Криолитті-глиноземды балқыманың компоненттерінің ыдырау кернеулігі

Бұл иондардың біразы өзара әрекеттесіп, жай иондармен тепе-теңдікте болатын тұрақтылығы біршама болатын AlO және AlO⁺ иондарын түзеді:

AlO = Al³⁺ + 2O^2-

AlO⁺ = Al³⁺ + O^2-

Балқымада болатын тұздар NaF, CaF₂, MgF₂ диссоциацияланып, Na⁺, Ca²⁺ және Mg²⁺ иондарын түзеді.Осының салдарынан катодта жүретін электродтық реакция:

2Al³⁺ + 6e = 2Al

Анодта оттегінің разрядталу процесі жүреді. Түзілетін оттегі графит анодының көміртегімен реакцияға түсіп, СО және СО₂ түзеді:

2О^2- - 4е +С = СО₂ О^2- - 2е + С = СО

Сонда электролизерде келесі химиялық реакция жүреді:

Al₂O₃ + 2C = 2Al + CO + CO₂

Электродтар мен электролизерде параллель реакциялар жүреді деп санауға болады.

Катодта 4Аl³⁺ +12e = 4Al,

анодта 6О^2- - 12е = 3О₂ 3О₂ + 3С = 3СО₂

және электролизёрде 2Al₂O₃ +3C = 4Al + 3CO₂

катодта 2Аl³⁺ +6e = 2Al, анодта 3О^2- - 6е = 1.5О₂

және электролитте Al₂O₃ +3C = 2Al + 3CO

Сонымен, электролиз кезінде балқымадағы барлық компоненттерден тек қана глинозем шығындалады. Басқа компоненттердің разрядталуы электролиз үрдісінің технологиясы бұзылғанда ғана жүреді. Электролиз үрдісі кезінде анодта бөлінетін оттегі көміртегімен әрекеттесіп анодтың күйіп шығындалуына әкеледі.1т. алюминий өндіру үшін 2т. жуық глинозем, 0,7т. анод массасы, 0,1т. криолит және басқа фторидтер, 18 МВт·сағ. электр энергиясы жұмсалады.Анодтық эффектГрафитті немесе металл анодтарды қолданып ионды балқымаларды электролиздегенде анодьық эффект немесе жарқылдап, ұшқын шығару деп аталатын құбылыс байқалуы мүмкін. Бұл құбылыс келесі белгілермен сипатталады:

1) Былаудағы кернеу 4,5-5,0 тен 30-40 қа, ал кейде 120 В дейін күрт көтеріледі.

2) Электролитте катод пен анодтың арасында сары немесе күлгін түсті ұсақ ұшқыннан тұратын жарық жолақ пайда болады.

3) Анодта газ көбіршіктерінің түзілуі токталады.

4) Электролизердегі электролиттің жиегі (менискі) ойықтан дөңеске айналады.

5) Анод пен балқыманың арасында жұқа газ қабыршағы пайда болып, электролит анодтан алшақтайды.

Анодтық эффект пайда болғанда ток тығыздығы шектік (критический) мәніне жетеді. Ток тығыздығы бұдан артық болғанда анодтық эффект жағдайы үнемі сақталады.

Сындық ток тығыздығының мөлшері криолитті-глиноземды балқыманың құрамына тәуелді, бірінші кезекте ондағы глиноземның құрамына:Электролите глиноземның концентрациясы артқанда сындық ток тығыздығы көтеріліді. 1000⁰С температурада бұл тәуелділік кестеде көрсетірген мәндермен сипатталады.

кесте Балқымадағы Al₂O₃ мөлшерінің i_кр әсері._.

Шектік ток тығыздығы балқығын тұздардың құрамына, температураға және электродтардың материалына тәуелді. Балқыған хлоридтер үшін шектік ток тығыздығы фторидтердікіне қарағанда жоғары. Сілтілік металдар балқымасында бұл көрсеткіш сілтілік-жер металдар балқымасына қарағанда жоғары. Температура көтерілгенде сындық ток тығыздығы артады. Көмір электродтарды қолданғанда сындық ток тығыздығы метал электрод қолданғанға қарағанда аз. Анодтық эффектің пайда болуының себебі анодтың балқымамен нашар шаймалануынан. Шаймалану нашар болғанда анодта бөлінетін газ көпіршіктері тұтас қабыршық түзе бірігіп, балқыманы анод бетінен аластатады (сурет).

1- электролиз қалыпты жүргенде анодта газдың бөлінуі;

2- 2-анодтық эффектті болдыратын газ қабыршағының түзілуі.

сурет Анодтық эффект кезінде көмір электродта газ қабыршағының түзілуі.

Анодтың электролитпен шылануы алдымен беттік тартылуға байланысты. Беттік тартылу неғұрлым үлкен болса, шылану бұрышы соғұрлым үлкен болады, электродтың беті электролитпен соғұрлым нашар шыланады, соғұрлым сындық ток тығыздығы төмен болады. Сондықтан электролиттің беттік тартылуын азайтатын барлық факторлар электродтың бетінің жақсы шаймалануына себепші болады да, шектік ток тығыздығын жоғарылатады. Анодтық эффект қажетсіз құбылыс, өйткені потенциалдың секіруі салдарынан энергия шығыны көбейеді, ток күшінің азаюы себебінен электролизердың өнімділігі төмендейді, былау аса қызып кетеді, алюминидің тоқ бойынша шығымы азаяды. Бұл құбылыстың алдын алу үшін электролитке глиноземның жаңа үлесін қосу арқылы балқымадағы глиноземның концентрациясын көтеру қажет.

және де, металдық алюминидің ауадағы оттегі мен көмір қышқыл газымен әрекеттесу реакциясының жылдамдығы артады:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

2Al + CO₂ = Al₂O₃ + CO

Бұл реакциялардың жүруі алюминидің жоғалуына әкеледі, ол ток бойынша шығымды азайтады.Ток бойынша шығымға ток тығыздығы әсер етеді. Алюминий былауында анодтық i_а, катодтық i_к және орташа i_ор ток тығыздығын айырады, олардың арасындағы байланыс келесі теңдеумен өрнектеледі:Орташа ток тығыздығын көтергенде алюминидің ток бойынша шығымы артады. Ток тығыздығын көтергенде былауда кернеу де көтеріледі. Ток тығыздығы тым көп көтеріліп кетсе катодта натрий иондарының разрядталуы мүмкін, бұл ток бойынша шығымды азайтады.Ток бойынша шығымға электродтар арасындағы қашықтық – полюсаралық қашықтық әсер етеді. Полюсаралық қашықтықты үлкейту бір жағынан ток бойынша шығымды арттырады, өйткені метал түріндегі алюминидің анодқа қарай тасымалдануы қиындайды. Екінші жағынан полюсаралық қашықтықты үлкейту электролитте кедергінің өсуінен кернеудің түсуіне әкеледі, бұл қосымша энергияның шығынын арттырады. Сондықтан электролизерлерде полюсаралық қашықтықты 3-5 см мөлшерінде ұстайды.Ток бойынша шығымға балқымадағы криолиттік қатынас әсер етеді. Криолиттік қатынас үлкейгенде ток бойынша шығым алдымен артады да, кейбір максималды шамаға жеткен соң азая бастайды. Ток бойынша максималды шығым криолиттік қатынас 2,5-2,7 шамасында болғанда байқалады. Криолиттік қатынасты бұдан төмен ұстағанда балқыманың электрөткізгіштігі азаяды, нәтижесінде электр энергиясының шығыны көбейіп, ток бойынша шығым азаяды. Криолиттік қатынасты көбейту катодта алюминимен бірге натрий иондарының разрядталуына әкелуі мүмкін. Бұл да ток бойынша шығымды азайтады.