Pertanyaan tentang elektrolisis apa yang dipertimbangkan dalam kursus fisika sekolah, dan bagi kebanyakan orang itu bukan rahasia. Hal lain adalah pentingnya dan aplikasi praktis. Proses ini sangat bermanfaat dalam berbagai industri dan dapat bermanfaat bagi pengrajin rumah.
Isi
Apa itu elektrolisis?
Elektrolisis adalah kompleks proses spesifik dalam sistem elektroda dan elektrolit ketika arus listrik langsung mengalir melaluinya. Mekanismenya didasarkan pada terjadinya arus ionik. Elektrolit adalah konduktor tipe 2 (konduktivitas ionik) di mana disosiasi elektrolitik terjadi. Hal ini terkait dengan dekomposisi menjadi ion dengan positif (kation) dan negatif (anion) mengenakan biaya.
Sistem elektrolisis harus mengandung positif (anoda) dan negatif (katoda) elektroda. Ketika arus listrik searah diterapkan, kation mulai bergerak menuju katoda, dan anion - menuju anoda. Kation terutama ion logam dan hidrogen, dan anion adalah oksigen, klorin. Di katoda, kation menempelkan kelebihan elektron ke dirinya sendiri, yang memastikan terjadinya reaksi reduksi Men+ + ne → Me (di mana n adalah valensi logam). Di anoda, sebaliknya, sebuah elektron disumbangkan dari anion dengan reaksi oksidatif yang terjadi.
Dengan demikian, proses redoks disediakan dalam sistem. Penting untuk mempertimbangkan bahwa untuk alirannya, diperlukan energi yang sesuai. Itu harus disediakan oleh sumber arus eksternal.
Hukum Faraday tentang elektrolisis
Fisikawan hebat M. Faraday, dengan penelitiannya, memungkinkan tidak hanya untuk memahami sifat elektrolisis, tetapi juga membuat perhitungan yang diperlukan untuk implementasinya. Pada tahun 1832, hukumnya muncul, menghubungkan parameter utama dari proses yang sedang berlangsung.
hukum pertama
Hukum pertama Faraday menyatakan bahwa massa zat yang direduksi di anoda berbanding lurus dengan muatan listrik yang diinduksi dalam elektrolit: m = kq = k*I*t, di mana q adalah muatan, k adalah koefisien atau ekivalen elektrokimia zat, I adalah kekuatan arus yang mengalir melalui elektrolit, t adalah waktu tempuh arus.
Hukum kedua
Hukum kedua Faraday memungkinkan untuk menentukan koefisien proporsionalitas k. Kedengarannya seperti ini: ekivalen elektrokimia dari zat apa pun berbanding lurus dengan massa molarnya dan berbanding terbalik dengan valensi. hukum dinyatakan sebagai:
k = 1/F*A/z, di mana F adalah konstanta Faraday, A adalah massa molar zat, z adalah valensi kimianya.
Dengan mempertimbangkan kedua hukum tersebut, dimungkinkan untuk memperoleh rumus akhir untuk menghitung massa yang disimpan pada elektroda zat: m = A*I*t/(n*F), di mana n adalah jumlah elektron yang terlibat dalam elektrolisis. Biasanya n sesuai dengan muatan ion. Dari sudut pandang praktis, hubungan antara massa suatu zat dan arus yang diberikan adalah penting, yang memungkinkan untuk mengontrol proses dengan mengubah kekuatannya.
Elektrolisis leleh
Salah satu pilihan untuk elektrolisis adalah penggunaan lelehan sebagai elektrolit. Dalam hal ini, hanya ion leleh yang berpartisipasi dalam proses elektrolisis. Contoh klasik adalah elektrolisis lelehan garam NaCl (garam). Ion negatif bergegas ke anoda, yang berarti bahwa gas dilepaskan (Cl). Reduksi logam akan terjadi pada katoda, yaitu pengendapan Na murni yang terbentuk dari ion positif yang telah menarik elektron berlebih. Logam lain dapat diperoleh dengan cara yang sama (K, Ca, Li, dll.) dari pembantaian garam yang sesuai.
