Электролиттік процестерді сипаттау.

Электролиз белгілі электр өрімінің қатысуымен байланысты, оның әсерінен электролитте оған тән процессте жүруі мүмкін. Электро кинетикалық процесстер бір фаза басқасымен диспергирленгенде жүреді; олардың қатарына электрофорез- сұйық ішінде өлшенген қатты бөлшектердің қозғалысы. Электр өрісінің ішінде электроосмос құбылысы байқалады- қатты денеге қатысты сұйықтың қозғалысы. Электролиз аппараты электролизер немесе электролиттік ванна деп аталады. Электролизердің қарапайым сұлбасы 1 суретте көрсетілген. Электролизердің корпусын керамика, пластмасса, шыныдан немесе болаттан жасайды. Коррозия немесе жоғары температуралардан қорғалу үшін электролизер корпусын кейде гумреирлейді, пластмассамен, коррозияға тұрақты металдармен қаптайды. Белглі жылулық режимді қалыпта ұстау үшін кейбір жағдайларда теплоизоляциямен қамтамасыз етеді. Катодтарды дайындау үшін болат, түрлі түсті металдар, сынап, қорғасын, цинк, қалайы, қола, алюминий, металдардың балқымалары, көмір немесе графит қолданылады. Анодтар еритін және ерімейтін болады. Еритін анодтарды жоғары айтылып өткен түсті металдардан, көміртекті болаттан, кейбір басқа балқымалардан, ал ерңмейтін анодтар болаттан, графит немесе көмірден, никельден, тотталмайтын болаттан жасайды, кейбір жағдайларда жұқа қабаты бағалы металдан жасалған биометалды анодтарды қолданады, ол мысалы қорғасынның ток өткізгіштік негізіне берілген жағдайда берілген электролитте инертті болатын басқа металл үстіне жабылады. Электродтың материалы көптеген факторларды ескере отырылып таңдалады- электролиздің бастапқы және нәтижелі өнімнің табиғатына, процесс жүргізу жағдайларына, т.б. байланысты.
Минералды немесе органикалық қышқылдар, тұздар және олардың қосылыстары электролиттер бола алады. Кейбір жағдайларда электролит электрохимиялық тотығу тотықсыздану өнімі ретінде
бірқатар шығынды зат болып келеді, басқа жағдайларда, ток өткізгіш қосымша зат болып келеді. Электролитер үшін еріткіштер болып сулар, спирттер, пиридин, диметилформальдегид, ацетонитрил және басқа да органикалық қосылыстар немесе олардың қоспалары бола алады. Электролизді еріткішсіз де өткізуге болады, электролит балқымаларында немесе электролит қоспаларында.

Хлор мен натрий мысалындағы техникалық электролиз.

Сулы ерітінділердің техникалық электролизі металдардың бөлінуінсіз немесе олардың катодта бөлінуімен жүре алады. Электрохимиялық процесстердің арасында сулы ерітінділердің металл бөлінуінсіз ыдырауы натрий хлоридінің сулы ерітіндісі мысалында көрсетеміз.
Хлорид натрий сулы ерітіндісінің электролизі. Хлорид натрий сулы ерітіндісінің электролизі кезінде хлор, сутегі, каустикалық соданы аламыз.
Хлор- атмосфералық қысым және қалыпты температура кезінде сары-жасыл түсті нашар иісті газ. Атмосфералық қысымда қайнау температурасы -33,6 , қату температурасы -102 . Хлор суда, органикалық еріткіштерде ериді және өте жоғары химиялық активті болып келеді.
Хлор ең алдымен химиялық өндірісте әртүрлі органикалық хлорөндірушілерді: пластикалық массаларды, синтетикалық каучукты, химиялық талшықтарды, еріткіштерді, инсектицидтерді,т.б. алу үшін қолданылады. Қазіргі кезде

