ઇલેક્ટ્રોલિસિસ - ક્રિયા, હેતુ અને એપ્લિકેશનનો સિદ્ધાંત

ઇલેક્ટ્રોલિસિસ પ્રક્રિયાઓ

નોન-ફેરસ ધાતુશાસ્ત્ર અને સંખ્યાબંધ રાસાયણિક ઉદ્યોગોમાં ઇલેક્ટ્રોલિસિસ વ્યાપક છે. એલ્યુમિનિયમ, જસત, મેગ્નેશિયમ જેવી ધાતુઓ મુખ્યત્વે વિદ્યુત વિચ્છેદન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. વધુમાં, વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણનો ઉપયોગ તાંબુ, નિકલ, સીસાને શુદ્ધ (શુદ્ધ) કરવા તેમજ હાઇડ્રોજન, ઓક્સિજન, ક્લોરિન અને સંખ્યાબંધ અન્ય રસાયણો ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.

વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણનો સાર એ છે કે જ્યારે સીધો પ્રવાહ ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક બાથમાંથી પસાર થાય છે અને બાથમાં ડૂબેલા ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર તેમના જુબાની (ઇલેક્ટ્રોએક્સટ્રેક્શન) અથવા જ્યારે પદાર્થો એક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા બીજામાં સ્થાનાંતરિત થાય છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી પદાર્થના કણોનું વિભાજન છે ( ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રિફાઇનિંગ). બંને કિસ્સાઓમાં, પ્રક્રિયાઓનો ધ્યેય અશુદ્ધિઓથી દૂષિત ન હોય તેવા શુદ્ધ સંભવિત પદાર્થો મેળવવાનો છે.

વિપરીત ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં ધાતુઓ (પાણીમાં ક્ષાર, એસિડ અને પાયાના ઉકેલો અને કેટલાક અન્ય દ્રાવકોમાં, તેમજ પીગળેલા સંયોજનોમાં), આયનીય વાહકતા જોવા મળે છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ બીજા વર્ગના વાહક છે.આ ઉકેલો અને પીગળવામાં, ઇલેક્ટ્રોલિટીક વિયોજન થાય છે - સકારાત્મક અને નકારાત્મક ચાર્જ આયનોનું વિઘટન.

જો વિદ્યુત ઊર્જાના સ્ત્રોત સાથે જોડાયેલા ઇલેક્ટ્રોડ્સને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ - ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર સાથેના વાસણમાં મૂકવામાં આવે છે, તો પછી તેમાં આયનીય પ્રવાહ વહેવાનું શરૂ થશે, અને હકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલ આયનો - કેશન કેથોડ તરફ જશે (આ મુખ્યત્વે ધાતુઓ અને હાઇડ્રોજન છે. ), અને નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ આયનો — આયન (કલોરિન, ઓક્સિજન) — એનોડમાં.

એનોડ પર, આયનોનો ચાર્જ છોડી દે છે અને તટસ્થ કણો બની જાય છે જે ઇલેક્ટ્રોડ પર સ્થિર થાય છે. કેથોડ પર, કેશન્સ ઇલેક્ટ્રોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન લે છે અને તેને તટસ્થ પણ કરવામાં આવે છે, તેના પર સ્થાયી થાય છે, અને પરપોટાના સ્વરૂપમાં ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર મુક્ત થતા વાયુઓ ઉપર જાય છે.

ચોખા. 1. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન પ્રક્રિયાઓ. ઇલેક્ટ્રિક બાથ સર્કિટ: 1 — બાથ, 2 — ઇલેક્ટ્રોલાઇટ, 3 — એનોડ, 4 — કેથોડ, 5 — પાવર સપ્લાય

બાહ્ય સર્કિટમાં વિદ્યુત પ્રવાહ એ એનોડથી કેથોડ સુધી ઇલેક્ટ્રોનની હિલચાલ છે (ફિગ. 1). આ કિસ્સામાં, સોલ્યુશન ક્ષીણ થઈ ગયું છે, અને વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ પ્રક્રિયાની સાતત્ય જાળવવા માટે, તેને સમૃદ્ધ બનાવવું આવશ્યક છે. આ રીતે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (ઇલેક્ટ્રોએક્સટ્રેક્શન) માંથી ચોક્કસ પદાર્થો કાઢવામાં આવે છે.

જો એનોડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી શકે છે, કારણ કે બાદમાં ક્ષીણ થઈ જાય છે, તો તેના કણો, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે, હકારાત્મક ચાર્જ મેળવે છે અને કેથોડ તરફ નિર્દેશિત થાય છે, જેના પર તે જમા થાય છે, ત્યાંથી એનોડમાંથી કેથોડમાં સામગ્રી સ્થાનાંતરિત થાય છે. . એનોડની ધાતુમાં રહેલી અશુદ્ધિઓ કેથોડમાં સ્થાનાંતરિત ન થાય તે માટે પ્રક્રિયા હાથ ધરવામાં આવતી હોવાથી, આ પ્રક્રિયાને ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રિફાઇનિંગ કહેવામાં આવે છે.

જો ઇલેક્ટ્રોડને તે જ પદાર્થના આયનો સાથેના દ્રાવણમાં મૂકવામાં આવે છે જેમાંથી તે બનાવવામાં આવે છે, તો પછી ઇલેક્ટ્રોડ અને દ્રાવણ વચ્ચેની ચોક્કસ સંભવિતતા પર ન તો ઇલેક્ટ્રોડ ઓગળી શકે છે અને ન તો દ્રાવણમાંથી પદાર્થ તેના પર જમા થાય છે.

આ સંભવિતને પદાર્થની સામાન્ય સંભવિત કહેવામાં આવે છે. જો ઇલેક્ટ્રોડ પર વધુ નકારાત્મક સંભવિત લાગુ કરવામાં આવે છે, તો તેના પર પદાર્થનું પ્રકાશન (કેથોડિક પ્રક્રિયા) શરૂ થશે, પરંતુ જો તે વધુ હકારાત્મક છે, તો તેનું વિસર્જન (એનોડિક પ્રક્રિયા) શરૂ થશે.

સામાન્ય સંભવિતતાનું મૂલ્ય આયન સાંદ્રતા અને તાપમાન પર આધારિત છે. સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોજનની સામાન્ય સંભાવનાને શૂન્ય ગણવાનું સ્વીકારવામાં આવે છે. કોષ્ટક 1 + 25 ° સે પર પદાર્થોના કેટલાક જલીય દ્રાવણની સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોડ સંભવિતતા દર્શાવે છે.

કોષ્ટક 1. + 25 ° સે પર સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોડ સંભવિત

જો ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં વિવિધ ધાતુઓના આયનો હોય, તો નીચા નકારાત્મક સામાન્ય સંભવિત (તાંબુ, ચાંદી, સીસું, નિકલ) ધરાવતા આયનો પ્રથમ કેથોડ પર અલગ કરવામાં આવે છે; આલ્કલાઇન પૃથ્વી ધાતુઓને અલગ કરવી સૌથી મુશ્કેલ છે. વધુમાં, જલીય દ્રાવણમાં હંમેશા હાઇડ્રોજન આયનો હોય છે, જે નકારાત્મક સામાન્ય સંભવિતતા સાથે તમામ ધાતુઓ કરતાં વહેલા મુક્ત થશે, તેથી, બાદમાંના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન, હાઇડ્રોજનના પ્રકાશન પર નોંધપાત્ર અથવા તો મોટાભાગની ઊર્જા ખર્ચવામાં આવે છે. .

વિશેષ પગલાંની મદદથી, ચોક્કસ મર્યાદામાં હાઇડ્રોજનના ઉત્ક્રાંતિને અટકાવવાનું શક્ય છે, પરંતુ 1 V કરતાં ઓછી સામાન્ય ક્ષમતા ધરાવતી ધાતુઓ (ઉદાહરણ તરીકે, મેગ્નેશિયમ, એલ્યુમિનિયમ, આલ્કલાઇન પૃથ્વીની ધાતુઓ) વિદ્યુત વિચ્છેદન દ્વારા મેળવી શકાતી નથી. જલીય દ્રાવણ. તેઓ આ ધાતુઓના પીગળેલા ક્ષારના વિઘટન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે.

કોષ્ટકમાં દર્શાવેલ પદાર્થોની સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોડ સંભવિતતા.1, ન્યૂનતમ છે કે જેના પર વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે, વ્યવહારમાં પ્રક્રિયાના વિકાસ માટે સંભવિતના મોટા મૂલ્યો જરૂરી છે.

વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોડની વાસ્તવિક સંભાવના અને તેની સામાન્ય સંભવિત વચ્ચેના તફાવતને ઓવરવોલ્ટેજ કહેવામાં આવે છે. તે વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન ઊર્જાના નુકસાનને વધારે છે.

બીજી બાજુ, હાઇડ્રોજન આયન માટે ઓવરવોલ્ટેજ વધવાથી તેને કેથોડ પર છોડવાનું મુશ્કેલ બને છે, જે જલીય દ્રાવણમાંથી વિદ્યુત વિચ્છેદન દ્વારા મેળવવાનું શક્ય બનાવે છે જે હાઇડ્રોજન કરતાં વધુ નકારાત્મક હોય છે, જેમ કે લીડ, ટીન, નિકલ. , કોબાલ્ટ, ક્રોમિયમ અને ઝીંક પણ. આ ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર વર્તમાન ઘનતામાં વધારો કરીને તેમજ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ચોક્કસ પદાર્થો દાખલ કરીને પ્રક્રિયા હાથ ધરીને પ્રાપ્ત થાય છે.

વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન કેથોડિક અને એનોડિક પ્રતિક્રિયાઓનો કોર્સ ફેરાડેના નીચેના બે કાયદાઓ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

1. કેથોડમાં વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન મુક્ત થયેલ પદાર્થ md અથવા એનોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં પસાર થયેલ પદાર્થનું દળ એ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ Azτ ​​દ્વારા પસાર થતી વીજળીના પ્રમાણના પ્રમાણસર છે: me = α/τ, અહીં a એ પદાર્થની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સમકક્ષ છે. , g/C.

2. વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન વિદ્યુતના સમાન જથ્થા સાથે પ્રકાશિત પદાર્થનો સમૂહ પદાર્થ A ના અણુ સમૂહ સાથે સીધો પ્રમાણસર છે અને તેની સંયોજકતા n: mNS = A / 96480n, અહીં 96480 એ ફેરાડે નંબર, C x mol છે. -1.

આ રીતે, પદાર્થનું ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સમકક્ષ α= A / 96480n એ ઇલેક્ટ્રોલિટીક બાથમાંથી પસાર થતી વીજળીના એકમ જથ્થા દ્વારા પ્રકાશિત ગ્રામમાં પદાર્થના સમૂહને રજૂ કરે છે - એક કૂલમ્બ (એમ્પીયર-સેકન્ડ).

કોપર A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g/C માટે, નિકલ માટે α =0.000304 g/C, જસત માટે α = 0.00034 g/C

હકીકતમાં, પ્રકાશિત પદાર્થનો સમૂહ હંમેશા સૂચવેલા કરતાં ઓછો હોય છે, જે સ્નાનમાં થતી સંખ્યાબંધ બાજુની પ્રક્રિયાઓ (ઉદાહરણ તરીકે, કેથોડ પર હાઇડ્રોજન પ્રકાશન), વર્તમાન લિકેજ અને ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે શોર્ટ સર્કિટ દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે.

ફેરાડેના નિયમ અનુસાર છોડવામાં આવેલા પદાર્થના દળના સામૂહિક ગુણોત્તરને વાસ્તવમાં પદાર્થની વર્તમાન ઉપજ η1 કહેવામાં આવે છે.

તેથી, વાસ્તવિક પ્રક્રિયા માટે mNS = η1 NS (A/96480n) NS તે

સ્વાભાવિક રીતે, હંમેશા η1

વર્તમાન કાર્યક્ષમતા ઇલેક્ટ્રોડની વર્તમાન ઘનતા પર નોંધપાત્ર રીતે નિર્ભર છે. જેમ જેમ ઇલેક્ટ્રોડ વર્તમાન ઘનતા વધે છે તેમ, વર્તમાન કાર્યક્ષમતા વધે છે અને પ્રક્રિયા કાર્યક્ષમતા વધે છે.

ઈલેક્ટ્રોલાઈઝરને જે વોલ્ટેજ યુએલ પૂરું પાડવું આવશ્યક છે તેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ Ep (એનોડિક અને કેથોડિક પ્રતિક્રિયાઓનો સંભવિત તફાવત), એનોડિક અને કેથોડિક ઓવરવોલ્ટેજનો સરવાળો, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ Ep માં વોલ્ટેજ ડ્રોપ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં વોલ્ટેજ ડ્રોપ Ue = IRep (પ્રતિનિધિ — ઇલેક્ટ્રોલિટીક પ્રતિકાર), ટાયરમાં વોલ્ટેજ ડ્રોપ, સંપર્કો, ઇલેક્ટ્રોડ્સ Uc = I(Rw +Rto +RNS). અમને મળે છે: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન વપરાશમાં લેવાયેલી શક્તિ સમાન છે: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

આ શક્તિમાંથી, માત્ર પ્રથમ ઘટકનો ઉપયોગ પ્રતિક્રિયાઓ કરવા માટે થાય છે, બાકીની પ્રક્રિયાની ગરમીનું નુકસાન છે. ફક્ત પીગળેલા ક્ષારના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ IUe માં પ્રકાશિત ગરમીનો ભાગ ઉપયોગી રીતે ઉપયોગમાં લેવાય છે, કારણ કે તે ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરમાં ચાર્જ કરેલા ક્ષારને ઓગળવામાં ખર્ચવામાં આવે છે.

વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ બાથની કાર્યક્ષમતાનો અંદાજ 1 J દીઠ વીજળીના વપરાશમાં પ્રકાશિત થતા ગ્રામમાં પદાર્થના સમૂહ દ્વારા કરી શકાય છે.આ મૂલ્યને પદાર્થની ઊર્જા ઉપજ કહેવામાં આવે છે. તે qe = (αη1) /Uel100 અભિવ્યક્તિ દ્વારા શોધી શકાય છે, અહીં α — પદાર્થની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સમકક્ષ, g/C, η1 — વર્તમાન આઉટપુટ, Uemail — ઇલેક્ટ્રોલિટીકનું વોલ્ટેજ સેલ, વી.