Электрохимиялық жүйелердің негізгі элементтерін атаңыз. ( Анодтар мен катодтардың түрлері, электролиттер, диафрагмалар, еріткіштер түрлері)

Электролиз – еріген немесе балқыған электролитке батырылған электродтарда электр тогы әсерінен жүретін химиялық реакция. Электролиттер арқылы өткен электр тогы химиялық энергияға айналады. Электролиз электролитпен толтырылған ыдысқа екі электрод орналастырып, оларды тұрақты ток көзінің полюстеріне жалғастыру нәтижесінде өтеді. Электролиз аппараттарын электролизерлер, электролиттік ванналар деп атайды. Электролизерлер корпусы болат, керамика, пластмасса, шыныдан жасалады. Коррозия мен жоғары температурадан сақтау үшін корпустың ішкі беті гуммирланады, пластмасса, отқа төзімді кірпіш немесе коррозияға берік материалмен қапталады. 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 ерімейтін 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. Ерімейтін анод Электролиз кезінде бүлінбейді. Электр өрісінің әсерінен электролиттердегі зарядталған бөлшектердің – иондардың ретсіз қозғалысы белгілі бір бағытқа келеді: катиондар катодта, аниондар анодта зарядсызданады, яғни катиондар катодтан жетіспейтін электрондарын қосып алып тотықсызданады, аниондар анодқа артық электрондарын беріп тотығады.

Ерімейтін (инертті) анодтар – графит, алтын, платина – өздері электролиз үдерістеріне түспейді, немесе олар реакциялық өзгерістерге ұшырамайды.

Еритін анодтар (металдар) электролиз кезінде тотығу реакциялары негізінде өзгеріске ұшырайды (табиғатына байланыссыз).

Мысал: Құрамында тотығу көрсеткіші жоғары дәрежелі металл емес элементтерден тұратын, оттегісі бар қышқылдар мен олардың аниондары (SO₄^2- ; NO₃^-; PO₄^3- т.с.с.) болған жағдайда, аниондар тотығу үдерісіне түспейді. Мұндай кездерде анодта судың ыдырауы орын алып, анодта оттегінің бөлінуі жүреді.

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.

Анодта және катодта өтетін электролиз өнімдерінің әрекеттесуін тоқтату кездерінде электролизер ішіне көпіршікті қалқа кіргізіледі-диафрагма, оны минимум екі электродты кеңістіктерге – анодты, катодты етіп бөледі. Анодты кеңістікке құйылатын ерітіндіні анолит, ал катодты кеңістікке құйылатын ерітіндіні католит деп атайды. Диафрагмалар орнатылған және фильтрлейтін болып бөлінеді. Орнатылған диафрагмаларда диффузиондық кедергілер болу керек және олар электролит иондары үшін ғана селективті өткішті болу керек, сонымен бірге олар электролиз өнімдерін тежемеуі қажет. Фильтрлейтін диафрагмалардың диффузиондық кедергісі төмен болғандықтан, оларды электролизді кері бағытта- электролит бір электродты кеңістіктен келесіге диафрагма арқылы иондар қозғалысы бағытына қарама қарсы көшкен кезде қолданылады. Диафагмалар көлемді көпіршіктенуімен, өткізгіштігімен, электр кедергісімен сипатталады. Диагфрагмалар электролиз жағдайында мықты химикалық тұрақтылыққа және механикалық беріктілікке ие болу керек. Диаграма жасалатын зат болып асбест, керамика, пластмаса болып келеді. Кейбір жағдайларда, мысалы, балқымалардың электролизікезінде металдық диафрагмалар қолданылады. Соңғы жылдары электролиз процессінен тек бір зарядтың ионы (катион немесе анион) үшін енетін ионитті диафрагмалардың таралуын алады. Электролиз өнімдерінің өзара әсерлесуіне ғана кедергі етпей, электродтарда өнімдердің тотығу тотықсыздануын болдырмайды. Осындай жағдайларда не орнатылған, не ионитті диафрагмаларды қолданылады.

3.Электролиздің материалдық балансы. Кернеу балансы. Электролизердың жылу балансы. Энергия шығыны және пайдалы әсер коэффициенті ұғымдарын анықтап беріңіз.

Электролиз (электро... және грек. lysіs – еру, ыдырау) – еріген немесе балқыған электролитке батырылған электродтарда электр тогы әсерінен жүретін химиялық реакция. Электролиттер арқылы өткен электр тогыхимиялық энергияға айналады.

Материалдық есептеулер арқылы өндірістің жабдықталуы мен экономикалық тиімділігі анықталынады. Материалдық баланстар технологиялық процесті жетілдірудің, жаңа технологияны жасап қолданудың негізі болып табылады. Жаңа технологияны жобалауда қолданыстағы технологияның жарамды жақтары мен қазіргі заманғы зерттеулердің нәтижелері пайдаланылады.

Жоғарыда айтылғандай, материалдық баланс негізгі және қосымша химиялық реакциялар бойынша, зат массаларының сақталу заңына сай жүргізіледі.Бастапқы өнімдердің массаларының қосындысы (m_А+m_B) өндірілетін соңғы өнімдердің массаларының қосындысына (m_C+m_Д) тең:

                   m_А+m_B +... = m_C+m_Д +...                                           

Материалдық балансты негізгі өнімнің массасының бірлігіне (кг,т) немесе уақыт бірлігіне (сағ., тәулік) құрады.

Химиялық реакцияның бастапқы және соңғы заттары әр түрлі фазада (газ, қатты, сұйық) болса, әр фазаның массалары жеке-жеке анықталынады.

Материалдық балансты толық анықтау үшін бірнеше белгісіздері бар теңдеулер жүйесі шешіледі. Бұл кезде тиісті формулалар арқылы өнімнің тепе-теңдік және нақты шығымдылықтарын, процестің жылдамдығын т.с.с. анықтауға болады.

Материалдық баланстың практикалық маңызы – бастапқы (шикі зат) және соңғы өнімдердің құрамын, заттардың артық мөлшерін, шикі зат пен өнімнің шығынын анықтауға мүмкіндік беретіндігі. Басқаша айтқанда, жасалынған материалдық баланстан шикізаттың шығыны, өңімнің өзіндік құны мен шығымдылығы, реакция көлемі, реактивтер мөлшері, өндірістік шығындар анықталынады.

Электролиз кезіндегі электролизердегі кернеу-тізбектен өткен электр тогының шығынын анықтайтын негізігі көрсеткіштердің бірі.Электролизердегі кернеу мынадай құрамалардың қосындысынан тұрады:
V_эл-р=E_a-E_k+ ΔE_a+ ΔE_k+E_эл-т+Е_эл-д+Е_диаф
Электролиттегі және диафрагмадағы кернеулік мынадай формулалармен анықталады:
Е_эл-т= I*R_эл-т , ал Е_диаф=I*R_диаф
Электродтағы кернеулікті Ом заңымен анықтайды,ал контактылардағы кернеуліктерді әдетте 0,05 В-қа тең деп есептейді.Электролиз кезіндегі 1 т пайдалызатты алуға кеткен электр энергиясының шығынын мына формуламен есептейді:
W= (V*10⁵)/(q*ТШ), кВт*сағ/т

Егерде электрохимиялық тізбек арқылы электр тогы (I) өтетін болса, тізбек бойындағы кернеу (U) тізбектегі ЭҚК – не тең болмайды, немесе U ≠ Е. Электролиз кезінде, немесе химиялық реакциялар электр күшімен жүргенде U >Е. Сонымен, электролиз кезіндегі жұмсалатын қуаттылық I•U теориямен есептелген қуаттан артық болады. Сол себепті, электрохимиялық жүйенің пайдалы әрекет коэффициенті (ПӘК) 100 %-дан кем болады.

U = E + E_ом + |Δ E_К | + |Δ E _А |

ПӘК = Е ∕ E + E_ом + |Δ E_К | + |Δ E _А | • 100 %

Бұл теңдеулердегі E_ом = I R_тізб. (R_тізб. – тізбектің ішкі кедергісі), Δ E_К мен Δ E _А – катод пен анод поляризациялары.