ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА. ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ

Прохождение постоянного тока через проводники второго рода вы­зывает химическое разложение вещества. На электродах при этом образуются продукты окисления — восстановления. На положи­тельном электроде (аноде) протекает окисление, на отрицательном (катоде) — восстановление. Процесс разложения вещества под дей­ствием постоянного электрического тока называется электролизом.

Явление электролиза впервые было"изучено Фарадеем, которо­му принадлежит честь открытия двух фундаментальных законов электрохимии. Им же предложены и термины, применяемые до сих пор: электролиз, электролизер (сосуд, в котором происходит элект­ролиз), электролит, анод, катод, анион (отрицательно заряженный ион, движущийся к аноду), катион (положительно заряженный ион, движущийся к катоду). Покажем сущность явления электролиза на примере электролиза раствора хлорной меди. Данная соль в воде диссоциирует на ионы по схеме

CuCl2—>Си++ -)-2С1~

Источник тока принимает электроны от анода и направляет их на катод, заряжая тем самым анод положительно, а катод — отри­цательно. Положительно заряженные ионы меди двигаются к от­рицательно заряженному катоду и разряжаются там за счет избы­точных электронов катода

Cu++-j-2e —>Cu

Таким образом, на катоде происходит процесс восстановления меди (присоединение электронов к ионам Си++), которая выделя­ется на данном электроде в виде металла.

Отрицательно заряженные ионы хлора в то же время двигаются к положительно заряженному аноду и, отдавая ему своп заряд, превращаются в нейтральные атомы, которые соединяются затем в молекулы хлора

2СГ->С12 + 2е

Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков газа. Таким образом, на аноде наблюдается процесс окисления ионов хлора (потери электронов).

Суммарный процесс на обоих электродах сводится к разложе­нию хлорной меди

CuCl2—» Cu-fCl2f

В раство - на гна ре катоде аноде

В процессе электролиза, как правило, происходит также разло­жение воды.

Как известно, вода частично диссоциирована на ионы Н20-*Н+ + 0ЬГ Водородные ионы восстанавливаются на катоде

2H+-f2e—> Н2 Гидроксильные ионы окисляются на аноде 40Н~-*2Н20 + 02 + 4е

Суммарный процесс разложения воды записывается в виде

2Н20 —>2Н2 + 02

Таким образом, в процессе электролиза водного раствора хлор­ной меди на аноде наряду с хлором выделяется также кислород, а на катоде (кроме меди) — водород. До сих пор предполагалось, что электролиз раствора СиС12 проводится с нерастворимым ано­дом, например, изготовленным из платины. Если в качестве анода применить медную пластину (растворимый анод), то в процессе электролиза происходит также растворение (окисление) анода: пе­реход меди в раствор в виде двухвалентных ионов

Си —»Си++ + 2е

Согласно первому закону Фарадея, количество вещества, кото­рое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропор­ционально количеству протекшего электричества

M = a-Q, (10) где т — количество граммов вещества, которое окисляется или восстанавливается у электродов при прохождении Q кулонов элек­тричества; а— коэффициент пропорциональности, зависящий от эквивалентной массы (атомная масса, деленная на валентность).

Согласно второму закону Фарадея, количество окисляющихся или восстанавливающихся на электродах веществ при прохождении одного и того же количества электричества пропорционально эк­вивалентным массам этих веществ

Т = ЬМ, (И)

Где М — эквивалентная масса данного вещества; b — коэффициент пропорциональности, зависящий от величины Q.

Общим выражением для обоих законов служит уравнение

M = cMQ, (12)

Где коэффициент с зависит только от единиц измерения величин т и Q.

Если т выражено в граммах, a Q — в кулонах, то с представ­ляет собой количество вещества, окисляющегося на аноде или вос­станавливающегося на катоде при прохождении одного кулона электричества. Количество вещества, окисляющееся или восстанав­ливающееся на электродах при прохождении единицы количества электричества, называется электрохимическим эквивалентом этого вещества.

Электрохимические эквиваленты ряда веществ, выраженные в мг/Кл и г/А-ч, приведены в табл. 2, там же приведены атомная мас­са, валентность и эквивалентная масса этих веществ.

При пг=М из уравнения (12) следует, что

Q=—=F, (13)

С

Где F — количество электричества, при прохождении которого у каждого из электродов окисляется или восстанавливается один грамм-эквивалент вещества; это количество электричества, равное 96 500 кулонам (26,8 А-ч), называется числом Фарадея или фара­деєм.

Из уравнений (12) и (13) следует, что

M=MQ_ = cQ = cItt (14)

Где 1 — сила тока; t — время.

Уравнение (14) позволяет найти m для данного вещества при прохождении через электролизер Q кулонов электричества или най­ти Q, если известно т.

Электролизеры, служащие для определения количества элект­ричества, называются кулометрами. Для точной работы кулометров необходимо, чтобы в нем протекал лишь один электрохимический

Таблица 2

Электрохимические эквиваленты простых веществ

О CJ О к

І Я

S

С

Ис

Электрохимический

Металл

И CJ в =■

Я

X

1 ^

К я

S я

X о

S-<

О

X

И

= я

К U И Я

Мг/Кл

Г/А - ч

X о

< 3

Ее

Я5 Е

Водород..................

Н

1,008

1

1,008

0,010

0,0376

Железо.....................

Fe

55,85

3

18,61

0,193

0,694

Кислород................

О

16,0

2

8,0

0,083

0,298

Никель....................

58,69

2

29,34

0,304

1,095

Свинец.....................

РЬ

207,21

2

103,60

1,074

3,86

Серебро..................

Ag

107,88

1

107,88

1,118

4,025

Цинк........................

Zn

65,38

2

32,69

0,339

1,22

Медь........................

Си

63,57

2

31,78

0,329

1,186

Ртуть......................

Hg

200,61

2

100,30

1,039

3,74

Процесс без каких-либо побочных реакций и чтобы продукты элект­ролиза были доступны точному взвешиванию или измерению.

Этим условиям удовлетворяет ряд кулометров (серебряный, медный, ртутный и т. д.). Простейшим и доступнейшим из них яв­ляется медный кулометр. Электролитом 'для данного кулометра служит 10—20%-ный водный раствор сернокислой меди, в кото­рый добавляется серная кислота из расчета 50 г на 1 л электролита для увеличения электропроводности раствора. Материалом для электродов служит медь.

Поверхность катода должна быть в несколько раз меньше по­верхности анода. Катод кулометра взвешивается дважды: до и после электролиза. Разность масс, равная массе металла, осажден­ного в результате прохождения тока, позволяет определить по фор­муле (14) количество электричества, пропущенного в течение элект­ролиза. Медный кулометр находит широкое применение в электро­химической практике.

Как было показано на примере электролиза раствора СиСЬ, на электродах при электролизе часто протекает несколько электрохи­мических процессов, один из которых в зависимости от назначения электролиза считается главным, а остальные рассматриваются как побочные.

При электроосаждении металлов часть электричества расходу­ется на выделение водорода. Для этих процессов главным является осаждение металла, а побочным — выделение водорода.

При электролизе воды главным процессом на катоде является, наоборот, выделение водорода, а другие возможные процессы, на­пример восстановление металлических примесей, относятся к числу побочных.

При заряде аккумулятора на последней стадии процесса заряда значительная часть электричества расходуется на газовыделение и лишь малая часть его — на основной процесс.

Законы Фарадея не указывают, какое из веществ в растворе подвергается при электролизе изменению, а только выражают за­висимость между прошедшим количеством электричества и коли­чеством грамм-эквивалентов всех веществ, претерпевающих хими­ческие изменения в результате электролиза. Следовательно, при применении законов Фарадея должны быть учтены как главные, так и побочные процессы.

Однако поскольку электролиз ведется с целью получения какого - либо определенного продукта, появляется необходимость в опреде­лении доли израсходованного на этот процесс электричества.

Для этого было введено понятие выхода по току (г|г), который равен отношению количества вещества, фактически полученного при электролизе (Шф), к теоретическому количеству его (тт), рас­считанному по закону Фарадея

. (15)

Тх

Подставляя вместо тТ эквивалентную ему величину из уравнения (14) и выражая г\і в процентах, получим

Ть = ^-100. (16)

CQ

Выход по току в большинстве случаев меньше 100%.

В электрохимических расчетах часто пользуются величинами катодной и анодной плотностей тока, определяя их как силу тока, приходящуюся на единицу площади данного электрода

£>„='/?„=' (17)

Где А< и Da_ — катодная и анодная плотности тока, А/дм2; 5К и Sa — площади катода и анода, дм2.

В ряде случаев, например, если продукты реакции при электро­лизе остаются растворенными в электролите, важно знать силу тока, приходящуюся на единицу объема электролита. Эта величина называется концентрацией тока, или объемной плотностью тока, и определяется соотношением

I = y, (18)

Где / — сила тока, А; У — объем электролита, л; і — объемная плот­ность тока, А/л.

Если анод отделен от катода пористой перегородкой, то разли­чают объемную плотность тока в катодном (г'к) и анодном (г'а) про­странстве (католите и анолите) и тогда

«'к=-f, 4 = (19)

У к 1 а

Где VK п Va — объемы католита и анолита соответственно.

Широкое применение законы Фарадея находят в прикладной электрохимии для нахождения количества осаждающегося при эле­ктролизе металла, толщины получаемых покрытий, продолжитель­ности процесса электролиза и т. д.

В гальванотехнике, например, пользуются следующими форму­лами:

Определение массы подлежащего осаждению металла т= 108vS, (20)

Определение массы осаждаемого металла в зависимости от вре­мени электролиза, силы тока и выхода по току

, (21)

100

Определение толщины слоя металла, отлагаемого на катоде, в зависимости от плотности тока и времени электролиза

5= cDxtr> , (22)

1000v

Определение времени, необходимого для получения слоя опре­деленной толщины при данной плотности тока,

T= Sv'1000 , (23)

С Ал

Определение силы тока, необходимой для получения слоя опре­деленной толщины в заданное время, Sv-1000

(24)

Ctri

Определение выхода по току

T|=-2L.100. (25)

Cit

В формулах (20) — (25) приняты следующие обозначения: m — масса металла, г; с — электрохимический эквивалент, г/А-ч; / — сила тока, A; t — время электролиза, ч; г| — выход по току, %; DK — катодная плотность тока, А/дм2; б — толщина слоя покрытия, мм; v — плотность осаждаемого металла, кг/м3; 5 — поверхность, подлежащая покрытию, дм2.

Формулы (21) и (25) отличаются от формулы (14) наличием в них выхода по току в данных условиях электролиза; формулы (22) и (23) получены из равенства правых частей формул (20) и (21) с учетом формулы (17).

Перейдем теперь к решению ряда типовых задач и примеров, ос­нованных на законах электролиза.

1. Найти массу олова, осажденного на поверхности размером 15 дм2, тол­щиной слоя 0,015 мм.

Подставляя в формулу (20) приведенные в условиях задачи значения тол­щины слоя олова, размер поверхности и плотность олова 7.3, получим

Т= 106yS= 10-0,015-7,3-15 = 16,425 г.

2. Найти массу осадка серебра, толшпна слоя 0,01 мм, осажденного на изде­лиях с общей поверхностью 25 дм2.

Подставляя в формулу (20) данные из условий задачи и учитывая, что плот­ность серебра составляет 10,5, получим

Т= 10ByS= 10-0,01-10,5-25 = 26,25 г.

3. Сколько меди выделится из раствора сернокислой меди при пропускании через ванну 125 Кл?

Согласно формуле (14) m = cQ. Подставляя вместо с значенне электрохими­ческого эквивалента меди — 0,329 мг/Кл и вместо Q — количество кулоиов по условиям задачи, получим количество выделившегося металла

Т = 0,329-125 = 41,1 мг.

4. Сколько металла выделится на 1 дм2 поверхности изделия в никелевой ванне, если плотность тока £>к =1,8 А/дм2, продолжительность покрытия / = 0,75 ч; выход по току г) = 90%, электрохимический эквивалент никеля с= 1,095 г/А-ч.

Подставляя значение перечисленных величин в формулу (21), получим

1,095-1,8-0,75-90 т = — = 1,35 г/см2.

5. Чему равна толщина слоя цинкового покрытия, полученного в течение 1,5 ч при плотности тока 0,75 А/дм2 и при выходе по току 90%? Задача решает­ся с помощью уравнения (22):

CDKti] 1,22-0,75-1,5-90 Ї = --------- = = 0,018 мм.

ЮООу 1000-7

6. При прохождении через ваину 53,6 А-ч электричества на катоде выдели­лось 200 г свинца. Найти выход по току.

По закону Фарадея при пропускании 26,8 А-ч на катоде должен выделиться 1 грамм-эквивалент (103,6 г) свинца, а 53,6 А-ч электричества должно выделить* соответственно 2 грамм-эквивалента, т. е. 207,2 г свинца. Так как фактически выделившееся количество свинца составило 200 г, то выход по току равен отно - 200

Шению — = 0,965, или 96,5% .

ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АККУМУЛЯТОРОВ

Как правильно выбрать аккумулятор

В современном мире существует огромное количество техники, важными элементами которой являются аккумуляторы. Рано или поздно без них выходят из строя все приборы и теряют свои функциональные возможности. Сульфатация пластин – …

Самые надёжные аккумуляторы Mutlu AGM

Самые надёжные аккумуляторы Mutlu AGM. На сайте АЕТ представлены аккумуляторы Mutlu AGM нескольких ёмкостей, чтобы клиент мог подобрать необходимый размер, для установки на свой автомобиль.

Отличительные особенности аккумуляторов Inci Aku: FormulA и SuprA

Две самые востребованные серии автомобильных стартерных аккумуляторов для легковых и грузовых коммерческих автомобилей турецкого производителя Inci Aku пользуются неизменной популярностью у водителей, которые привыкли видеть у себя под капотом высокое …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.