12.3 Хлор және күйдіргіш натр өндірудін физикалық-химиялық негізі

Натрий хлоридінің ерітіндісін электролиздегенде: хлор, сутек және күйдіргіш натр өнеді. Бұл әдісті XIX - ғасырдың соңғы жылдарынан бастап хлор мен сілті өндіруге қолданыла бастады.

Натрий хлоридінің судағы ерітіндісін электролиздеу процесі қатты немесе сұйық катодтан, графит анодынан құралған электролиздік астаудағы жүреді. Қатты катод ретінде таза (жұмсақ) темірді, сұйық қатод ретінде сынапты қолданады. Қатты катодты электролиздік астау екі түрлі болады: тік сүзгіш диафрагмалы және көлденең сүзгіш диафрагмалы катодты астаулар.

1. Қатты катодты электролиздік астауда ас тұзының қанық ертіндісі (310 г/л) электролиздеу процесінің механизмі:

NaCl↔Cl^- + Na⁺

Ертіндіде: Н₂O ↔ОН^-+Н⁺; Na⁺,Н⁺, С1^-, ОН^- иондары бар.

Электродтарды тұрақты ток көзіне жалғастыртанда, ерітінді арқылы электр тоғы жүргенде анодта оттекпен хлордың бөлінуін күтуге болады:

2Н₂O -4е = O₂ +4Н ⁺(a)

2Сl -2е = С1₂ (ә)

Бірінші «а» тотығу процесіне бейтарапты ас тұзының қаныққан ерітіндісінде Нернст теңдеуі брйынша ОН ионының зарядсыздану потенциалы:

Е_он- =+0,41 – 0,058lg(0,8*10^-7)=+0,83 втеңболады

Осы жағдайдағы «ә» Cl^- иондарының зарядсыздану потенциалы:

Е_Сl^- = +1,36 –0,058lg(5,4 • 0,6) = +1,33 в гең болады.

Мұндағы:0,810 ^-7 - ерітіндідегі ОН^- иондарының активтілігі, г-ион/л;

5,4 -анолиттегі NаСІ концентрациясы, г-мол/л

0,6 - NaСl -ның активттік коэффиценті.

Аниондардың зарядсыздану потенциал мөлшері бойынша бірінші ретте анодта оттек бөлінуі тиіс, іс жүзінде графит анодында оттектің асқын кернеуі сол жағдайдағы хлордың бөліну асқын кернеуінің жоғары болғандықтан, анодта хлор газ қалпында бөлінеді (ә-реакциясы). Хлордың бөлінуі ас тұзының ертінді концентрациясы артқан сайын жеңілденеді, осы себептен ерітінділердің оңтайлы концентрациясы-310-315г/л NаСІ екені анықталған.

Катодта - Н⁺ жылжуы Nа ⁺ -Дан шапшаңырақ

(Н⁺= 0,2 см/м Na⁺= 0,027 см/м) эрі зарядсыздану потенциалы төмен

Н⁺= -0,415в Na⁺ = 2,71в, сондықтан Н⁺ иондары катодқа бұрынбарып зарядсызданып газ қалпында бөлініп шығады.

2Н⁺ +2е = 2Н → Н₂

2Н₂O + 2е = Н₂ +2ОН^-

2Сl^--2е = Сl₂

2Н₂O + 2е = Н₂ +2OН^- (б)

2Н₂O + 2Сl^- = Сl₂+Н₂+ 2OН

немесе

2 Н₂O + 2NаСІ = Сl₂ + Н₂ + NаОН

Электролиз кезінде негізгі «а,ә» және «б» процестерімен қатар тағы да басқа қосымша процестер жүруі мүмкін:

С1₂+Н₂O = НСlO +НСl

HClO + NаОН =NаOСl + Н₂O

НСІ + NаОН =NаСl + Н₂O

NаСlO + 2НСlO → NaClO₃ + 2HCl

2NaClO→ N аСlO₂ + N аСІ

СlO^- иондары анодта тотығып СlO₃^-иондарын түзеді. Қосымша процестер өндірілетін қажетті-мақсатты заттардың шығымы төмендейді, электр энергиясының шығымын арттырады:

анодта:

6СlO^- + 6OH^- →2С1₃^-+ 4Сl^- + 3O + 3Н ₂O + 6е

анодтабөлінген оттек атомдары графитпен эрекеттесіп көміртек оксидін түзеді:

C+O=CO

CO+O=CO₂

Егер катодта бөлінетін заттар анодта бөлінетін заттардан бөлінбесе, катод жанында ертіндіде пайда болған күйдіргіш натр,анод жанында пайда болған қышқылдармен мынадай теңдеумен әрекеттеседі:

2НСlO₃ +4НС1 + 6NаОН =2NаСlO₃ +4NаС1 + 6Н₂O

Жоғарыда келгірілген қосымша процестерді жүргізбеу үшін катод және анод кеңістіктерін дифрагмамен оқшауландырады, осыған қосымша электролиттің ағу бағыты анодқа қарама- қарсы болуы міндетті. Сүзгіш диафрагма ретінде жапырақталған талшықтас қолданады.

Тағы да қосымша процесті болдырмауға, қолданатын шара- электролит концентрациясын белгілі бір мөлшерде ұстау. Электролиттің концентрациясы және температурасы көтерілген сайын хлордың электролитте еріткіштігі төмендейді, соңғы жағдай қосымша процестердің жүруіне кедергі әсер етеді. Электролиз кезінде оңтайлы температурада: 70-80°С; электролит концентрациясы 310-315 г/л NaС1

Электролиздік астаудағы ас тұзы электролиз кезінде толық электролизденбейді, ерітінді кұрамында 180-170 №С1 г/л және 110-120 г/л NаОН болады, астаудан шығарылатын ерітіндіні «сілтіше» деп атайды.

Қайталауға және өздік бақылауға арналған сұрақтар(1-З):

1. .Күйдіргіш натрды өндірудің қандай химиялық әдістері бар?

2. Күйдіргіш натрды өндірудің қандай электрохимиялық әдістері бар?

3. Күйдіргіш натрды феррит әдісімен қалай өндіреді?

4.Электролиз заңдарын (М.Фарадей) қалай тұжырымдауға болады?

5. Күйдіргіш натр мен хлор өндірудің физика-химиялық негізі

қандай?