3. Электрометаллургические (электро­химические) процессы

К этой группе металлургических процессов относятся процессы получения металлов из электролитов (электролити­ческое осаждение или электроэкстракция) и очистки черновых металлов (электролитическое рафинирование), осуществляемые с помощью электрического тока. Оба вида процессов объединяются общим названием - электролиз, подчиняются общим законам и выполняются как в водных растворах, так и в расплавленных средах.

3.1. Электролитическое осаждение (электролиз с нерастворимым анодом)

Электролитическим осаждением называется процесс выделения металла на катоде при прохождении через электролит постоянного тока, при этом используется нерастворимый (свинцовый, угольный, титановый) анод.

При электролизе водных растворов электролитами обычно служат такие растворы, в которых металл присутствует в виде сульфата или хлорида, находящихся в дисссоциированном состоянии:

MeSO₄ Me²⁺ + SO₄^2-

MeCl₂ Me²⁺ + 2Cl^-

Часть молекул воды, как растворителя, тоже диссоциирует:

Н₂О Н⁺ + ОН^-

Находящиеся в растворе ионы под действием электрического тока движутся к электродам, на которых они теряют заряд, выделяясь в виде нейтральных атомов (молекул), например,

- на катоде:

Me²⁺ + 2e = Me или

2Н⁺ + 2e = Н₂

- на аноде:

2Сl^- - 2e = Cl₂ или

2OH^- - 2e = H₂O + 0,5O₂

Электролитическое осаждение (как и рафинирование) происходит в соответствии с законами Фарадея:

1) количество вещества m, прореагировавшего на электроде при пропускании постоянного электрического тока, пропорционально силе тока и длительности электролиза:

10*

m = k J = k q,

где k - электрохимический эквивалент (количество вещества, выделяемое одним кулоном: J = 1 A,  = 1 c); q = J  - электрический заряд, пропущенный через электролит;

2) при постоянном количестве пропущенного через электролит электричества массы прореагировавших веществ пропорциональны их химическим эквивалентам M / n, где М - молекулярная масса вещества, n - число электронов, участвующих в реакции; или, в другой редакции, для выделения грамм-эквивалента любого вещества (M / n) через электролит необходимо пропустить одно и то же количество электричества F, равное 96500 кулонов или 26,8 Ач (число Фарадея). Отсюда

k = M / F n

Таким образом, объединенный закон Фарадея можно выразить формулой:

то есть количество вещества, выделившееся на катоде m, прямо пропорционально количеству электричества q и химическому эквиваленту данного вещества M / n.

В практических условиях электролиза имеют место потери тока и m_пр меньше m_теор, вычисляемого по закону Фарадея. Отношение m_пр / m_теор называется коэффициентом использования тока или выходом по току (В_Т). Выход по току сложным образом зависит от целого ряда параметров электролиза: температуры, состава электролита, межполюсного расстояния и т.п.

Кроме понятия выхода по току, поскольку электрическая энергия W расходуется не только на электролиз, а также на преодоление омического сопротивления и поляризации (см. гл.2), введено понятие коэффициента использования энергии или выхода по энергии (В_э):

В_э = (W_теор / W_пр) 100 %,

где W_теор = J  E_p, а  - длительность электролиза.