12.2 Электрхимиялық әдіспен күйдіргіш натр және хлорды өндіру

Тұрақты электр тогының қатысуымен заттар өндірілетін өндірісті - электрхимиялық әдістер деп атайды. Электрхимиялық процестер электролиттерді электролиздеуге негізделген. Электролиз дегеніміз- ерітінді немесе балқыған күйдегі электролиттен электр тоғы өткен кезде жүретін тотығу-тотықсыздану процесі. Бұл процесте электр энергиясы химиялық энергияға айналады.

Егер электролиттің судағы ерітіндісіне тұрақты тоқ көзімен жалғасқан электродтар орналасса, ерітіндідегі иондардың тәртіпсіз қозғалысы белгілі бір бағытқа ие болады, катиондар катодқа, аниондар анодқа барыгі зарядтарынан айырылады - зарядсызданады, яғни катиондар катодтан электрон алып, аниондар анодқа артық электронын беріп бейтарап зарядты күйге ауысады. Зарядсызданған атомдар не атомдар тобы ерітіндіден бөлініп шығады немесе өзара әрекеттесіп электролиздің екінші өнімі деп аталатын заттар түзеді.

Кез-келген сулы ерігіндіде электролиттің диссоциациялануынан пайда болатын иондардан басқа да судың диссоциациялануынан туатын сутек катионы мен гидроксил анионы болатыны мәлім. Олай болса, катодта зарядсыздана алатын екі ион: металл және сутек катиондары болады. Дәл қай ионның зарядсыздануы ең алдымен олардың кернеу қатарында тұрған орындарына, содан соң иондардың конңентрациясы мен тотығу-тотықсыздану процесі жүретін электродтардың материалына да тәуелді.

Ең оңай зарядсызданатын металдар кернеу қатарының соңына орналасқан, қиын зарядсызданатын металдар кернеу қатарының басына орналасады. Іс жүзінде, сутектің оң жағындағы активсіз металдардың катиондарын зарядсыздандыру сутек катионын зарядсыздандырудан оңай болғандықтан, электролиз кезінде катодта әдетте мыс, сынап, тағы с.с. металдар оңай бөлініп шығады.

Сутектің сол жағында орналасқан активті металдар ионы сутек ионына қарағанда қиындау зарядсызданатындықтан кернеу қатарының басында алюминийге дейінгі элементтердің орнына сутек ионы тотықсызданып катодта Н₂ бөлініп шығады.

Анодта өтетін процесс әрі әлектролитке, әрі анод материалына тікелей тәуелді болып келеді. Анодтың екі түрі бар: ерімтал және ерімейтін.

Ерімтал анодтар - электролиз кезінде тотығып, катиондар түзеді. Ерімейтін анодтар - әдетте алтыннан, платинадан, графиттен жасалады, оның бетінде қышқыл қалдығының ионы немесе гидроксил ионы тотығады.

Электролиз заңдары: ағылшын ғалымы М.Фарадей электролиздің екі заңын ашты:

1.Электролиз кезінде бөлінетін заттардың мөлшері электролиттен өткен тоқ мөлшеріне тура пропорционал.

2.Кез-келген заттың бір эквивалентін электролиздеп бөліп алу үшін бірдей тоқ мөлшері 96500 кулон (а-секунд) жұмсау қажет.

М. Фарадей заңдарының тендеуі:

m= *I*τ = *Q

мұндағы: m- электродта бөлінетін зат массасы,г.

Э- заттың 1 г-экв. массасы, г.

Ғ- 96 500 кулон, Фарадей саны, яғни тұрақтысы.

I- ток күші, а.

τ - электролиздеу уақыты, сек.

q -ток күші I мен уақытқа τ сәйкес кулон (а-сек) саны.

Формуладағы Э/Ғ шамасы электродтан 1- кулон ток өткенде

бөлінетін элементтің яғни радикал (топтың) массасының мөлшері. Бұл шама электрхимиялық эквивалент деп аталады.

Электролиз процесінің еркін жүруіне қажет кернеу мөлшері ыдырау (басқаша ыдырау потенциалы, вольтаж деп те атайды) кернеуі деп аталынып Е_ыд., вольтпен өлшенеді.

Демек, гальвани элементі тудыратын потенциалдан, электролиздеуге берілетін кернеу артпайынша электролиз процесін айтарлықтай жүргізу мүмкін емес. Іс жүзінде ыдырау кернеуі гальвани элементінің ЭҚК-нен қашанда жоғары болып келеді. Олардың айырмасы

η = Е_ы —Е асқын кернеудің мөлшеріне сай келеді.

Асқын кернеудің шамасына әртүрлі жағдайлар әсер етеді: электродтың материалы, электрод бетінің тегістігі, ток тыгыздығы, ерітіндінің концентрациясы мен температурасы, электролит құрамы т.т.

Электролиз кезінде асқын кернеу шамасы тым үлкейіп кетуі мүмкін, бұл өндіріс үшін тиімсіз, электр энергиясын артық жұмсауға мәжбүр етеді. Сондықтан іс жүзінде асқын кернеудің шамасын кішірейтуге тырысады. Асқын кернеудің пайдалы жағы да бар. Мәселен Мn, Zn, Ғе, Ni, Sn, Pb тәрізді материалдарды сутектің асқын кернеуінің шамасы үлкен, ал материалдардың өзінің асқын кернеуі кішкентай болады. Сондықтан жоғарыда аталған элементтер кернеу қатарында сутектің сол жағында орналасқандығына қарамастан, олардың катиондарын судағы ерітінділерінен бөліп алуға болады.

Электрхимиялық әдістердің химиялық әдістерден артықшылығы мол: бір аппаратта бірнеше қажетті заттар алуға болады, алынған заттардың тазалығы өте жоғары, кейде химиялық әдістері мен өнбейтін заттарды өндіруге болады. Шикізат пен энергия шығынсыз толық керекті қажетке жұмсалынады және т.б. ерекшеліктері бар.

Химиялық өнеркәсіптерде: хлор, сутек, оттек, сілтілер, тотықтырғыштыр, кейбір органикалық заттар негізінде электрхимиялық әдістермен өндіріледі. Электрхимиялық әдістердің алатын орны металлургияда ерекше, әсіресе: мыс, мырыш, алюминий, натрий және т.б. металдарды өндіруде;

Электрхимиялық әдістердің айтарлықтай кемшілігі-кұны тым жоғары электр энергиясы көп мөлшерде жұмсалынады.

Электролиз процесін іс жүзінде жүргізу үшін қажет кернеу мына формуламен анықталады:

V_3m(ф_Та - ф_ТК) + ф_КОН + (ф_а - ф_К) +∑ І*R

мұндағы: V_3m-электролиздік астаудағы кернеу мөлшері, в.

ф_Та,ф_ТК-тепе-тендік анод және катод потенциалдары, в.

ф_КОН- концентрациялық поляризация, в.

ф_а,ф_К-анод және катод -асқын кернеулері, в.

∑ І*R- Ом кедергісінің қосындысы, в.

І-тоқ күші, а; R- кедергі, Ом.