемът на водорода е равен на обема на хлора:

Y (H2) \u003d Y (C12) \u003d 16,8 l.

Съгласно уравнението на реакцията при електролизата на 2 mol калиев хлорид се образуват 2 mol калиев хидроксид, което означава, че при електролизата на 0,75 mol калиев хлорид се образуват 0,75 mol калиев хидроксид. Изчислете моларната маса на калиевия хидроксид:

M (KOH) \u003d 39 + 16 + 1 - 56 g / mol.

Изчислете масата на калиевия хидроксид:

m(KOH) \u003d v (KOH> M (KOH) = 0,75 mol-56 g / mol = 42 g.

Отговор:При катода се отделят 16,8 литра водород, при анода се отделят 16,8 литра хлор и в разтвора се образуват 42 g калиев хидроксид.

Задача 3. При електролизата на разтвор от 19 g двувалентен метален хлорид на анода се отделят 8,96 литра хлор. Определете кой метален хлорид е бил подложен на електролиза. Изчислете обема на водорода, освободен от катода.

Означаваме неизвестния метал M, формулата на неговия хлорид е MC12. На анода хлоридните йони се окисляват и се отделя хлор. Условието казва, че на катода се отделя водород, следователно водните молекули се редуцират:

2H20 + 2e- = H2 + 2OH|1

2Cl -2e "= C12! 1

Общо уравнение на електролизата:

2Cl + 2H2O \u003d H2 + 2OH "+ C12 (кратко йонно уравнение)

Разтворът съдържа и M2+ йони, които не се променят по време на реакцията. Пишем пълното уравнение на йонната реакция:

2SG + M2+ + 2H2O = H2 + M2+ + 2OH- + C12

Нека пренапишем уравнението на реакцията в молекулярна форма:

MS12 + 2H2O - H2 + M(OH)2 + C12

Намерете количеството хлор, освободен от анода:

Според уравнението на реакцията по време на електролизата на 1 mol хлорид от неизвестен метал се отделя 1 mol хлор. Ако се отделят 0,4 mol хлор, тогава 0,4 mol метален хлорид се подлагат на електролиза. Изчислете моларната маса на металния хлорид:

Моларната маса на хлорида на неизвестен метал е 95 g/mol. Има 35,5"2 = 71 g/mol на два хлорни атома. Следователно моларната маса на метала е 95-71 = 24 g/mol. Магнезият отговаря на тази моларна маса.

Според уравнението на реакцията, за 1 мол хлор, освободен на анода, има 1 мол водород, освободен на катода. В нашия случай на анода се отделиха 0,4 mol хлор, което означава, че на катода се отделиха 0,4 mol водород. Изчислете обема на водорода:

V (H2) \u003d v (H2> VM = 0,4 mol = 22,4 l / mol = 8,96 l.

Отговор:подложен на електролиза разтвор на магнезиев хлорид; От катода се отделят 8,96 литра водород.

*Задача 4. При електролизата на 200 g разтвор на калиев сулфат с концентрация 15% при анода се отделят 14,56 литра кислород. Изчислете концентрацията на разтвора в края на електролизата.

В разтвор на калиев сулфат водните молекули реагират както на катода, така и на анода:

2H20 + 2e" = H2 + 20H-|2

2H2O - 4e "= 4H+ + O2! 1

Нека съберем двете уравнения заедно:

6H2O \u003d 2H2 + 4OH "+ 4H + + O2, или

6H2O \u003d 2H2 + 4H2O + O2, или

2H2O = 2H2 + 02

Всъщност по време на електролизата на разтвор на калиев сулфат се получава електролиза на вода.

Концентрацията на разтворено вещество в разтвор се определя по формулата:

C=m(разтворено вещество) 100% / m(разтвор)

За да се намери концентрацията на разтвора на калиев сулфат в края на електролизата, е необходимо да се знае масата на калиевия сулфат и масата на разтвора. Масата на калиевия сулфат не се променя по време на реакцията. Изчислете масата на калиевия сулфат в първоначалния разтвор. Нека обозначим концентрацията на изходния разтвор като C

m(K2S04) = C2 (K2S04) m(разтвор) = 0,15 200 g = 30 g.

Масата на разтвора се променя по време на електролизата, тъй като част от водата се превръща във водород и кислород. Изчислете количеството освободен кислород:

(О 2) \u003d V (O2) / Vm = 14,56 l / 22,4 l / mol = 0,65 mol

Според уравнението на реакцията 1 мол кислород се образува от 2 мола вода. Нека по време на разлагането на x mol вода се отделят 0,65 mol кислород. Нека направим пропорция:

1,3 mol вода се разлага, v(H2O) = 1,3 mol.

