Électrolyse - principe d'action, but et application
Procédés d'électrolyse
L'électrolyse est très répandue dans la métallurgie des métaux non ferreux et dans un certain nombre d'industries chimiques. Les métaux tels que l'aluminium, le zinc, le magnésium sont obtenus principalement par électrolyse. De plus, l'électrolyse est utilisée pour raffiner (purifier) le cuivre, le nickel, le plomb, ainsi que pour produire de l'hydrogène, de l'oxygène, du chlore et un certain nombre d'autres produits chimiques.
L'essence de l'électrolyse est la séparation des particules de la substance de l'électrolyte lorsqu'un courant continu traverse le bain électrolytique et leur dépôt sur des électrodes immergées dans le bain (électroextraction) ou lorsque des substances sont transférées d'une électrode à travers l'électrolyte à une autre ( affinage électrolytique). Dans les deux cas, le but des procédés est d'obtenir des substances les plus pures possibles et non contaminées par des impuretés.
En revanche conductivité électronique métaux dans les électrolytes (solutions de sels, acides et bases dans l'eau et dans certains autres solvants, ainsi que dans les composés fondus), on observe une conductivité ionique.
Les électrolytes sont des conducteurs de seconde classe.Dans ces solutions et fondus, une dissociation électrolytique a lieu - la désintégration des ions chargés positivement et négativement.
Si des électrodes connectées à une source d'énergie électrique sont placées dans un récipient avec un électrolyte - un électrolyseur, un courant ionique commencera à y circuler et des ions chargés positivement - les cations se déplaceront vers la cathode (il s'agit principalement de métaux et d'hydrogène ), et des ions chargés négativement - anions (chlore, oxygène) - à l'anode.
A l'anode, les anions cèdent leur charge et deviennent des particules neutres qui se déposent sur l'électrode. A la cathode, les cations prélèvent des électrons sur l'électrode et sont également neutralisés en se déposant dessus, et les gaz libérés sur les électrodes sous forme de bulles remontent.
Riz. 1. Processus pendant l'électrolyse. Circuit de bain électrique : 1 — bain, 2 — électrolyte, 3 — anode, 4 — cathode, 5 — alimentation
Le courant électrique dans le circuit externe est le mouvement des électrons de l'anode à la cathode (Fig. 1). Dans ce cas, la solution est épuisée et, pour maintenir la continuité du processus d'électrolyse, elle doit être enrichie. C'est ainsi que certaines substances sont extraites de l'électrolyte (électroextraction).
Si l'électrode est placée dans une solution avec des ions de la même substance à partir de laquelle elle est fabriquée, alors à un certain potentiel entre l'électrode et la solution, ni l'électrode ne se dissout ni la substance ne se dépose dessus à partir de la solution.
Ce potentiel est appelé potentiel normal de la substance. Si un potentiel plus négatif est appliqué à l'électrode, la libération d'une substance (processus cathodique) commencera sur celle-ci, mais si elle est plus positive, sa dissolution commencera (processus anodique).
La valeur des potentiels normaux dépend de la concentration en ions et de la température. Il est généralement admis de considérer que le potentiel normal de l'hydrogène est nul. Le tableau 1 montre les potentiels d'électrode normaux de certaines solutions aqueuses de substances à + 25 ° C.
Tableau 1. Potentiels normaux d'électrode à + 25 ° C
Si l'électrolyte contient des ions de métaux différents, les ions à potentiel normal négatif inférieur (cuivre, argent, plomb, nickel) sont d'abord séparés à la cathode ; les métaux alcalino-terreux sont les plus difficiles à isoler. De plus, il y a toujours des ions hydrogène dans les solutions aqueuses, qui seront libérés plus tôt que tous les métaux à potentiel normal négatif, par conséquent, lors de l'électrolyse de ces derniers, une partie importante, voire la majeure partie de l'énergie est dépensée pour la libération d'hydrogène .