дүниежүзілік хлор өндірісінің 60%-і органикалық синтез үшін қолданылады. Соған қарамастан хлор тұзды қышқылды, хлор әктасын, хлораттарды және т.б. өндіру үшін қолданылады. Хлордың көптеген мөлшерлері металлургияға полиметалдық рудаларды өңдегенде, рудалардан алтынды бөліп алу үшін, мұнай өндіру саласында хлорлирлеу үшін қолданылады, солай да медицина мен санитарияда, суларды зарасыздандыру үшін, пиротехникада және т.б. көптеген халық шаруашылық салаларында қолданылады. Хлорды пайдалану салаларының кеңкйтілуі нәтижесінде, органикалық синтезде атқарылған еңбектер арқасында, дүниежүзілік хлор өндірісі жылына 20 млн тонн құрайды.
Каустикалық сода немесе улы натрий- мөлдір емес кристалды зат, суда жақсы ериді, атмосфера қысымында балқу температурасы 328 болады. өндірісте қатты улы натр және оның сулы ерітінділері өндіріледі. Улы натр өндірістің көптеген салаларында кең қолданылады-целлюлоз-қағазды, химиялық талшықтар, мұнайөндіруші, органикалық синтез, лак сырлы тағы көптеген қатар салаларда қолданылады.
Сутегі- газ, атмосфера қысымындағы қайнау температурасы -252,8 . Сутегіні көптеген маңызды органикалық және бейорганикалық өнімдерді синтездеу кезінде қолданылады: аммиак, метанол және басқа спирттер, майлардың, қатты және сұйық отынның гидрогенизациясы, мұнай өнімдерін тазарту кезінде қолданылады.
Хлор мен сілтілер өндірісінің шикізаты ретінде, ең алдымен қатты тұздың ерітіндісінен алынатын ас тұзының ерітінділері, немесе табиғи тұздар бола алады. Ас тұзының ерітінділері олардың алыну жолына қарамастан, кальций және магний қоспаларынан тұрады, электролиз цехтарында бұл тұздардан тазартуға ұшырайды. Бұл тазарту не үшін қажет? Электролиз процессінде нашар еритін кальций мен магний гидроксидтері түзілуі мүмкін, кейін олар электролиздің қалыпты жүрісін бұзады. Химикалық тазартудан басқа, ерітінділерфильтрацияның механикалық қоспаларынан ажыратылады. Ас тұзы ерітіндісінің электролизі қатты темір немесе болат катодпен ванналарда және ванналарда сұйық сынапты катод пен диафрагмалармен жүргізіледі. Қазіргі үлкен хлорлы цехтардағы жабдықтар қолданылатын өндірістік электролизерлер жоғары өнімділікті, қарапайым конструкциялы, компактті болып, сенімді жұмыс істеу керек.

Натрий хлориді ерітіндісінің болатты катод және графитті анодпен ваннадағы электролизі улы натр, хлор, сутекті бір электролизерде алуға мүмкіншілік береді. Натрий хлоридінің сулы ерітіндісі арқылы тұрақты токтың өтуі кезінде хлордың және оттегінің бөлінуін күтуге болады:
2OH^- - 2 →1\2I₂+H₂O (а)
Немесе
2Cl^- - 2 →Cl₂
OH разрядының қалыпты электродты потенциалы +0,41 B құрайды, ал хлор иондарының разрядының қалыпты қалыпты электродты потенциалы +1,36 B құрайды. Натрий хлоридінің қаныққан бейтарап ерітіндісінде гидроксильді иондардың крнцентрациясы 1·10-7г- экв\л. 25 температурада гидроксильді иондардың тепе теңдік потенциалы jар=0.82 B болады.хлор иондарының разрядталуының тепе теңдік потенциалы NaCl концентрациясының ерітіндідегі 4,6г-экв\л jар=1,32 B болады.
Сәйкесінше, анодта кішкене кернеумен ең алдымен оттегі разрядталуы керек. Алайда, графитті анодтарда оттегінің кернеунің асырылуы хлор кернеуінен жоғары, сондықтан оларда негізінен (а) реакциясы бойынша газ тәрізді хлор бөлінуімен қатар Cl иондарының разрядталуы жүреді. Ерітіндідегі NaCl концентрациясын арттыру нәтижесінде хлор бөлінуі жеңілденеді, осының нәтижесінде тепе теңдік потенциалы кемиді. Бұл электролиз кезінде концентрленген натрий хлоридінің ерітіндісін қолданудың себептерінің бірі болып келеді. Сілтілі ерітіндіде катодта су молекулаларының разрядталуы мына теңдеу бойынша жүреді:
H₂O+ →H⁺ + OH^-
Сутегі атомдары рекомбинациядан кейін молекулярлық сутегі түрінде түзіледі:
2H→H₂
Натрий иондарының сулы ерітіндіде қатты катодта разрядталуы мүмкін емес, өйткені олар разрядтарының потенциалының сутегімен салыстырғандағы жоғары болуына байланысты. Сондықтан ерітіндіде қалған гидроксильді иондары натрий иондарымен сілті ерітіндісін түзеді. NaCl ыдырау процессін келесі реакциялар арқылы көрсетуге болады.
2Cl^- - 2 → Cl₂
H₂O + = 2K+IK
2H→H₂
Теңдеулерді қоссақ,
2H₂O+2Cl Cl₂+H₂+2OH^-
Немесе
2H₂O+2NaCl Cl₂ +H₂+ 2NaOH
Яғни анодта хлор, катодта сутегі мен улы натр түзіледі.
Негізгі карастырылып кеткен процесстермен қатар электролиз кезінде қажет емес процесстер де жүреді. Осыған қарамастан, анода бөлінетін хлор электролитте ериді және мына реакция бойынша анықталады.
Cl₂+H₂O↔HOCl+HCl
Сілтінің анодқа диффузиясы жағдайында немесе аноды және катодты өнімдердің араластырылуы кезінде хлорлы және тұзды қышқылдар Натрий хлориді мен гипохлорит түзілуімен қатар сілтімен нейтралданады.
HOC+NaOH=NaOC+H₂O HCl+ NaOH=NaCl+H₂O
ClO иондары анодта ClO₃ ке тотықсызданады. Сондықтан, натрий, хлорат, хлорид, гипохлорит түзіледі. Сілтілі ортада анодта оттегінің түзілуі еркін болады,сонымен ол электролиздің көрсеткішін нашарлатады. Қажет емес реакциялардың өтуін азайту үшін катодты және анодты өнімдердің араласуына кедергі жасайтын жағдайлар құру керек. Оларға анодты және катодты кеңістіктерді диафрагмалармен бөлуі, электролиттің диафрагма арқылы фильтрациясы. Бұл диафрагмаларды фильтрлік деп атайды және олар асбесттен жасалады.

 

Өндірісте электролиздің қолданылуы.

Шаруашылықтың барлық салаларында және өндірісте электролиз барлық жақты қолданылады.

Электролиздің тұсті металлургияда қолданылуы: металдардың рафинирлеуі, рудалардан металды бөліп алу үшін. Балқыланған орталардан электролиз арқылы алынған металдар қатарына аллюминий, магний, цирконий, титан, уран, берилий және басқа металдардың қатары.
Сулы ерітінділерден бөлініп ала алмайтын металдарды жоғары теріс потенциал нәтижесінде түсті металлургияда балқыған орталадың электролизі нәтижесінде алады. Бұл балқыған орталар болып әртүрлі қоспалардың қосындысынан тұратын тұздар болады. Олар балқыманың балқу температурасын төмендету, электрөткізгіштікті мақсатында жоғарылату үшін қолданылады. Химиялық өндірісте электролиз арқылы хлорат және перхлорат, персульфат, калий перманганаты, хлор және сілтілер, органикалық қосылыстар, химиялық таза сутегі, оттегі фтор және басқа да маңызды өнімдерді алуға болады.
Машина жасау, радиотехника,полиграфты қндіріс салаларында электролизді металдар немесе бұйымдар бетіне жұқа жабылғы салу үшін қолданады, оның себебі бұл пленка коррозиядан сақтайды және декоротивті түрге келтіреді, ыстыққа төзімді болады. өндірістік ванналардың классификация негізіне әт.рлі белгілер жатқызылуы мүмкін. Мысалы, ванналардың полярлығы бойынша түрлері полярлы, биополярлы және комбинирленген болады.
Анодтардың типтері: шығынды (химиялық реакцияға кірісетін), қатты еритін, сұйық еритін, көпіршікті қатты ерімейтін және ерімейтін.
Ерімейтін анодтар үшін ең жақсы материал болып, тантал мен титан қоспалары, графит, манетит.
Электроит, электрод, электролизерлердің алуан түрлігіне қарамастан, техникалық электролиздің көптеген проблемалары болады. Оған зарядтардың, жылудың, массаның алмастырылуын, электр өрістерінің орналасуын жатқызуға болады. Электродтық процесстер шекті токтарының өлшенуімен қадағалана алады.
Электролиттік реакциялардың мақсаттарына қарай, катод және анодтардың түрлі типтерін қолданады: горизонтальді сұйық сынапты катодпен, верикальды катодпен және фильтрлейтін диафрагмамен, горизонтальды диафрагмамен өткізгішті электролитпен, қозғалыстағы электродтармен және т.б.
Электролиз үшін келесі электролит типтері қолдана алады: тұздар, қышқыл, негіздердің сулы ерітінділері; бейорганикалық еріткіштердегі сулы емес ерітінділері, органикалық еріткіштердегі сусыз ерітінділер; балқыған тұздар, қатты электролиттер.

Қорытынды.

Жасалынған жұмыстың негізінде қорытындылар мынада жатыр:
Біріншіден электролиз процесстерінің зерттеу облыстарында әзірге дейін өзінің актуалдығын жоғалтқан жоқ, осған орай бұл күрделі физико химиялық құбылыстың теориялық базасы үнемі толтырылып жатады.
Екіншіден, бұл зерттеулер бұл процесстерді қолданудың перспективалы бағдарларын анықтауға мүмкіндік береді. Ол экономикалық тиімді және берілген сапаның алуымен мақсатымен.
Электролиз шаруашылықта кең қолданылады. Электролиздің ең маңызды қасиеті металдарды тазарту және бөліп алу, сілтілер, хлор, сутегінің алынуы болып табылады.
Ерітінділер электролизі немесе электролиттердің балқымаларының ерекшелігі химиялық тотығу тотықсыздану реакциямен бәсекелес жүретін электродтарды өту қабілеті болып табылады. Электролиз өнімдері мен электрод материалдарына әсерін тигізеді.
Қола, никель, қорғасынның тазартылуын толығымен электрохимиялық әдіспен ғана алады. Фтор өндірісі калий фторид қоспасының балқыған электролизінде және фторсутекті қышқылда электролизі негізінде, ал хлор, хлоридтер балқымасы немесе сулы ерітінділер электролизі кезінде алынады.
Аллюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, берилий, титан тек балқымалардың электролизі арқылы алынады. өйткені олардың сулы ерітіндіден бөліну потенциалы сутектікіне қарағанда теріс болады. Жоғары дәрежелі таза оттегі мен сутегін сілтілердің сулы ерітінділері электролизі арқылы алады. Сол арқылы электролиз көмегімен тотығу тотықсыздану реакцияларының үлкен өнімділігімен жоғары селективті жүргізуге болады, олар қарапайым химиялық процестерде күрделі жолмен алынады. Электролиз қолданудың маңызды саласы болып металдарды коррозиядан сақтау болып келеді: осындай электрохимиялық әдіспен бір металл бұйымының бетіне коррозияға төзімді басқа металл қабаты жабылады. Сулы электролит ерітінділері электролизі кезінде анодтағы және катодтағы тотығу тотықсыздану процесстері катиондардың тотығу қабілеті мен электролит анионының сипатына тәуелді болады.
Катодтағы және анодтағы тотығу тотықсыздану процесстері электролиттік процестерге бөлшектердің электродты потенциал мәнімен анықталады.

 

 

Әдебиеттер:

1. Н.В Коровина. \курс общей химии. Высш. Шк., 1991. 378-380с.
2. Н.Л.Глинка. \общая химия6 г. Москва, 1985г. 250-253, 257-261с.
3. Т.Браун, Г.Ю.Лемей \ Химия в центре наук—2, Мир, 1997. Г. Москва, 432-440с.
4. И.П.Мухленов, А.Я.Авербух и др. \Важнейшие химические производства, «Высшая школа», г.Москва 1990г., 217-225с.
5. К.А.Третьяяков \Методические указания к лабороторным работам по химии.