Изчислете моларната маса на водата:

M(H2O) \u003d 1-2 + 16 \u003d 18 g / mol.

Изчислете масата на разложената вода:

m(H2O) \u003d v (H2O> M (H2O) = 1,3 mol * 18 g / mol = 23,4 g.

Масата на разтвора на калиев сулфат намалява с 23,4 g и стана равна на 200-23,4 = 176,6 g. Нека сега изчислим концентрацията на разтвора на калиев сулфат в края на електролизата:

С2 (K2 SO4)=m(K2 SO4) 100% / m(разтвор)=30g 100% / 176.6g=17%

Отговор:концентрацията на разтвора в края на електролизата е 17%.

* 3 задача 5. 188,3 g смес от натриев и калиев хлорид се разтварят във вода и през получения разтвор се пропуска електрически ток. По време на електролизата на катода се отделят 33,6 литра водород. Изчислете състава на сместа в тегловни проценти.

След разтваряне на смес от калиев и натриев хлорид във вода, разтворът съдържа K+, Na+ и Cl- йони. Нито калиеви йони, нито натриеви йони се редуцират на катода, водните молекули се редуцират. Хлоридните йони се окисляват на анода и се отделя хлор:

Нека пренапишем уравненията в молекулярна форма:

2KS1 + 2H20 = H2 + C12 + 2KOH

2NaCl + 2H2O = H2 + C12 + 2NaOH

Нека означим количеството вещество на калиев хлорид, съдържащо се в сместа, x mol, и количеството вещество натриев хлорид, y mol. Според уравнението на реакцията по време на електролизата на 2 mol натриев или калиев хлорид се отделя 1 mol водород. Следователно по време на електролизата на x mol калиев хлорид се образува x / 2 или 0,5x mol водород, а по време на електролизата y mol натриев хлорид е 0,5y mol водород. Нека намерим количеството водородно вещество, освободено по време на електролизата на сместа:

Нека направим уравнението: 0,5x + 0,5y = 1,5

Изчислете моларните маси на калиевите и натриевите хлориди:

М(КС1) = 39+35,5 = 74,5 g/mol

M (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g / mol

Маса x мол калиев хлорид е:

m (KCl) = v (KCl) -M (KCl) = x mol-74,5 g / mol \u003d 74,5 x g.

Масата на мол натриев хлорид е:

m (KCl) = v (KCl) -M (KCl) \u003d y mol-74,5 g / mol = 58,5 u g.

Масата на сместа е 188,3 g, правим второто уравнение:

74,5x + 58,5y = 188,3

И така, решаваме система от две уравнения с две неизвестни:

0,5(x + y)= 1,5

74,5x + 58,5y = 188,3g

От първото уравнение изразяваме x:

x + y \u003d 1,5 / 0,5 = 3,

x = 3-y

Замествайки тази стойност на x във второто уравнение, получаваме:

74,5-(3-y) + 58,5y = 188,3

223.5-74.5y + 58.5y = 188.3

-16y = -35,2

y = 2,2 100% / 188,3 g = 31,65%

Изчислете масовата част на натриевия хлорид:

w(NaCl) = 100% - w(KCl) = 68,35%

Отговор:сместа съдържа 31,65% калиев хлорид и 68,35% натриев хлорид.

Физико-химични свойства на електролита

Точката на топене на калциевия хлорид е 774°. В някои случаи към електролита се добавят калиев хлорид (точка на топене 768°), а понякога и натриев хлорид (точка на топене 800°).
Диаграмата на топене на системата CaCl2-KCl е изследвана от O. Menge. В системата се образува съединението CaCl2 KCl и има две евтектики, при 75% (mol.) CaCl2 с точка на топене 634° и при 25% (mol.) CaCl2 с точка на топене 587°.
Системата CaCl2-NaCl дава евтектика при 53% (mol.) CaCl2 с точка на топене около 494°.
Диаграмата на състоянието на системата CaCl2-KCl-NaCl е изследвана от K. Scholich. В него при 508 ° се образува евтектика от състав - 52% CaCl2, 41% NaCl, 7% KCL
Електролитът, препоръчан от Ruff and Plateau, съдържа 85,8% CaCl2 и 14,2% CaF2 и се топи при 660°. Плътността на калциевия хлорид, според Arndt, се изразява чрез уравнението: d = 2,03-0,00040 (t°) - 85
Според В.П. Borzakovskii, плътността на CaCl2 при 800° е 2,049; при 900° 2,001, при 1000° 1,953 Добавянето на калиев хлорид или натриев хлорид понижава плътността на стопилката Въпреки това, дори при значителни добавки на хлориди на алкални метали, разликата в плътностите на стопилката и металния калций все още е достатъчна за метал, за да изплува лесно на повърхността на електролита
Стойността на вискозитета и повърхностното напрежение на калциевия хлорид на границата с газовата фаза, според V.P. Борзаковски, са дадени по-долу

Добавките от калиев хлорид и натриев хлорид към калциев хлорид намаляват вискозитета на стопилката и повишават повърхностното напрежение на границата с газовата фаза
Електрическата проводимост на калциевия хлорид според Борзаковски е: при 800° 2,02 ohm-1/cm3, при 900° 2,33 ohm-1/cm3; стойност, близка до тези данни, е получена от Сандонини. Добавки до 25% (mol.) калиев хлорид или до 55% (mol.) натриев хлорид понижават електрическата проводимост; по-нататъшното увеличаване на добавките увеличава електрическата проводимост на стопилката
Налягането на парите на калциевия хлорид е много по-високо от това на KCl, NaCl, MgCl2. Точката на кипене на калциевия хлорид е приблизително 1900°. Общото налягане на парите в смес от калциев хлорид с посочените хлоридни соли е изследвано от V.A.Ilyichev и K.D. Мужжавлев.
Напрежение на разлагане на калциев хлорид (v), измерено от Combi и Devato, използвайки emf. поляризация в температурния диапазон 700-1000°, се изразява с формулата

E \u003d 3,38 - 1,4 * 10v-3 (t ° -700 °)

По-долу е дадено сравнение на напреженията на разлагане на няколко хлоридни соли при температура от 800°.

На практика, с изходен ток от 60-85%, обратната ЕДС във ваната е 2,8-3,2 V. Дросбах посочва, че обратното e. д.с. emf отговори. клетки

Ca / CaCl / CaCl2 / Cl2.

Напрежението на разлагане на солите намалява с повишаване на температурата Ho, тъй като температурните коефициенти на промяна в напрежението на разлагане за различните соли са различни, последователността на извличане на конкретен метал от смес от соли може да се променя с температурата. При температури на електролиза на калциев хлорид е възможно изхвърляне на магнезиеви и натриеви йони. Следователно електролитът на калциевата баня не трябва да съдържа примеси от тези соли.