Selama elektrolisis dalam lelehan, elektroda tidak mengalami pelarutan, tetapi hanya berpartisipasi sebagai sumber arus. Dalam pembuatannya, Anda dapat menggunakan logam, grafit, beberapa semikonduktor. Adalah penting bahwa bahan tersebut memiliki konduktivitas yang cukup. Salah satu bahan yang paling umum adalah tembaga.
Fitur elektrolisis dalam larutan
Elektrolisis dalam larutan berair berbeda secara signifikan dari lelehan. Tiga proses bersaing berlangsung di sini: oksidasi air dengan evolusi oksigen, oksidasi anion, dan pembubaran anodik logam. Ion air, elektrolit dan anoda terlibat dalam proses.Dengan demikian, reduksi hidrogen, kation elektrolit, dan logam anoda dapat terjadi di katoda.
Kemungkinan terjadinya proses-proses yang bersaing ini tergantung pada besarnya potensial listrik sistem. Hanya proses yang membutuhkan lebih sedikit energi eksternal yang akan dilanjutkan. Akibatnya, kation dengan potensial elektroda maksimum akan berkurang di katoda, dan anion dengan potensi terendah akan teroksidasi di anoda. Potensial elektroda hidrogen diambil sebagai "0". Misalnya, untuk kalium adalah (-2.93V), natrium - (-2.71V), memimpin (-0,13V), sedangkan perak memiliki (+0,8 V).
Elektrolisis dalam gas
Gas dapat memainkan peran elektrolit hanya dengan adanya ionizer. Dalam hal ini, arus yang melewati media terionisasi menyebabkan proses yang diperlukan pada elektroda. Namun, hukum Faraday tidak berlaku untuk elektrolisis gas. Untuk implementasinya, kondisi berikut diperlukan:
- Tanpa ionisasi buatan dari gas, baik tegangan tinggi maupun arus tinggi tidak akan membantu.
- Hanya asam yang tidak mengandung oksigen dan berada dalam keadaan gas, dan beberapa gas cocok untuk elektrolisis.
Penting! Ketika kondisi yang diperlukan terpenuhi, proses berlangsung mirip dengan elektrolisis dalam elektrolit cair.
Fitur proses yang terjadi di katoda dan anoda
Untuk aplikasi praktis elektrolisis, penting untuk memahami apa yang terjadi pada kedua elektroda ketika arus listrik diterapkan. Proses yang khas adalah:
- Katoda. Ion bermuatan positif bergegas ke sana. Di sini, reduksi logam atau evolusi hidrogen terjadi. Ada beberapa kategori logam menurut aktivitas kationiknya.Logam seperti Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al tereduksi dengan baik hanya dari garam cair. Jika larutan digunakan, maka hidrogen dilepaskan karena elektrolisis air. Dimungkinkan untuk mencapai reduksi dalam larutan, tetapi dengan konsentrasi kation yang cukup, untuk logam berikut - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Proses berlangsung paling mudah untuk Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Anoda. Ion bermuatan negatif memasuki elektroda ini. Teroksidasi, mereka mengambil elektron dari logam, yang mengarah ke pembubaran anodik mereka, yaitu. transisi menjadi ion bermuatan positif, yang dikirim ke katoda. Anion juga diklasifikasikan menurut aktivitasnya. Anion seperti PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F hanya dapat dilepaskan dari lelehan.Dalam larutan berair, bukan mereka yang mengalami elektrolisis, tetapi air dengan pelepasan oksigen. Anion seperti OH, Cl, I, S, Br bereaksi paling mudah.
Saat memastikan elektrolisis, penting untuk memperhitungkan kecenderungan bahan elektroda untuk teroksidasi. Dalam hal ini, anoda inert dan aktif menonjol. Elektroda inert terbuat dari grafit, karbon atau platinum dan tidak berpartisipasi dalam penyediaan ion.
