Электрохимия и ее использование

Электрохимия - это раздел физической химии, где разрабатывются научные основы электролиза, гальванотехники, создания химических источников тока и других процессов, связанных с протеканием электрического тока в средах, содержащих подвижные ионы.

Под электролизом понимают совокупность электрохимических окислительно-восстановительных процессов, происходящих на погруженных в электролит (проводящую жидкость) электродах под воздействием электрического тока.

Осуществляют электролиз в устройствах, называемых электролизерами (Рис. 7.7). В качестве электролитов могут выступать водные растворы солей, кислот, щелочей и другие проводящие среды.

Рис. 7.7 – Электролизеры: а) простейший электролизер; б) диафрагменный электролизер

При прохождении тока через электролит (Рис. 7.7.6, а) отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к положительно заряженному аноду. Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду – катоду. Анионами являются молекулы кислорода, хлора, сульфат анионы и другие (Табл. 7.3). В качестве катионов выступают ионы металлов и водорода.

В процессе электролиза на электродах выделяется металл и водород (на катоде), на аноде – молекулярный остаток.

Массу т выделившегося вещества можно определить согласно первому закону Фарадея:

m = k Q ; мг, (7.5)

где k – электрохимический эквивалент, мг/Кл (Табл. 7.4);

Q – переносимый заряд, Кл.

Заряд Q, необходимый для выделения 1 моля вещества, для всех электролитов одинаков. Он равен произведению постоянной Авогадро N_A = 6,022045∙10²³ моль^-1 и элементарного электрического заряда е = 1,6021892∙10^-19 Кл и называется числом Фарадея:

F = N_A e = 9,648456∙10⁴ Кл/моль. (7.6)

С помощью электролиза можно получать растворы с различными свойствами. Если электролизер оборудовать ионопроницаемой диафрагмой (Рис. 7.6, б), то с помощью электролиза можно получать растворы с различными свойствами. Вещества, выделяющиеся в анодной области, не будут проходить через диафрагму в катодную область и наоборот. Растворы этих веществ образуют анолит и католит. Например, если в качестве электролита использовать водный раствор поваренной соли, то получим католит в виде щелочного раствора (рН = 8…12), обладающий хорошими моющими свойствами, и «кислотный» анолит (рН = 2…4), который может использоваться для дезинфекции, растворения солевых отложений на стенках оборудования и для других целей.

Посредством электролиза достаточно просто осуществить электрофлотацию, позволяющую разделять жидкие неоднородные системы (мутные фруктовые соки, сточные воды и др.). Сущность этого метода состоит в разложении путем электролиза воды на водород и кислород в виде очень мелких пузырьков, осаждающихся на поверхности твердых частиц, которые будут увлекаться вверх и всплывать. При этом в основном используются пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде, так как они обладают большей подъемной силой и их в два раза больше.

Например, при очистке виноградного сока применение электрофлотации дает высокий производственный эффект. Причем электрофлотация не влияет на содержание сахара, сухих, дубильных, зольных и красящих веществ, щелочность и рН среды. При реализации данного процесса желательно использование диафрагменного электролизера.

Очистка сточных вод протекает более благоприятно в присутствии кислорода, поэтому при электрофлотации диафрагма не используется. Толщину слоя жидкости пронизывают пузырьки водорода и кислорода, что обеспечивает определенное бактерицидное действие. Так, при электрофлотации сточных вод мясокомбината удается извлекать до 90-95% жира. Это очень высокий показатель по сравнению с другими используемыми методами.

Электрокоагуляция, как частный случай электрофлотации, позволяет эффективно осуществлять выделение из растворов каллоидных частиц и дает хорошие результаты при выделении белка из молочной сыворотки, белка картофеля из сока картофеля при производстве крахмала, при очистке сточных вод и при других процессах. В ряде случаев используются растворимые аноды из алюминия, железа. Материал анода при этом выступает в качестве коагулянта.