Скачать презентацию ТЕМА 5 ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ПЛАН 1 Суть Скачать презентацию ТЕМА 5 ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ПЛАН 1 Суть

Тема7_12.ppt

  • Количество слайдов: 57

ТЕМА 5 ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ТЕМА 5 ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ

ПЛАН 1. Суть і значення електрохімічних процесів 2. Основні закономірності електрохімічних процесів 3. Електроліз ПЛАН 1. Суть і значення електрохімічних процесів 2. Основні закономірності електрохімічних процесів 3. Електроліз водних розчинів 3. 1. Електроліз води 3. 2. Електрохімічне виробництво хлору та їдкого натру (каустичної соди) 3. 3. Гідроелектрометалургія.

1. Суть і значення електрохімічних процесів 1. Суть і значення електрохімічних процесів

Електрохімічні технологічні процеси – це процеси, які базуються на безпосередньому переході електричної енергії у Електрохімічні технологічні процеси – це процеси, які базуються на безпосередньому переході електричної енергії у хімічну без проміжного перетворення енергії у теплоту

Якщо електричну енергію ввести у хімічну систему (розчин чи розплав) у вигляді постійного струму Якщо електричну енергію ввести у хімічну систему (розчин чи розплав) у вигляді постійного струму за допомогою електродів, то виникнуть хімічні процеси, які називають електролізом

Історія розвитку електрохімічних виробництв Середина 18 ст. 1802 р. 30 -і роки 19 ст. Історія розвитку електрохімічних виробництв Середина 18 ст. 1802 р. 30 -і роки 19 ст. 1870 р. 19 ст. Перші уявлення про зв’язок хімічних і електрохімічних явищ, висловлені М. В. Ломоносовим Російський академік В. В. Петров, збудував одну з найпотужніших гальванічних батарей Англійський фізик Майкл Фарадей відкрив закони електролізу Винайдення динамо-машини Будівництво перших електрохімічних заводів для рафінування міді

Галузі застосування електрохімічних процесів: 1) виробництво металів 2) синтез органічних речовин 3) у машинобудуванні, Галузі застосування електрохімічних процесів: 1) виробництво металів 2) синтез органічних речовин 3) у машинобудуванні, металургійній, металообробній промисловості і особливо у радіоелектронному виробництві

Застосування у металообробній промисловості: n виготовлення виробів із твердих металів і сплавів, n виготовлення Застосування у металообробній промисловості: n виготовлення виробів із твердих металів і сплавів, n виготовлення та розмноження металевих копій (гальванопластика), n нанесення покриттів із чистих металів і сплавів на поверхню металевих виробів (захист від дії агресивних середовищ).

Переваги електрохімічних методів: n висока чистота продукту, якої неможливо досягти при інших хімічних способах Переваги електрохімічних методів: n висока чистота продукту, якої неможливо досягти при інших хімічних способах n використання відносно простих технологічних схем; n можливість поряд з основною отримувати цінну побічну продукцію, у т. ч. благородні метали; n використання дешевшої сировини та більш повна її переробка

Основним недоліком електрохімічних процесів є значні витрати електроенергії, вартість якої становить основну частину собівартості Основним недоліком електрохімічних процесів є значні витрати електроенергії, вартість якої становить основну частину собівартості продукції

2. Основні закономірності електрохімічних процесів 2. Основні закономірності електрохімічних процесів

n. Електрохімічні процеси відбуваються в апаратах, які називають електролізерами n. Електрохімічні процеси відбуваються в апаратах, які називають електролізерами

Електролізер складається з: n ванни, викладеної зсередини кислотостійкими матеріалами, n електродів (катода та анода), Електролізер складається з: n ванни, викладеної зсередини кислотостійкими матеріалами, n електродів (катода та анода), n допоміжних механізмів і пристроїв.

Процес електролізу: n Через електроліти (розчини або розплави солей), якими заповнюють ванну електролізера, проходить Процес електролізу: n Через електроліти (розчини або розплави солей), якими заповнюють ванну електролізера, проходить постійний електричний струм від позитивного електрода (анода) до негативного (катода). n На аноді відбуваються реакції розчинення або окислення металу, на катоді - його виділення або відновлення.