Faktor-faktor yang mempengaruhi proses elektrolisis
Proses elektrolisis tergantung pada faktor-faktor berikut:
- Komposisi elektrolit. Berbagai kotoran memiliki efek yang signifikan. Mereka dibagi menjadi 3 jenis - kation, anion dan organik. Zat bisa lebih atau kurang negatif dari logam dasar, yang mengganggu proses. Di antara kotoran organik, polutan (misalnya minyak) dan surfaktan menonjol. Konsentrasi mereka memiliki nilai maksimum yang diizinkan.
- kepadatan arus. Sesuai dengan hukum Faraday, massa zat yang disimpan meningkat dengan meningkatnya kekuatan arus. Namun, keadaan yang tidak menguntungkan muncul - polarisasi terkonsentrasi, peningkatan tegangan, pemanasan elektrolit yang intens. Dengan mengingat hal ini, ada nilai kerapatan arus yang optimal untuk setiap kasus tertentu.
- pH elektrolit. Keasaman lingkungan juga dipilih dengan mempertimbangkan logam. Misalnya, nilai keasaman elektrolit yang optimal untuk seng adalah 140 g/cu.dm.
- Suhu elektrolit. Ini memiliki efek ambigu. Dengan peningkatan suhu, laju elektrolisis meningkat, tetapi aktivitas pengotor juga meningkat. Ada suhu optimal untuk setiap proses. Biasanya berada di kisaran 38-45 derajat.
Penting! Elektrolisis dapat dipercepat atau diperlambat oleh berbagai pengaruh dan pemilihan komposisi elektrolit. Setiap aplikasi memiliki rejimennya sendiri, yang harus diperhatikan dengan ketat.
Di mana elektrolisis digunakan?
Elektrolisis digunakan di banyak bidang. Ada beberapa area penggunaan utama untuk mendapatkan hasil praktis.
Elektroplating
Pelapisan logam yang tipis dan tahan lama dapat diterapkan dengan elektrolisis. Produk yang akan dilapisi dipasang di bak dalam bentuk katoda, dan elektrolitnya mengandung garam dari logam yang diinginkan. Jadi Anda bisa menutupi baja dengan seng, kromium atau timah.
Pemurnian listrik - pemurnian tembaga
Contoh pembersihan listrik dapat menjadi opsi berikut: katoda - tembaga murni anoda - tembaga dengan kotoran, elektrolit - larutan tembaga sulfat dalam air. Tembaga dari anoda masuk ke ion dan mengendap di katoda sudah tanpa kotoran.
Penambangan logam
Untuk mendapatkan logam dari garam, mereka dipindahkan ke lelehan, dan kemudian elektrolisis disediakan di dalamnya. Metode seperti ini cukup efektif untuk memperoleh aluminium dari bauksit, natrium dan kalium.
Anodisasi
Dalam proses ini, pelapis dibuat dari senyawa non-logam. Contoh klasik adalah anodisasi aluminium. Bagian aluminium dipasang sebagai anoda. Elektrolitnya adalah larutan asam sulfat. Sebagai hasil dari elektrolisis, lapisan aluminium oksida diendapkan pada anoda, yang memiliki sifat pelindung dan dekoratif. Teknologi ini banyak digunakan di berbagai industri. Anda dapat melakukan proses dengan tangan Anda sendiri sesuai dengan peraturan keselamatan.
Biaya energi
Elektrolisis membutuhkan biaya energi yang tinggi. Proses ini akan bernilai praktis jika arus anoda mencukupi, dan untuk ini perlu diterapkan arus searah yang signifikan dari sumber daya. Selain itu, ketika dilakukan, terjadi kerugian tegangan samping - tegangan lebih anoda dan katoda, kerugian pada elektrolit karena hambatannya. Efisiensi instalasi ditentukan dengan menghubungkan daya konsumsi energi dengan satuan massa yang berguna dari zat yang diperoleh.
Elektrolisis telah digunakan dalam industri untuk waktu yang lama dan dengan efisiensi tinggi. Pelapis anodized dan electroplated telah menjadi hal yang biasa dalam kehidupan sehari-hari, dan penambangan serta pemanfaatan material membantu mengekstraksi banyak logam dari bijih. Prosesnya dapat direncanakan dan diperhitungkan, mengetahui pola utamanya.
Artikel serupa:
