전기 분해가 무엇인지에 대한 질문은 학교 물리학 과정에서 고려되며 대부분의 사람들에게는 비밀이 아닙니다. 또 다른 것은 그 중요성과 실제 적용입니다. 이 과정은 다양한 산업 분야에서 큰 이점으로 사용되며 가정 장인에게 유용할 수 있습니다.
콘텐츠
전기분해란?
전기 분해는 직류 전류가 흐를 때 전극 및 전해질 시스템의 특정 프로세스의 복합체입니다. 그 메커니즘은 이온 전류의 발생을 기반으로 합니다. 전해질은 유형 2 도체(이온 전도도) 전해 해리가 발생합니다. 이것은 양이온으로 분해되는 것과 관련이 있습니다(양이온) 및 음수(음이온) 요금.
전기 분해 시스템은 반드시 양의 (양극) 및 음수(음극) 전극. 직류가 가해지면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하기 시작합니다. 양이온은 주로 금속 이온과 수소이고 음이온은 산소, 염소입니다. 음극에서 양이온은 과량의 전자를 자신에게 부착하여 환원 반응 Men+ + ne → Me (여기서 n은 금속의 원자가). 반대로 양극에서는 산화 반응이 일어나면서 음이온으로부터 전자를 주게 된다.
따라서 시스템에 산화 환원 프로세스가 제공됩니다. 흐름에 적절한 에너지가 필요하다는 점을 고려하는 것이 중요합니다. 외부 전류 소스에서 제공해야 합니다.
패러데이의 전기분해 법칙
위대한 물리학자 M. Faraday는 연구를 통해 전기분해의 본질을 이해할 수 있을 뿐만 아니라 전기분해의 구현에 필요한 계산을 할 수 있게 되었습니다. 1832년에 진행 중인 프로세스의 주요 매개변수를 연결하는 그의 법칙이 나타났습니다.
제1법칙
패러데이의 첫 번째 법칙에 따르면 양극에서 환원되는 물질의 질량은 전해질에 유도된 전하에 정비례합니다. m = kq = k*I*t, 여기서 q는 전하, k는 계수 또는 전기화학적 등가물 물질의 I는 전해질에 흐르는 전류의 세기, t는 전류가 흐르는 시간이다.
제2법칙
패러데이의 두 번째 법칙은 비례 계수 k를 결정하는 것을 가능하게 했습니다. 모든 물질의 전기화학적 등가물은 몰 질량에 정비례하고 원자가에 반비례합니다. 법은 다음과 같이 표현됩니다.
k = 1/F*A/z, 여기서 F는 패러데이 상수, A는 물질의 몰 질량, z는 화학적 원자가입니다.
두 법칙을 모두 고려하여 물질의 전극에 침착된 질량을 계산하기 위한 최종 공식을 도출하는 것이 가능합니다. m = A*I*t/(n*F), 여기서 n은 전기분해에 관련된 전자의 수입니다. 일반적으로 n은 이온의 전하에 해당합니다. 실용적인 관점에서 물질의 질량과 인가된 전류 사이의 연결이 중요하므로 강도를 변경하여 프로세스를 제어할 수 있습니다.
용융 전기 분해
전기분해를 위한 옵션 중 하나는 용융물을 전해질로 사용하는 것입니다. 이 경우 용융 이온 만 전기 분해 과정에 참여합니다. 고전적인 예는 용융염 NaCl(소금). 음이온이 양극으로 돌진하여 가스가 방출됨(클). 금속 환원은 음극에서 발생합니다. 과잉 전자를 끌어들이는 양이온으로부터 형성된 순수한 Na의 침착. 다른 금속도 유사하게 얻을 수 있습니다(K, Ca, Li 등) 해당 소금의 학살에서.
용융물에서 전기분해하는 동안 전극은 용해되지 않고 전류원으로만 참여합니다. 제조시 금속, 흑연, 일부 반도체를 사용할 수 있습니다. 재료가 충분한 전도성을 갖는 것이 중요합니다. 가장 일반적인 재료 중 하나는 구리입니다.
용액의 전기 분해의 특징
수용액에서의 전기분해는 용융물과 크게 다릅니다. 여기에서 세 가지 경쟁 프로세스가 발생합니다. 산소 발생을 통한 물 산화, 음이온 산화 및 금속의 양극 용해입니다. 물, 전해질 및 양극의 이온이 이 과정에 관여합니다.따라서, 수소, 전해질 양이온 및 양극 금속의 환원이 음극에서 일어날 수 있다.
이러한 경쟁 프로세스가 발생할 가능성은 시스템의 전위 크기에 따라 다릅니다. 외부 에너지가 덜 필요한 프로세스만 진행됩니다. 결과적으로, 전극 전위가 최대인 양이온은 음극에서 환원되고 전위가 가장 낮은 음이온은 양극에서 산화됩니다. 수소의 전극 전위는 "0"으로 간주됩니다. 예를 들어, 칼륨의 경우 (-2.93V), 나트륨 -(-2.71V), 선두 (-0.13V), 은은 (+0.8V).
가스의 전기분해
가스는 이온화 장치가 있어야만 전해질 역할을 할 수 있습니다. 이 경우 이온화된 매질을 통과하는 전류는 전극에 필요한 과정을 유발합니다. 그러나 패러데이의 법칙은 기체 전기분해에 적용되지 않습니다. 구현을 위해서는 다음과 같은 조건이 필요합니다.
- 가스의 인공 이온화가 없으면 고전압도 고전류도 도움이 되지 않습니다.
- 산소를 포함하지 않고 기체 상태인 산과 일부 기체는 전기분해에 적합합니다.
중요한! 필요한 조건이 충족되면 액체 전해질에서 전기 분해와 유사하게 프로세스가 진행됩니다.