A l'aide de mesures spéciales, il est possible d'empêcher le dégagement d'hydrogène dans certaines limites, mais les métaux dont le potentiel normal est inférieur à 1 V (par exemple, le magnésium, l'aluminium, les métaux alcalino-terreux) ne peuvent pas être obtenus par électrolyse à partir d'un solution aqueuse. Ils sont obtenus par décomposition des sels fondus de ces métaux.
Potentiels d'électrode normaux des substances indiquées dans le tableau.1, sont minimales à partir desquelles le processus d'électrolyse commence, en pratique de grandes valeurs du potentiel sont nécessaires pour le développement du processus.
La différence entre le potentiel réel d'une électrode pendant l'électrolyse et son potentiel normal est appelée surtension. Il augmente les pertes d'énergie lors de l'électrolyse.
Par contre, l'augmentation de la surtension pour les ions hydrogène rend difficile leur libération à la cathode, ce qui permet d'obtenir par électrolyse à partir de solutions aqueuses un certain nombre de métaux plus négatifs que l'hydrogène, comme le plomb, l'étain, le nickel , cobalt, chrome et même zinc. Ceci est réalisé en conduisant le processus à des densités de courant accrues sur les électrodes, ainsi qu'en introduisant certaines substances dans l'électrolyte.
Le déroulement des réactions cathodiques et anodiques au cours de l'électrolyse est déterminé par les deux lois de Faraday suivantes.
1. La masse de la substance md libérée lors de l'électrolyse dans la cathode ou passée de l'anode à l'électrolyte est proportionnelle à la quantité d'électricité passée dans l'électrolyte Azτ : me = α/τ, ici a est l'équivalent électrochimique de la substance , g/C.
2. La masse de la substance libérée lors de l'électrolyse avec la même quantité d'électricité est directement proportionnelle à la masse atomique de la substance A et inversement proportionnelle à sa valence n : mNS = A / 96480n, ici 96480 est le nombre de Faraday, C x mol -1 .
Ainsi, l'équivalent électrochimique d'une substance α= A / 96480n représente la masse d'une substance en grammes libérée par une unité de quantité d'électricité traversant le bain électrolytique — un coulomb (ampère-seconde).
Pour le cuivre A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g / C, pour le nickel α =0,000304 g / C, pour le zinc α = 0,00034 g / C
Le rapport de la masse de la substance réellement libérée à sa masse qui aurait dû être libérée selon la loi de Faraday est appelé le rendement actuel de la substance η1.
Donc, pour un processus réel mNS = η1 NS (A/96480n) NS It
Naturellement, toujours η1
L'efficacité du courant dépend de manière significative de la densité de courant de l'électrode. Lorsque la densité de courant d'électrode augmente, l'efficacité du courant augmente et l'efficacité du processus augmente.
La tension Uel qui doit être fournie à l'électrolyseur est composée de : la tension de claquage Ep (différence de potentiel des réactions anodique et cathodique), la somme des surtensions anodique et cathodique, la chute de tension dans l'électrolyte Ep, la chute de tension dans l'électrolyte Ue = IRep (Rep — résistance électrolytique), chute de tension dans les pneus, les contacts, les électrodes Uc = I(Rw +Rto +RNS). On obtient : Uel = Ep + Ep + Ue + Us.
La puissance consommée lors de l'électrolyse est égale à : Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)
De cette puissance, seul le premier composant est utilisé pour conduire des réactions, le reste étant des pertes de chaleur du procédé. Ce n'est que lors de l'électrolyse des sels fondus qu'une partie de la chaleur dégagée dans l'électrolyte IUe est utilement utilisée, puisqu'elle est dépensée pour faire fondre les sels chargés dans l'électrolyseur.
L'efficacité du bain d'électrolyse peut être estimée par la masse de substance en grammes libérée par 1 J d'électricité consommée.Cette valeur est appelée le rendement énergétique d'une substance. Elle peut être trouvée par l'expression qe = (αη1) /Uel100, ici α — équivalent électrochimique d'une substance, g / C, η1 — courant de sortie, Uemail — tension d'un électrolyte cellule, v.