Електролиза със сензорен катод

Основи на теорията

По време на електролизата на разтопен калциев хлорид, калцият, освободен на катода, както при производството на магнезий или натрий, е много по-лек от електролита и следователно изплува на повърхността на ваната. Въпреки това, не е възможно да се получи течен калций по същия начин, както се получава магнезий. Магнезият леко се разтваря в електролита и е защитен от електролитен филм, задържан върху металната повърхност. Магнезият, плаващ върху повърхността на електролита, периодично се изхвърля. Калцият е много по-активен от магнезия и не е защитен от електролитен филм. Разтворимостта му в електролита е висока, според изследването на Лоренц 13% от метала се разтваря в калциев хлорид. Когато се разтваря, се образува CaCl субхлорид, който, реагирайки с хлора, се превръща в CaCl2. Под действието на кислород и влага на въздуха субхлоридите образуват суспензия от калциев оксид в стопилката. Ако се остави разтопеният калций да остане в контакт с електролита, тогава, поради циркулацията на последния, калцият ще бъде отнесен в областта на анодния хлор и в крайна сметка целият ще се превърне в калциев хлорид. Освен че се разтваря в електролита, калцият, намиращ се на повърхността на ваната, активно реагира с газовете около нея.
Когато калцият се отдели под точката му на топене, се образува гъбест дендритен метал, пропит със сол, с голяма окислителна повърхност. Топенето на такъв метал е много трудно. Следователно металният калций с приемлив токов изход може да се получи само по метода на Rathenau и Süter - електролиза със сензорен катод / Същността на метода се крие във факта, че катодът първоначално докосва разтопения електролит. В точката на контакт се образува течна капка метал, която навлажнява катода, която при бавно и равномерно повдигане на катода се отстранява от стопилката с нея и се втвърдява. В този случай втвърдяващата се капка е покрита с твърд електролитен филм, който предпазва метала от окисляване и азотиране. Чрез непрекъснато и внимателно повдигане на катода, калцият се изтегля в пръчките.
Условията за електролиза със сензорен катод върху електролит от калциев хлорид и калциев флуорид бяха допълнително проучени и подобрени от Гудуин, който разработи апарат за лабораторни експерименти, от Фрири, който обърна внимание на практическите методи в електролизата, от Брейс, който построи баня 200 A и други.
В Русия този метод е изследван и усъвършенстван върху бани със сила на тока от 100 до 600 A (Z.V. Vasiliev, V.P. Mashovets, B.V. Popov и A.Yu. Taits, V.M. Guskov и M.T. Kovalenko, A.Y. Taits и MI Pavlov , Ю. В. Баймаков).
Едно от условията за постигане на задоволителна ефективност на тока е използването на висока плътност на тока на катода. Това е необходимо, така че количеството освободен метал за единица време значително да надвишава неговото разтваряне. В зависимост от работната повърхност на катода, мощността на клетката и други фактори, катодната плътност на тока се избира в диапазона 50–250 A/cm2. За нормалното протичане на процеса е важно да се осигури точен контрол на издигането на катода. Твърде бързото издигане на катода причинява отделяне на капката течен метал и разтварянето й в електролита. При бавно покачване калцият прегрява и се топи от пръчката. Разделянето на метала може да бъде причинено и от прегряване на електролита. Разтварянето на калция в електролита с образуването на субхлорид и калциев оксид причинява удебеляване на електролита и образуване на пяна, което нарушава нормалната работа на ваната. По време на студения ход на ваната металът на катода нараства под формата на дендрити.
Плътността на тока на анода е избрана възможно най-ниска (от порядъка на 0,7-1,5 A/cm2), за да се избегне анодния ефект. Анодният ефект се появява, когато плътността на тока върху графит достигне 8 A/cm2, а върху въглероден анод 5,6 A/cm2. Температурата на електролита с калциев хлорид без добавки се поддържа на 800-810°, докато при добавяне на други соли намалява. Около катода, поради високата концентрация на тока, има ръб от прегрят електролит с температура 820-850 °. С оглед на необходимостта от поддържане на температурата на електролита близо до точката на топене на калция (851°), добавките за понижаване на точката на топене на електролита не са от съществено значение, но тяхната роля е положителна за намаляване на разтворимостта на калция в електролита.
Използваният електролит трябва да е възможно най-дехидратиран и да не съдържа вредни примеси. Влагата, съдържаща се в електролита, се разлага с отделянето на водород на катода, който, комбинирайки се с калций, образува калциев хидрид, което е придружено от повишаване на температурата на катода. В допълнение, влагата допринася за образуването на пяна в електролита. Всичко това нарушава нормалния ход на електролизата. Друг вреден електролитен примес е силициевият диоксид, който дори в малки количества кара калция да се разтваря в електролита. В резултат на това се образува субхлорид и електролитът се сгъстява, което затруднява отделянето на калций на катода. Примесите от магнезий и натрий са нежелателни, тъй като те се отделят по време на електролизата и се легират с калций, намалявайки точката на топене на катодния метал и затруднявайки изтеглянето.

Практиката на електролиза

Промишленото производство на калций чрез електролиза със сензорен катод започва още преди Първата световна война в Германия (Битерфелд) и Франция (Яри). Монтел и Харди посочват, че консумацията на енергия варира от 30 000-50 000 kWh на 1 g метал, в зависимост от размера на клетката, нейните конструктивни характеристики и продължителността на кампанията за електролиза. Консумацията на калциев хлорид е 4,5 kg на 1 kg от метал.

Работната камера на немската баня (фиг. 2) има осмоъгълна форма с диаметър 400 мм и височина 350 мм. Той е облицован с въглищни блокове, които служат като анод. Пространството между блоковете и корпуса на банята е облицовано и покрито с топлоизолация. Над работната камера на ваната е фиксиран железен катод с диаметър 60 mm, който се движи във вертикална посока и за регулиране на напрежението върху ваната - в хоризонтална посока. Въздушното охлаждане е свързано към катода, а въздухът, заедно с анодните газове, се отстранява през канал, разположен в стената на ваната. Вместимост на вана 40 л за 90 кг стопилка. Състав на електролита, %: 35,46 Ca, 63 Cl, 0,35 CaO, 0,03 SiO2 (макс.), 0,04 Fe2O3+Al2O3 (макс.). Освен това във ваната се добавя 1-1,5 кг калиев хлорид, а понякога се добавя и малка флуорна сол. Температура на електролита 800-820°C, катодна плътност на тока 50-100 A/cm2, анод 1-1,5 A/cm2, ток на баня 900-2000 A, напрежение 20-25 V. Мощността на тока се колебае силно през различните периоди на годината и в зависимост от влажността на въздуха и е средно 35-40%. Ваната обаче дава от 6 до 15 кг калций на ден. На 1 кг калций се изразходват около 70 kWh електроенергия и 8 кг сол. Анализ на примеси в катодния метал, % (тегл.): 0,01-0,08 Mg 0,01-0,05 Si, 0,1-0,3 Fe + Al, 0,05-0,07 Mn, 0,008 -0,03 N, 0,7-1,6 Cl.
Според описанието на Bagley, в САЩ (Мичиган) през 1939 г. е построена пилотна инсталация от три бани за ток от 2000 A, който скоро е удвоен (фиг. 3). Катодният контрол беше автоматизиран, докато операциите по периодично добавяне на електролит и отстраняване на калциеви пръчки се извършваха ръчно. Впоследствие бяха доставени нови серии вани за 4000 A, след това за 5000 A и накрая за 10000 A.