Перший закон М. Фарадея Кількість речовини, яка виділилась на електродах, прямо пропорційна силі струму Перший закон М. Фарадея Кількість речовини, яка виділилась на електродах, прямо пропорційна силі струму і часу його проходження через електроліт

Другий закон М. Фарадея Різні речовини при електролізі виділяються пропорційно хімічним еквівалентам цих речовин Другий закон М. Фарадея Різні речовини при електролізі виділяються пропорційно хімічним еквівалентам цих речовин

Число Фарадея кількість електрики, необхідна для виділення при електролізі 1 моль еквівалентів речовини v. Число Фарадея кількість електрики, необхідна для виділення при електролізі 1 моль еквівалентів речовини v. Дорівнює 96500 кулонів, або 26, 8 ампер-годин (А • год).

Електрохімічний еквівалент (С) – це кількість речовини, що виділяється або розчиняється при пропусканні через Електрохімічний еквівалент (С) – це кількість речовини, що виділяється або розчиняється при пропусканні через електроліт одиниці кількості електрики: Q = I·t·C де Q - кількість речовини; I - сила струму; t - тривалість електролізу. n Електрохімічний еквівалент речовини отримують діленням хімічного еквівалента на 26, 8.

Густина струму – кількість електрики, яка проходить за одиницю часу через одиницю поверхні на Густина струму – кількість електрики, яка проходить за одиницю часу через одиницю поверхні на його межі з електролітом n Практично визначають діленням сили струму на геометричну площу поверхні електрода n Використовують для характеристики швидкості реакції в електрохімії

Напруга розкладу – різниця рівноважних потенціалів на аноді та катоді Різниця між потенціалом електрода Напруга розкладу – різниця рівноважних потенціалів на аноді та катоді Різниця між потенціалом електрода при електролізі та його рівноважним потенціалом називається перенапругою.

Умови початку процесу електролізу: Ø досягнута напруга розкладу Ø струм, близький до нуля Ø Умови початку процесу електролізу: Ø досягнута напруга розкладу Ø струм, близький до нуля Ø наявність умов для оборотних електродних реакцій

3. Електроліз водних розчинів 3. 1. Електроліз води 3. Електроліз водних розчинів 3. 1. Електроліз води

Електроліз води – це перший відомий людині електролізний процес: 2 Н 2 О → Електроліз води – це перший відомий людині електролізний процес: 2 Н 2 О → 2 Н 2+О 2

Застосування водню у промисловості: Ø сировина для синтезу аміаку, Ø гідрування ненасичених органічних сполук, Застосування водню у промисловості: Ø сировина для синтезу аміаку, Ø гідрування ненасичених органічних сполук, Ø компонент палива для ракетних двигунів.

Застосування кисню промисловості: n для інтенсифікації окислювальних процесів, у металургії тощо, n при автогенному Застосування кисню промисловості: n для інтенсифікації окислювальних процесів, у металургії тощо, n при автогенному зварюванні, різанні металів, n у процесах випалювання.

Способи отримання кисню та водню: n Водень отримують з води, метану, при взаємодії деяких Способи отримання кисню та водню: n Водень отримують з води, метану, при взаємодії деяких кислот з металами. n Кисень виділяють з повітря. Але потреби в кисні та водні зростають, підвищуються вимоги до їх чистоти, тому використовують електроліз.

Для утворення 1 м 3 водню та 0, 5 м 3 кисню теоретично необхідно Для утворення 1 м 3 водню та 0, 5 м 3 кисню теоретично необхідно 805 г води

Чиста вода – поганий провідник електрики. Ступінь електролітичної дисоціації води досить малий, тому необхідно Чиста вода – поганий провідник електрики. Ступінь електролітичної дисоціації води досить малий, тому необхідно розчинити у ній такий електроліт, іони якого мають більш високі потенціали розкладу порівняно з потенціалами іонів Н+ та ОН-.

Найпридатніші електроліти, які розчиняють у воді з метою електролізу: q 20 -30%-й розчин КОН Найпридатніші електроліти, які розчиняють у воді з метою електролізу: q 20 -30%-й розчин КОН q 15 -20%-й розчин Na. OH

Електроди: n Електроди виготовляють з м’якого заліза. n На анод наноситься тонка плівка нікелю, Електроди: n Електроди виготовляють з м’якого заліза. n На анод наноситься тонка плівка нікелю, щоб захистити його від дії кисню, який виділяється під час електролізу.

Анодний і катодний простір розділяють азбестовою діафрагмою (суміш газів кисню та водню (гримучий газ) Анодний і катодний простір розділяють азбестовою діафрагмою (суміш газів кисню та водню (гримучий газ) – вибухонебезпечна)

Процеси, які проходять на катоді та аноді: n На аноді виділяється кисень. n Катіони Процеси, які проходять на катоді та аноді: n На аноді виділяється кисень. n Катіони водню рухаються у бік катода, де приєднують електрон і виділяють водень. n Катод, після того як віддав електрони іонам водню, заряджується позитивно і перетворюється в анод по відношенню до іонів, які знаходяться з іншого його боку. n Після цього процес повторюється, поки ланцюг не замкнеться, поки не досягне катода.

3. 2. Електрохімічне виробництво хлору та їдкого натру (каустичної соди) 3. 2. Електрохімічне виробництво хлору та їдкого натру (каустичної соди)

Електроліз кухонної солі є одним з найдешевших електрохімічних процесів Електроліз кухонної солі є одним з найдешевших електрохімічних процесів

Застосування хлору: n виробництво соляної кислоти, хлорного вапна, фосгену, тетрахлорметану, полівінілхлориду, n синтез деяких Застосування хлору: n виробництво соляної кислоти, хлорного вапна, фосгену, тетрахлорметану, полівінілхлориду, n синтез деяких пластмас, інсектицидів, фунгіцидів, n очищення та дезінфікація води.

Застосування їдкого натру: n використовується у миловарній, фармацевтичній та целюлознопаперовій промисловості, n для виробництва Застосування їдкого натру: n використовується у миловарній, фармацевтичній та целюлознопаперовій промисловості, n для виробництва синтетичного шовку, фарбування тканин, n очищення продуктів переробки нафти, мінеральних та рослинних масел.

Ø Кухонна сіль є вихідною сировиною хлоролужного електролізу. Ø Сіль надходить в електролізери у Ø Кухонна сіль є вихідною сировиною хлоролужного електролізу. Ø Сіль надходить в електролізери у вигляді концентрованого розчину (305. . . 310 г/л).

Способи отримання хлору та каустичної соди: І. діафрагмовий, ІІ. ртутний, ІІІ. мембранний. Способи отримання хлору та каустичної соди: І. діафрагмовий, ІІ. ртутний, ІІІ. мембранний.

Електроліз кухонної солі n Аноди виготовляють з графіту. n Анодні процеси подібні, основний продукт Електроліз кухонної солі n Аноди виготовляють з графіту. n Анодні процеси подібні, основний продукт - газоподібний хлор. n Катодні процеси – різні залежно від способу.

Діафрагмовий спосіб ØВикористовують залізний катод та діафрагму, яка розділяє катодний і анодний простори. ØНа Діафрагмовий спосіб ØВикористовують залізний катод та діафрагму, яка розділяє катодний і анодний простори. ØНа катоді виділяється водень, на аноді – хлор, а електроліт збагачується їдким натром.

n Хлор активно взаємодіє з їдким натром: 2 Na. OH + Cl 2 → n Хлор активно взаємодіє з їдким натром: 2 Na. OH + Cl 2 → Na. Cl + Na. Cl. O + H 2 O n Запобігти утворенню гіпохлориду натрію можливо, якщо анодний і катодний простори розділити діафрагмою.

Ртутний спосіб n Електролізер складається з двох окремих частин: ванни А та ванни Б Ртутний спосіб n Електролізер складається з двох окремих частин: ванни А та ванни Б Процеси, які відбуваються у ванні А: n На аноді розряджаються іони хлору: 2 Cl- - 2 e → 2 Cl → Cl 2 ↑ n На ртутному катоді іони натрію розряджаються з утворенням амальгами: Na+ + n. Hg + e→ Na·n. Hg

Ртутний спосіб Процеси, які відбуваються у ванні Б: n Амальгама обробляється гарячою водою: Na·n. Ртутний спосіб Процеси, які відбуваються у ванні Б: n Амальгама обробляється гарячою водою: Na·n. Hg + Н 2 О → Na. ОН + ½ Н 2 + n. Hg n Водень і їдкий натр виводять із ванни і подають на переробку. n Ртуть відновлюється і знову повертається в електролізер.

Переваги ртутного способу: n Висока чистота водню, хлору та їдкого натру n Вища концентрація Переваги ртутного способу: n Висока чистота водню, хлору та їдкого натру n Вища концентрація їдкого натру: 650 -700 г/л, порівняно з 120 -130 г/л при діафрагмовому способі

Недоліки ртутного способу: ØБільш висока вартість електролізних ванн ØТоксичність Недоліки ртутного способу: ØБільш висока вартість електролізних ванн ØТоксичність

Мембранний спосіб n Анод і катод повністю ізольовані один від одного іонообмінною мембраною, крізь Мембранний спосіб n Анод і катод повністю ізольовані один від одного іонообмінною мембраною, крізь яку не проникають молекули газу або рідини: мембрана пропускає тільки іони. n Якщо створити навколо мембрани електричне поле, то вона починає пропускати іони натрію, а іони хлору затримує. n На аноді виділяється хлор, на катоді – водень, у розчині залишається їдкий натр.

Перевага мембранного способу – висока чистота продукції, яку отримують цим способом Перевага мембранного способу – висока чистота продукції, яку отримують цим способом

3. 3. Гідроелектрометалургія 3. 3. Гідроелектрометалургія

Електрохімічним способом отримують: qмідь, qцинк, qнікель, qкобальт, qхром, qсрібло, qзолото, qолово, qсвинець, qкадмій. Електрохімічним способом отримують: qмідь, qцинк, qнікель, qкобальт, qхром, qсрібло, qзолото, qолово, qсвинець, qкадмій.

Електроліз ведуть з розчинними і нерозчинними анодами. Електроліз з нерозчинними анодами: n На катоді Електроліз ведуть з розчинними і нерозчинними анодами. Електроліз з нерозчинними анодами: n На катоді осідає чистий метал n На аноді виділяється галоген або кисень і регенерується відповідна кислота (наприклад, Н 2 SO 4 при електролізі з сірчанокислих електролітів)

Електроліз з розчинними анодами Використовується у випадках, коли потрібно очистити отриманий пірометалургійним шляхом чорновий Електроліз з розчинними анодами Використовується у випадках, коли потрібно очистити отриманий пірометалургійним шляхом чорновий метал від шкідливих домішок або видалити з нього цінні компоненти – електролітичне рафінування.

Електроліз з розчинними анодами: n Метал, який підлягає очищенню, виконує роль аноду. n Після Електроліз з розчинними анодами: n Метал, який підлягає очищенню, виконує роль аноду. n Після вмикання струму анод (метал) розчиняється, катіони металу переходять в електроліт і в результаті електролізу осідають на катоді у вигляді більш чистого металу. n Домішки металів переходять у розчин у невеликих кількостях або осипаються у вигляді шламу.

Стадії процесу гідроелектрометалургії: I. підготовка руди або концентрату з метою переведення їх в розчинну Стадії процесу гідроелектрометалургії: I. підготовка руди або концентрату з метою переведення їх в розчинну форму; II. розчинення (вилуження) руди; III. очищення отриманого розчину від шкідливих для електролізу домішок; IV. коригування електроліту; V. електроліз для отримання або рафінування металів.

Рафінування міді Ø У природі мідь зустрічається у вигляді сульфідних і окислених руд, з Рафінування міді Ø У природі мідь зустрічається у вигляді сульфідних і окислених руд, з яких пірометалургійним шляхом отримують чорнову мідь, яка містить 98, 0 -99, 5% Сu. Ø Чорнова мідь містить поряд з іншими домішками срібло і золото. 1 т. міді може містити 7 кг срібла і 50. . . 300 г золота.

Головний споживач міді електротехнічна промисловість використовує мідь високої якості (99, 92 -99, 96% Сu) Головний споживач міді електротехнічна промисловість використовує мідь високої якості (99, 92 -99, 96% Сu)

Електролітичне рафінування міді n В електролізерах як електроліт використовується сірчанокисла мідь (30. . . Електролітичне рафінування міді n В електролізерах як електроліт використовується сірчанокисла мідь (30. . . 50 г/л) та сірчана кислота (140. . . 200 г/л). n Поміщаються литі аноди з чорнової міді, між якими розміщують катоди з тонких листів електролітичної міді. n При електролізі аноди (мідь) розчиняються. n На катоді осідає лише чиста мідь. n У розчин також переходять метали (цинк, нікель, залізо, олово та ін. ). n Електропозитивні метали Аu та Ag у розчин не переходять, а випадають, у вигляді шламу.

n Під час електролізу в електроліті збільшується концентрація міді, тому частину електроліту періодично виводять n Під час електролізу в електроліті збільшується концентрація міді, тому частину електроліту періодично виводять з циклу і замінюють свіжим. n Отриманий при електролізі шлам надходить на переробку з метою вилучення золота та срібла. n Відпрацьований електроліт з високою концентрацію міді регенерують.