7.2.2. Теория электролиза основана на законах Фарадея:

1-й закон Фарадея - количество вещества, выделяющееся на электродах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит;

m = k∙Q = m = M∙I∙τ/n∙F

где k-электрохимический эквивалент вещества (масса вещества, выделившаяся или растворившаяся с электрода, при прохождении одного кулона электричества) k = мг/Кл. Q - количество электричества = I∙τ; (А∙с). τ - время (с), F – число Фарадея Кл/моль (F = N_e∙e = 6,022045∙10²³ моль^-1, е = 1,6021892∙10^-19 Кл).

2-й закон Фарадея - при прохождении одного и того же количества электричества через разные электролиты, количества веществ, выделившиеся на электродах, пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ:

m₁:m₂ = k₁:k₂ = .

Из 2-го закона Фарадея следует, что для выделения эквивалента любого вещества требуется израсходовать одно и то же количество электричества. Это количество электричества называется числом Фарадея и равно 96500 Кл/моль.

(эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях).

Основными технологическими показателями электролиза и критериями рационального использования энергии служат:

выход по току;

степень использования энергии;

напряжение, приложенное к электролизёру.

1. Выходом по току η (% или доли единицы) называется отношение массы продукта, фактически полученной при электролизе, G_пр., к теоретической массе, G_т., которая должна получиться по законам Фарадея:

η = G_пр/G_т. · 100

G_т = I · τ · k

(k = E/3600)

2. Степенью использования энергии µ (%), называется отношение количества энергии W_т., теоретически необходимого для выделения единицы продукта, к практически затраченному количеству энергии, W_пр.:

µ = W_т./W_пр. ∙ 100

W_т = v_т∙I∙τ/G_т, W_пр. = v _пр.∙I∙τ/G _пр.

где v_{т и} v_пр. – теоретическое и практическое напряжение разложения, В.

v_пр. = (φ_ар – φ_кр) + φ_конц. + (φ_апер. – φ_кпер.) + ∑I∙R

φ_ар и φ_кр - равновесные потенциалы; [φ_кон + (φ_апер. – φ_кпер.)] перенапряжение за счет концентрационной поляризации, анодное и катодное перенапряжение; ∑I∙R - преодоление омических сопротивлений электролита, электродов, контактов и т.п.

7.3. Производство хлора, водорода и натрий гидроксида

Электролиз раствора хлорида натрия – простой и экономичный способ одновременного получения трёх важных веществ: хлора, гидроксида натрия и водорода из дешёвого и доступного природного сырья.

Хлор при нормальных условиях представляет собой газ жёлто-зелёного цвета с резким удушливым запахом.

Хлор служит исходным материалом для производства хлорорганических растворителей, пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон.

Хлор применяется:

в металлургии для хлорирующего обжига руд;

в текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки целлюлозы, бумажной массы и тканей;

для очистки и стерилизации сточных вод.

Гидроксид натрия – второй продукт электролиза – твёрдое непрозрачное вещество белого цвета, хорошо растворимое в воде; растворы гидроксида натрия имеют сильно щелочную реакцию.

Промышленность выпускает твёрдый гидроксид натрия, содержащий 92-95% NaOH и его водные растворы.

Гидроксид натрия широко применяется:

в промышленности органического синтеза,

в производстве искусственных волокон, целлюлозы и бумаги,

в нефтеперерабатывающей промышленности,

в производстве алюминия.

Сырьём для электрохимического производства хлора, гидроксида натрия и водорода служит концентрированный раствор (рассол), содержащий 305-310 г/дм³ хлорида натрия.

Электролиз раствора хлорида натрия реализуется в аппаратах двух типов: диафрагменных аппаратах с твёрдым стальным катодом или в бездиафрагменных аппаратах с жидким ртутным катодом. В том и другом случае применяют аноды из графита или аноды из титана, покрытые слоем оксида рутения.

Образующиеся при промышленном электролизе раствора хлорида натрия газообразные продукты (хлор и водород) при любом способе электролиза характеризуются высокой концентрацией H₂ и Cl₂.

При электролизе раствора хлорида натрия в электролизёре с ртутным катодом третий продукт - гидроксид натрия - также получается высококонцентрированным и химически чистым продуктом.

Способы электролиза насыщенного раствора хлорида натрия при использовании электролизёров двух типов отличаются друг от друга процессами, происходящими в катодном пространстве.