양극과 음극에서 일어나는 공정의 특징
전기분해의 실제 적용을 위해서는 전류가 인가될 때 양쪽 전극에서 어떤 일이 일어나는지를 이해하는 것이 중요합니다. 일반적인 프로세스는 다음과 같습니다.
- 음극. 양전하를 띤 이온이 몰려옵니다. 여기에서 금속의 환원이나 수소의 진화가 일어납니다. 양이온 활성에 따라 여러 범주의 금속이 있습니다.Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al과 같은 금속은 용융염에서만 잘 환원됩니다. 용액을 사용하면 물의 전기분해로 인해 수소가 방출됩니다. Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb 금속에 대해 충분한 농도의 양이온으로 용액의 환원을 달성할 수 있습니다. 공정은 Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg에 대해 가장 쉽게 진행됩니다.
- 양극. 음전하를 띤 이온이 이 전극에 들어갑니다. 산화되면 금속에서 전자를 가져와 양극 용해로 이어집니다. 음극으로 보내지는 양전하 이온으로의 전환. 음이온은 또한 활동에 따라 분류됩니다. 이러한 음이온 PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F는 용융물에서만 방출될 수 있습니다.수용액에서 전기분해를 겪는 것은 이온이 아니라 산소가 방출되는 물입니다. OH, Cl, I, S, Br과 같은 음이온이 가장 쉽게 반응합니다.
전기분해를 보장할 때 전극 물질이 산화되는 경향을 고려하는 것이 중요합니다. 이와 관련하여 불활성 및 활성 양극이 두드러집니다. 불활성 전극은 흑연, 탄소 또는 백금으로 만들어지며 이온 공급에 참여하지 않습니다.
전기분해 과정에 영향을 미치는 요인
전기 분해 과정은 다음 요인에 따라 다릅니다.
- 전해질 조성. 다양한 불순물이 상당한 영향을 미칩니다. 그들은 양이온, 음이온 및 유기물의 3 가지 유형으로 나뉩니다. 물질은 공정을 방해하는 기본 금속보다 다소 부정적일 수 있습니다. 유기 불순물 중 오염 물질(예: 오일)과 계면 활성제가 두드러집니다. 농도에는 최대 허용 값이 있습니다.
- 전류 밀도. 패러데이의 법칙에 따라 퇴적 물질의 질량은 전류 강도가 증가함에 따라 증가합니다. 그러나 집중된 분극, 전압 증가, 전해질의 강렬한 가열과 같은 불리한 상황이 발생합니다. 이를 염두에 두고 각각의 특정 경우에 대해 최적의 전류 밀도 값이 있습니다.
- 전해질 pH. 환경의 산도는 금속을 고려하여 선택됩니다. 예를 들어 아연의 최적 전해질 산도 값은 140g/cu.dm입니다.
- 전해질 온도. 모호한 효과가 있습니다. 온도가 증가함에 따라 전기분해 속도가 증가하지만 불순물의 활성도 증가합니다. 모든 공정에는 최적의 온도가 있습니다. 일반적으로 38-45도 범위입니다.
중요한! 전기분해는 다양한 영향과 전해질 조성의 선택에 의해 가속화되거나 느려질 수 있습니다. 각 응용 프로그램에는 엄격하게 준수해야 하는 자체 요법이 있습니다.
전기분해는 어디에 사용됩니까?
전기분해는 많은 분야에서 사용됩니다. 실용적인 결과를 얻기 위한 몇 가지 주요 사용 영역이 있습니다.
전기도금
전기분해를 통해 얇고 내구성 있는 금속 도금을 적용할 수 있습니다. 코팅할 제품은 음극 형태로 욕에 설치되며 전해질에는 원하는 금속의 염이 포함되어 있습니다. 따라서 강철을 아연, 크롬 또는 주석으로 덮을 수 있습니다.
전기 정제 - 구리 정제
전기 청소의 예는 다음과 같습니다. 음극 - 순수한 구리 양극 - 불순물이 포함된 구리, 전해질 - 황산구리 수용액. 양극의 구리는 이온으로 이동하여 이미 불순물 없이 음극에 침전됩니다.
금속 채굴
염에서 금속을 얻으려면 용융물로 옮긴 다음 전기 분해가 제공됩니다. 이러한 방법은 보크사이트, 나트륨 및 칼륨에서 알루미늄을 얻는 데 매우 효과적입니다.
아노다이징
이 과정에서 코팅은 비금속 화합물로 만들어집니다. 전형적인 예는 알루미늄 아노다이징입니다. 알루미늄 부품은 양극으로 설치됩니다. 전해질은 황산 용액입니다. 전기 분해의 결과로 산화 알루미늄 층이 양극에 증착되어 보호 및 장식 특성이 있습니다. 이러한 기술은 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 안전 규정에 따라 자신의 손으로 프로세스를 수행할 수 있습니다.
에너지 비용
전기분해에는 높은 에너지 비용이 필요합니다. 양극 전류가 충분하다면 이 과정은 실용적인 가치가 있으며 이를 위해서는 전원에서 상당한 직류를 인가해야 합니다. 또한 수행되면 양극 및 음극 과전압, 저항으로 인한 전해질 손실과 같은 측면 전압 손실이 발생합니다. 설비의 효율성은 에너지 소비 전력을 얻은 물질의 유용한 질량 단위와 관련시켜 결정됩니다.
전기분해는 오랫동안 산업계에서 고효율로 사용되어 왔습니다. 양극 산화 및 전기 도금 코팅은 일상 생활에서 보편화되었으며 재료의 채광 및 선광은 광석에서 많은 금속을 추출하는 데 도움이 됩니다. 주요 패턴을 알고 프로세스를 계획하고 계산할 수 있습니다.
유사한 기사:
