9

Лекция 7 Электрохимические производства.

1) Электротермические и электрохимические процессы.

2) Теоретические основы промышленного электролиза.

3) Производство хлора, водорода и натрий гидроксида.

7.1. Электротермические и электрохимические процессы.

До настоящего времени мы с вами рассматривали технологические процессы, в которых электрическая энергия использовалась для подсобных целей, т. е. для обеспечения и поддержания оптимальных физико-химических параметров технологических процессов.

Однако электрическую энергию используют непосредственно как движущую силу двух видов технологических процессов: электротермических и электрохимических.

Электротермическими называются технологические процессы, в которых энергия электрического тока используется для создания и поддержания высокой температуры реакционной системы, то есть превращается в теплоту, используемою для осуществления химических реакций.

Электрохимическими называются технологические процессы, в которых энергия электрического тока непосредственно используется для осуществления химических превращений, то есть трансформируется в химическую энергию.

Электрохимические процессы широко распространены в химической промышленности.

Преимущества электрохимических процессов:

1. простота аппаратурного оформления и технологии

2. малостадийность процесса

3. высокая степень использования сырья и энергии

4. одновременное получение из одного сырья нескольких целевых продуктов (процесс с расходящимся материальным потоком)

5. высокая частота производимой продукции

6. возможность получения продуктов, недоступных при использовании чисто химических методов (магний, натрий, алюминий).

Главный недостаток электрохимических методов: относительно высокая энергоёмкость процессов, которая и обусловливает основную долю себестоимости продуктов.

Электрохимические процессы используют для получения:

- свободных галогенов

- щелочей

- чистых кислорода и водорода

- неорганических окислителей (MeMnO₄ – перманганаты, H₂O₂ концентрированная, MeClO₃ – хлораты, MeClO₄ – перхлораты, персульфаты Me₂S₂O₈)

- активных металлов лития, натрия, калия, магния, алюминия, хрома;

- некоторых органических веществ (альдегидов, кетонов)

- защитных покрытий

- изготовления и размножения металлических копий (гальванопластика)

- электрического рафинирования (очистки) цветных металлов: меди, никеля, цинка, серебра;

Все электрохимические процессы получения каких-либо продуктов по своей природе представляют процессы электролиза расплавов и растворов электролитов и протекают под воздействием постоянного электрического тока.

Электролизом называется разложение электролитов постоянным электрическим током с образованием на электродах продуктов электрохимических реакций.

Электролиз растворов и расплавов широко применяется в различных отраслях промышленности: в химической, металлургической и металлообрабатывающей промышленности.

7.1.1. Электролиз

Электроды присоединяются к внешнему источнику электрического тока следующим образом:

анод - к положительному полюсу;

катод - к отрицательному полюсу.

При наличии напряжения на электродах катионы электролита движутся к катоду, а анионы – к аноду.

Химическая сущность электролиза заключается в окислительно-восстановительных реакциях.

На аноде анионы отдают электроны, т. е. окисляются.

На катоде катионы принимают электроны, т. е. восстанавливаются.

В результате этого на электродах разряжаются ионы с образованием газообразных, жидких или твёрдых электрически нейтральных веществ.

При этом идёт диссоциация новых молекул электролита, и восстанавливается равновесие, нарушенное при разряде ионов.

В зависимости от цели процесса электроды могут быть изготовлены из различных материалов: металлов или графита.

Металлические электроды могут быть растворимыми и нерастворимыми.

Растворимые электроды принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, протекающих при электролизе, а нерастворимые – нет.

Если металлический анод растворим в электролите, то равновесие диссоциации восстанавливается путём перехода в раствор катионов металла анода.

В электролите обычно присутствует несколько видов ионов. В водных растворах электролитов присутствуют молекулы воды (слабый электролит) и катионы металлов или ионы водорода, а также анионы кислот и гидроксогруппы (результаты диссоциации сильных электролитов: солей, кислот и щелочей).

При электролизе водных растворов электролитов катионы движутся к катоду. На катоде конкурируют процессы восстановления ионов металлов и водорода из воды:

Mtⁿ⁺ + nê = Me

2H₂O + 2ê = H₂ + 2OH^-

Анионы при электролизе подходят к аноду. На аноде конкурируют процессы окисления анионов и кислорода из воды:

2Cl^- - 2ê = Cl₂

2H₂O - 4ê = O₂ + 4H⁺

На катоде в первую очередь восстанавливаются более сильные окислители.

На аноде в первую очередь окисляются более сильные восстановители.

Для теоретического предсказания схемы электролиза в общем случае нужно рассчитывать напряжение разложения.

В первую очередь идут процессы, требующие меньшего напряжения разложения.