Получените калциеви пръчки имат диаметър от 175 до 350 mm и дължина до 600 mm. Пръчката е покрита с електролитна кора отвън. Вътрешната метална част на пръта е доста компактна.
Независимо от това, трябва да се отбележи, че въпреки съществуващите технически постижения, електролизата със сензорен катод има сериозни недостатъци: ниска ефективност на тока, висока консумация на енергия, ниско извличане на калций от суровините, необходимостта от използване на електролит, който е напълно свободен от примеси на H2O, SiO2 и др. съединения, трудността при проектирането на баня с по-голяма мощност и т. н. Всичко това принуди през последното десетилетие, когато търсенето на калций силно се увеличи, да се търсят принципно различни методи за получаване. Търсенето беше неуспешно.

Електролиза с течен катод и производство на калциеви сплави

Основи на теорията

Получаването на калций върху катод от течен метал елиминира основните трудности, срещани при изолирането на чист течен метал. Сливането на калция с катодния метал, разположен на дъното на ваната под електролита, предотвратява разтварянето му в електролита и рекомбинацията с хлор и прави невъзможно окисляването на калция от околните газове. Това води до висок изходен ток. Възможността за непосредствена близост между електродите, липсата на висока катодна плътност на тока, необходима за електролиза със сензорен катод, и деполяризация по време на освобождаването на калций върху течен катод могат значително да намалят напрежението върху ваната. Постигането на висока производителност зависи от избора на катод, катодна плътност на тока, температура и други условия на процеса. Катодният метал трябва да бъде легиран с калций, а стойността на катодната плътност на тока трябва да съответства на скоростта на дифузия на калция в сплавта. Следователно, разбъркването на катодната сплав е полезно. От голямо значение е естеството на диаграмата на състоянието на калция и катодния метал. Така, например, по време на електролизата на калциев хлорид с течен оловен катод, не е възможно да се получат богати сплави с добра ефективност на тока поради факта, че по време на образуването на сплавта температурата на топене, според състоянието диаграма (фиг. 4), нараства рязко, достигайки при 28% Ca 1106°.

В.М. Гусков и В.Ф. Федоров получава добра токова ефективност (89,3%) чрез разбъркване на сплавта Pb-Ca и насищането й с калций до 4,4%; температурата на електролизата е 800-810°. С увеличаване на съдържанието на калций в сплавта и с повишаване на температурата ефективността на тока рязко намалява.
Преди количеството калций в сплавта да достигне 1-2%, катодната плътност на тока може да се увеличи само до 2 A/cm2. С по-нататъшно увеличаване на количеството калций в сплавта, плътността на тока трябва да се намали. Подобен модел е установен от A.F. Алабишев.
Поради различното естество на диаграмата на състоянието на Ca-Al, A. Yu Taits и A.V. Голинската електролиза на калциев хлорид с течен алуминиев катод произвежда сплави, съдържащи 62% Ca при температура 840–880°C и катодна плътност на тока 1,5 A/cm2. За да се предотврати изплуването на богатата на калций сплав, към ваната се добавя 15% калиев хлорид, което намалява плътността на електролита от 2,03 на 1,84.
Според диаграмата на състоянието на Zn-Ca (фиг. 5), електролитното утаяване на калций върху цинков катод с довеждане на съдържанието на Са до 90% в сплавта е възможно при температури не по-високи от 720°. Въпреки това е трудно да се получат много богати сплави върху цинков катод поради плаващи и суспендирани частици на сплавта.

Отлагането на калций върху медния катод протича добре. Според диаграмата на състоянието на Cu-Ca (фиг. 6), точката на топене на сплавта е под 750 °, когато съдържа от 25 до 70% Ca, сплавта от този състав не плава, нейната плътност дори при съдържание от 60% Са е 4,4 при плътност на електролита 2,2. Електролитното производство на калциево-медни сплави е от изключителен интерес за производството на чист калций. Голямата разлика в налягането на парите на медта (точка на кипене 2600°) и калция (точка на кипене 1490°) позволява дестилацията да изолира чист калций от сплавта.

Практиката на електролиза

В индустрията се използва електролиза с оловни, цинкови и медни катоди. Производството на оловни сплави с калций и барий е организирано в САЩ в завода на United Ltd. Company. Всяка баня представлява железен тигел, поставен в тухлена зидария, в който е подредено външно отопление. Във ваната се зареждат приблизително 2 тона оловни блокове. Оловото е покрито с разтопен слой от чисти калциеви и бариеви хлориди с височина 75-100 mm. В центъра на ваната е потопен графитен анод, с устройство за спускане и повдигане, чрез преместване на което се регулира температурата на ваната. На дъното, както и по стените на ваната, се образува перваз, който предотвратява загубите на ток, които са възможни поради протичането му от анода към стените на ваната, заобикаляйки катода с течен оловен. Калцият и барият, освободени по време на електролизата, се абсорбират от разтопеното олово. Отбелязва се, че ефективността на процеса се намалява поради анодните ефекти, разтварянето на метала и образуването на калциеви и бариеви карбиди. Електролизата се извършва за получаване на сплав, съдържаща 2% алкалоземни метали (приблизително три дни електролиза). Когато се достигне желаната концентрация, токът се изключва и сплавта се освобождава в черпака, от който се излива в общия миксер.
В ГДР калциево-цинкова сплав се произвеждаше в завода на IHF.
Ваната (фиг. 7) се състои от чугунена кутия с размери 2250x700x540 mm, зазидана в тухлена зидария.Анода представлява шест въглищни блока със сечение 200X200 mm, окачени на общ вал с ръчно задвижване за спускане и повдигане. Цинкът се излива на дъното на кутията и сплавта се натрупва във ваната, откъдето при съдържание на 60-65% Ca периодично се загребва, без да се спира банята. Освободеният хлор се изсмуква отгоре през капачката.Всяка баня консумира ток от 10 000 А при напрежение 25 V. Електролитът е сплав от калциев хлорид с 18% калиев хлорид. Температура на електролиза 750°. Капацитетът на банята е 4 кг калций в сплавта на час, заводът произвежда 10 тона сплав на месец.
През последните години електролизата на калциев хлорид с течен калциево-меден катод, последвана от дестилация на калций от сплавта, получи широко промишлено приложение.
Електролитната клетка за получаване на калциево-медна сплав (фиг. 8) представлява правоъгълна чугунена баня. Ширината на банята е 0,90 м, а дължината е 3 м. Ваната е облицована отвън с огнеупорни тухли и е затворена в метален кожух за механична якост.

Анодът представлява пакет от графитни пръти, които са прикрепени към метална траверса. Токът се подава към анода чрез гъвкави шини, прикрепени към траверсата. Анодът може да се повдига и спуска с помощта на ръчно колело. Хлорът се изпомпва през газопроводи, разположени отстрани на ваната. На дъното на ваната се излива медно-калциева сплав, която служи като катод. Силата на тока на такъв електролизатор е 15000 a. Напоследък бяха създадени електролизери за висока сила на тока. Напрежението на ваната е 7-9 V. Дневният капацитет на електролитната клетка за 15 000 a е приблизително 300 kg калций в сплавта.
Технологичният режим се осигурява от следните условия. Температурата на електролита е 675°-715°. Съставът на електролита е 80-85% калциев хлорид и 15-20% калиев хлорид. Нивото на електролита във ваната е 20-25 см, нивото на катодната сплав е 5-20 см. Сплавта е наситена с калций до 60-65% - Възвратната сплав след дестилация съдържа приблизително 30% Ca. Разстоянието между електродите е 3-5 см. Температурата на електролита се регулира чрез промяна на междуполярното разстояние.
Катодна плътност на тока 0,4-0,5 a/cm2, анод 1,0-1,2 a/cm2. Има индикации за използване на почти два пъти по-високи плътности на тока.
Ваната се захранва с малки порции твърд калциев хлорид (по 20-30 кг всяка). За разлика от електролизерите със сензорен катод, тази вана може да се захранва с частично дехидратирани суровини, съдържащи до 10% влага. Окончателното му обезводняване настъпва на повърхността на ваната.
Сплавта се отстранява, когато съдържанието на калций не е по-високо от 65%. При по-богата сплав има опасност да изплува. Сплавта се изгребва с помощта на вакуумен черпак до ниво във ваната от ~5 см. След източване на богатата сплав, бедната сплав и калциевият хлорид се зареждат във ваната
По време на електролизата на калциев хлорид с течен калциево-меден катод, ефективността на тока е 70-75%. Специфичният разход на енергия е 15 000 - 18 000 kW/h на 1 тон калций в сплавта, разходът на калциев хлорид е 3,5 g, а графитните аноди са 60-70 kw на 1 g калций в сплавта. Чугунените вани работят 10-14 месеца.

3. Разписка. Калцият се получава чрез електролиза на неговия стопен хлорид.

4. Физични свойства. Калцият е сребристо-бял метал, много лек (ρ \u003d 1,55 g / cm 3), като алкалните метали, но несравнимо по-твърд от тях и има много по-висока точка на топене, равна на 851 0 С.

5. Химични свойства. Подобно на алкалните метали, калцият е силен редуциращ агент, който може да бъде схематично изобразен, както следва:

Калциевите съединения оцветяват огнената тухла в червено. Подобно на алкалните метали, калциевият метал обикновено се съхранява под слой керосин.

6. Приложение. Поради високата си химическа активност, металният калций се използва за редуциране на някои огнеупорни метали (титан, цирконий и др.) от техните оксиди. Калцият се използва и при производството на стомана и желязо, за пречистване на последното от кислород, сяра и фосфор, за получаване на някои сплави, по-специално оловно-калциеви, необходими за производството на лагери.

7. Най-важните калциеви съединения, получени в промишлеността.

Калциевият оксид се произвежда в промишлеността чрез изпичане на варовик:

CaCO 3 → CaO + CO 2

Калциевият оксид е огнеупорно вещество с бял цвят (топи се при температура 2570 0 C), има химични свойства, присъщи на основните оксиди на активните метали (I, Таблица II, стр. 88).

Реакцията на калциев оксид с вода протича с отделяне на голямо количество топлина:

CaO + H 2 O ═ Ca (OH) 2 + Q

Калциевият оксид е основният компонент на негасената вар, а калциевият хидроксид е основната съставка на гасената вар.

Реакцията на калциев оксид с вода се нарича гасене на вар.

Калциевият оксид се използва главно за производство на гасена вар.

Калциевият хидроксид Ca(OH) 2 е от голямо практическо значение. Използва се под формата на гасена вар, варово мляко и варова вода.

Хидратната вар е тънък насипен прах, обикновено сив на цвят (компонент на калциев хидроксид), слабо разтворим във вода (1,56 g се разтваря в 1 литър вода при 20 0 C). В строителството се използва тестена смес от гасена вар с цимент, вода и пясък. Постепенно сместа се втвърдява:

Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O

Варното мляко е суспензия (суспензия), подобна на млякото. Образува се чрез смесване на излишната гасена вар с вода. Варовото мляко се използва за производство на белина, при производството на захар, за приготвяне на смеси, необходими за борба с болестите по растенията, и за варосване на стволовете на дърветата.

Варовата вода е бистър разтвор на калциев хидроксид, получен чрез филтриране на варно мляко. Използвайте го в лабораторията за откриване на въглероден оксид (IV):

Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O

При продължително предаване на въглероден оксид (IV) разтворът става прозрачен:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca(HCO 3) 2

Ако полученият прозрачен разтвор на калциев бикарбонат се нагрее, тогава отново се появява облачност:

Подобни процеси протичат и в природата. Ако водата съдържа разтворен въглероден оксид (IV) и действа върху варовик, тогава част от калциевия карбонат се превръща в разтворим калциев бикарбонат. На повърхността разтворът се затопля и от него отново изпада калциев карбонат.

* Хлорът е от голямо практическо значение. Получава се чрез реакцията на гасена вар с хлор:

2 Ca(OH) 2 + 2 Cl 2 → Ca(ClO) 2 + CaCl 2 + 2H 2 O

Активната съставка в белина е калциев хипохлорит. Хипохлоритите се подлагат на хидролиза. Това отделя хипохлорна киселина. Хипохлорната киселина може да бъде изместена от солта си дори от въглеродна киселина:

Ca(ClO) 2 + CO 2 + H 2 O → CaCO 3 ↓+ 2 HClO

2 HClO → 2 HCl + O 2

Това свойство на белина се използва широко за избелване, дезинфекция и дегазиране.

8. Гипс. Съществуват следните видове гипс: естествен - CaSO 4 ∙ 2H 2 O, изгорен - (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O, безводен - CaSO 4.

Изгореният (полуводен) гипс или алабастър (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O се получава чрез нагряване на естествен гипс до 150–180 0 С:

2 → (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3H 2 O

Ако смесите алабастър на прах с вода, се образува полутечна пластична маса, която бързо се втвърдява. Процесът на втвърдяване се обяснява с добавянето на вода:

(CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3H 2 O → 2

На практика се използва свойството на изгорелия гипс да се втвърдява. Така например алабастър, смесен с вар, пясък и вода, се използва като мазилка. Предметите на изкуството се изработват от чист алабастър, а в медицината се използва за поставяне на гипсови превръзки.

Ако естественият гипс CaSO 4 ∙ 2H 2 O се нагрява при по-висока температура, тогава цялата вода се освобождава:

CaSO 4 ∙ 2H 2 O → CaSO 4 + 2H 2 O

Полученият безводен гипс CaSO 4 вече не е в състояние да прикрепя вода и затова се нарича мъртъв гипс.

Твърдостта на водата и начините за нейното отстраняване.

Всеки знае, че сапунът се пени добре в дъждовна вода (мека вода), докато в изворната вода обикновено се пени лошо (твърда вода). Анализът на твърдата вода показва, че тя съдържа значителни количества разтворими калциеви и магнезиеви соли. Тези соли образуват неразтворими съединения със сапун. Такава вода е неподходяща за охлаждане на двигатели с вътрешно горене и захранване на парни котли, тъй като при нагряване на твърда вода се образува котлен камък по стените на охладителните системи. Накипът не провежда добре топлината; следователно е възможно прегряване на двигатели, парни котли, освен това износването им се ускорява.

Какви са видовете твърдост?

Карбонатната или временната твърдост се дължи на наличието на калциеви и магнезиеви бикарбонати. Може да се поправи по следните начини:

1) кипене:

Ca(HCO 3) 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

Mg(HCO 3) 2 → MgCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2

2) действието на варовото мляко или содата:

Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O

Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2NaHCO 3

Ca 2+ + 2 HCO 3 - + 2 Na + + CO 3 2- → CaCO 3 ↓ + 2 Na + + 2HCO 3 -

Ca 2+ + CO 3 2- → CaCO 3 ↓

Некарбонатната или постоянна твърдост се дължи на наличието на сулфати и хлориди на калций и магнезий.

Елиминира се чрез действието на содата:

CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

MgSO 4 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

Mg 2+ + SO 4 2- + 2Na + + CO 3 2- → MgCO 3 ↓ + 2Na + + SO 4 2-

Mg 2+ + CO 3 2- → MgCO 3 ↓

Карбонатната и некарбонатната твърдост се добавят към общата твърдост на водата.

IV. Затвърдяване на знанията (5 мин.)

1. Въз основа на периодичната система и теорията за строежа на атомите обяснете какви свойства на магнезия и калция са общи. Напишете уравнения за съответните реакции.

2. Какви минерали съдържат калций и как се използват?

3. Кажете ни как да различим един естествен минерал от друг.

V. Домашна работа (3 мин.)

Отговорете на въпросите и завършете упражнения 1-15, § 48,49, решете упражнения 1-4, стр. 132-133.

Точно така изглежда планът на урока в училище на тема „Калций и неговите съединения”.

Въз основа на гореизложеното е очевидно, че училищният курс по химия трябва да бъде изпълнен с екологично съдържание. Резултатите от тази работа ще бъдат представени в трета глава.

Еднократно) - 0,01%. 4 Съдържание Въведение ................................................. ................................................... .. ..........................4 Глава 1. Междупредметни връзки в учебния предмет по химия на примера на въглерода и неговия съединения ................................................... .......................5 1.1 Използване на интердисциплинарни връзки за формиране на ученици ...

Дейност. Търсенето на методи и форми на обучение, които допринасят за възпитанието на творческа личност, доведе до появата на някои специфични методи на обучение, един от които са игровите методи. Прилагането на игрови методи на обучение при изучаване на химия в условията на спазване на дидактическите и психолого-педагогическите особености, повишава нивото на подготовка на учениците. Думата "игра" на руски...

и хигиенни изисквания); съответствие на учебната и двигателната активност с възрастовите възможности на детето; необходим, достатъчен и рационално организиран двигателен режим. Под здравеопазваща образователна технология (Петров) той разбира система, която създава максимално възможни условия за запазване, укрепване и развитие на духовното, емоционалното, интелектуалното, ...