Selama elektrolisis asam klorida. Elektrolisis lelehan dan larutan elektrolit. Tugas untuk siswa

ELEKTROLISA

lelehan dan larutan elektrolit

dengan elektrolisis disebut himpunan reaksi kimia yang terjadi selama perjalanan arus searah melalui sistem elektrokimia yang terdiri dari dua elektroda dan lelehan atau larutan elektrolit.

Esensi kimia dari elektrolisis terletak pada fakta bahwa itu adalah reaksi redoks yang terjadi di bawah pengaruh arus listrik langsung, dan proses oksidasi dan reduksi dipisahkan secara spasial.

Katoda - elektroda tempat kation atau air direduksi. Itu bermuatan negatif.

Anoda - elektroda tempat anion atau air dioksidasi. Itu bermuatan positif.

1. Elektrolisis lelehan garam, basa.

Selama elektrolisis lelehan, kation logam selalu tereduksi di katoda.

K(-): Pria+ + nē → Me0

Proses anodik ditentukan oleh komposisi anion:

a) Jika anion asam bebas oksigen (Cl-, Br-, I-, S2-), maka anion ini mengalami oksidasi anodik dan terbentuk zat sederhana:

A(+): 2Cl - - 2ē → Cl2 atau A(+): S2- - 2ē → S0

b) Jika anion yang mengandung oksigen (SO42-, SiO32-, HO-, dll.) mengalami oksidasi anodik, maka nonlogam membentuk oksida (tanpa mengubah keadaan oksidasinya) dan oksigen dilepaskan.

A(+): 2SiO32-- 4ē → 2SiO2 + О2

A(+): 2SO32-- 4ē → 2SO2 + O2

A(+): 4РO43-- 12ē → 2Р2O5 + 3О2

A(+): 4NO3-- 4ē → 2N2O5 + О2

A(+): 4H2O-- 4ē → 2H2O + O2

Contoh 1.1. Garam Cair ZnCl2

ZnCl2 Û Zn2+ + 2Cl-

S: Elektrolisis ZnCl2 dari Zn + Cl2

Contoh 1.2. Larutan alkali NaOH

NaOH Û Na+ + OH-

Persamaan total elektrolisis diperoleh dengan menjumlahkan bagian kanan dan kiri persamaan, asalkan elektron yang terlibat dalam proses katoda dan anoda sama.

https://pandia.ru/text/80/299/images/image006_58.gif" width="70" height="12">4 Na+ + 4 ē + 4 OH - - 4 ē elektrolisis 4 Na0 + O2 + 2H2O

4 Na+ + 4 OH - elektrolisis 4 Na0 + O2 + 2H2O - persamaan ionik

elektrolisis 4NaOH 4Na + 2H2O + O2 - persamaan molekul

Contoh 1.3. Lelehan garam Na2SO4

Na2SO4 Û 2Na+ + SO42-

K(-): Na+ + 1 ē Þ Nao *4

A(+): 2SO42- - 4 ē Þ O2 + 2SO3

4Na+ +2SO42- Þ 2Nao + O2 + 2SO3 – persamaan elektrolisis ionik

Elektrolisis 2Na2SO4 4Nao + O2 + 2SO3 - persamaan molekul

K A

Contoh 1.4. Lelehan garam AgNO3

AgNO3Û Ag+ + NO3-

K(-): Ag+ + 1 ē Þ Lalu *4

A(+): 4NO3- - 4 ē Þ 2N2O5 + 2O2 *1

4Ag+ + 4NO3- elektrolisis 4Ag + 2N2O5 + 2O2

Elektrolisis 4AgNO3 4Ag + 2N2O5 +2O2

K A

Tugas untuk pekerjaan mandiri . Buat persamaan untuk elektrolisis lelehan garam-garam berikut: AlCl3, Cr2(SO4)3, Na2SiO3, K2CO3.

2. Elektrolisis larutan garam, hidroksida dan asam.

Elektrolisis larutan berair diperumit oleh fakta bahwa air dapat mengambil bagian dalam proses oksidasi dan reduksi.

proses katodik ditentukan oleh aktivitas elektrokimia dari kation garam. Semakin ke kiri logam dalam rangkaian tegangan, semakin sulit kationnya direduksi di katoda:

Li K Ca Na mg Al M N Zn Kr Te Ni sn Pb H2 Cu HG Ag Pt Au

SAYA kelompokIIkelompokAKU AKU AKUkelompok

Untuk kation logam hingga termasuk Al (grup I), proses katodiknya adalah reduksi hidrogen dari air:

(-)K: 2H2O + 2ē → H2 + 2H2O-

Untuk kation logam setelah hidrogen (golongan III), proses katodik adalah reduksinya menjadi logam:

(-) K: Men+ + nē → Me0

Untuk kation logam dalam rangkaian tegangan dari Mn ke H2 (grup II), ada proses kompetitif paralel untuk reduksi kation logam dan hidrogen dari air:

(-) K: Men+ + nē → Me0

2Н2О + 2ē → Н2+ 2НО-

Manakah dari proses ini yang akan berlangsung tergantung pada sejumlah faktor: aktivitas Me, pH larutan, konsentrasi garam, voltase yang diberikan, dan kondisi elektrolisis.

Proses anoda ditentukan oleh komposisi anion garam:

A) Jika anion adalah asam bebas oksigen (Cl-, Br-, I-, S2-, dll.), maka anion dioksidasi menjadi zat sederhana (kecuali F-):

A(+): S2- - 2ē → S0

B) Di hadapan anion yang mengandung oksigen (SO42-, CO32-, dll. atau OH-), hanya air yang mengalami oksidasi anodik:

A(+): 2H2O - 4ē → O2 + 4H+

Pertimbangkan contoh yang menggambarkan semua opsi yang memungkinkan:

Contoh 2.1 . larutan garam KCl

K(-): 2H2O + 2e - Þ H2 + 2OH-

A(+): 2Cl - - 2e - Þ Cl2

å: 2H2O + 2Cl - elektrolisis H2 + 2OH - + Cl2 - persamaan elektrolisis ionik

2KCl + 2H2O elektrolisis H2 + 2KOH + Cl2 - persamaan molekul elektrolisis

K A

Contoh 2.2 . larutan garam CuCl2

CuCl2 Û Cu2+ + 2Cl-

K(-): Cu2+ + 2e - Þ Cuo

A(+): 2Cl- -2e - Þ Cl2

å: Elektrolisis CuCl2 dari Cu + Cl2

Contoh 2.3. larutan garam FeCl2

FeCl2 Û Fe2+ + 2Cl-

Besi termasuk logam golongan II, jadi dua proses paralel akan terjadi di katoda:

proses pertama:

(-) K: Fe2+ + 2ē → Fe0

(+)A: 2Cl - - 2ē → Cl2

Fe2+ + 2Cl - el-z Fe0 + Cl2 - persamaan ionik dari proses

FeCl2 el-z Fe0 + Cl2 - persamaan molekul proses

proses ke-2:

(-)K: 2H2O + 2ē → H2+ 2OH-

(+)A: 2Cl - - 2ē → Cl2

2H2O + 2Cl - → H2+ 2OH - + Cl2 - persamaan ionik dari proses

2H2O + FeCl2 elektrolisis H2 + Fe(OH)2 + Cl2 - persamaan molekul.

Dengan demikian, di ruang katoda Fe, H2 dan Fe(OH)2 akan terbentuk dengan perbandingan yang berbeda tergantung pada kondisi elektrolisis.

Contoh 2.4 . Larutan garam Na2SO4.

Na2SO4 Û 2Na+ + SO42-

K(-) 2H2O + 2e - Þ H2 + 2OH - *2

A(+) 2H2O – 4e - Þ O2 + 4H+

å: Elektrolisis 6H2O 2H2 + 4OH - + O2 + 4H+

å: elektrolisis 6H2O + 2Na2SO4 2H2 + 4 NaOH + O2 + 2H2SO4

di ruang katoda di ruang anoda

Ketika arus listrik dimatikan dan isi ruang katoda dan anoda bercampur, hasil akhir elektrolisis dapat direpresentasikan dengan skema:

2H2O el-z 2H2 + O2,

karena alkali akan bereaksi dengan asam membentuk 2 mol garam dan 4 mol air.

Contoh 2.5 . Elektrolisis larutan CuSO4.

CuSO4 Û Cu2+ + SO42-

K(-): Cu2+ + 2e - Þ Cuo

A(+): 2H2O – 4e - Þ O2 + 4H+

å: elektrolisis 2Cu2+ + 2H2O 2Cuo + O2 + 4H+

å: Elektrolisis CuSO4 + 2H2O 2Cuo + O2 + 2H2SO4

Contoh 2.6. Elektrolisis larutan FeSO4

Karena besi termasuk logam golongan II, dua proses kompetitif akan berlangsung secara paralel di katoda (lihat contoh 2.3), dan air akan dioksidasi di anoda (lihat contoh 2.4):

proses pertama:

https://pandia.ru/text/80/299/images/image043_10.gif" width="41" height="12">2Fe2+ + 2Н2О el-z 2 Fe + O2 + 4H+ - persamaan ionik dari proses

2FeSO4 + 2Н2О el-z 2 Fe + O2 + 2Н2SO4– persamaan molekul

proses ke-2:

K(+): 2H2O + 2ē → H2+ 2OH - *2

A(-): 2H2O - 4ē → O2+ 4H+

Elektrolisis 6H2O 2H2+ 4OH - + O2 + 4H+

6Н2О + 2FeSO4 elektrolisis 2Н2+ 2Fe(OH)2 + O2 + 2Н2SO4 - molekuler

https://pandia.ru/text/80/299/images/image051_9.gif" width="21" height="50">Dan hanya jika proses reduksi katodik logam dan kation hidrogen dari air berada dalam proporsi yang sama , Anda dapat menulis persamaan akhir total dari reaksi tersebut:

(-) K: Fe2+ + 2ē → Fe0

2H2O + 2ē → H2+ 2H2O - hanya 4 elektron

(+)A: 2H2O - 4ē → O2 + 4H+

Fe2+ + 2H2O + 2H2O → Fe + H2+ 2H2O - + O2 + 4H+

2FeSO4 + 4Н2О el-z Fe + Н2+ Fe(OH)2 + O2 + 2Н2SO4

anoda katoda

Setelah mematikan arus dan mencampur solusi, persamaan terakhir adalah sebagai berikut:

· Tulis persamaan elektrolisis untuk larutan K2CO3, ZnSO4, AgNO3, NiI2, CoCl2.

· Memecahkan masalah. Untuk menganalisis kandungan pengotor NaCl dalam NaOH teknis, 40 g obat dilarutkan dalam air dan dielektrolisis hingga ion klor teroksidasi sempurna. Dalam hal ini, 601 ml Cl2 dilepaskan di anoda pada suhu 200C dan tekanan normal. Hitung fraksi massa pengotor NaCl dalam NaOH.

3. Elektrolisis c larut S m anoda

Di atas telah dianggap contoh elektrolisis larutan garam berair dengan anoda inert, yaitu yang tidak mengambil bagian kimia dalam proses anoda. Elektroda semacam itu terbuat dari logam mulia yang tidak aktif, seperti Pt, Ir, atau elektroda karbon yang digunakan. Jika anoda terlarut digunakan, misalnya Cu-anode, Zn-anode, maka proses anoda berubah secara signifikan, karena anoda itu sendiri teroksidasi. Pada anoda dari 2 yang bersaing, proses dengan potensi lebih rendah sedang berlangsung: untuk oksidasi tembaga, E0 = - 0,34 V, untuk oksidasi seng, E0 = - 0,76 V, dan untuk oksidasi anion Cl , E0 = + 1,36 V.

Contoh 3.1. Elektrolisis larutan air garam CuCl2 dengan anoda terlarut:

Katoda (-): Cu-anoda (+):

Сu2+ + 2ē → Cu0 Сu0 - 2ē → Cu2+

Jadi, semacam pemurnian anoda tembaga terjadi: ia larut, kotoran tetap berada di ruang anoda, dan tembaga murni disimpan di katoda. Anion klorin tidak teroksidasi, tetapi terakumulasi di ruang anoda.

Contoh 3.2. Elektrolisis larutan air garam KCl dengan anoda Cu:

Cu-anoda (+): Сu0 - 2ē → Cu2+

Di katoda, pada saat awal, hidrogen mulai tereduksi dari air, tetapi munculnya Cu2+ dalam larutan membuat dua reaksi reduksi katodik menjadi kompetitif:

K (-): 2H2O + 2ē → H2 + 2H2O - E0 \u003d - 0,828 V

Cu2+ + 2ē → Cu0 E0 = + 0,34 V

Akibatnya, yang dicirikan oleh potensi yang lebih tinggi berlangsung secara dominan, yaitu reduksi Сu2+ menjadi Cu0.

Jadi, dalam hal ini, Cu-anode akan melarutkan: Сu0 - 2ē → Cu2+, dan kation tembaga yang terbentuk pada katoda akan tereduksi: Сu2+ + 2ē → Cu0. Garam KCl diperlukan hanya untuk meningkatkan konduktivitas listrik larutan, dan tidak mengambil bagian langsung dalam proses redoks.

Penugasan untuk pekerjaan mandiri. Pertimbangkan elektrolisis CuSO4 dengan anoda Cu, Na2SO4 dengan anoda Cu.

Elektrolisis adalah serangkaian proses yang terjadi dalam larutan elektrolit atau meleleh ketika arus listrik melewatinya. Elektrolisis adalah salah satu bidang terpenting dalam elektrokimia.

Elektrolisis hanya terjadi pada media yang menghantarkan listrik. Kemampuan untuk mengalirkan arus juga dimiliki oleh larutan basa dan garam dalam air. Asam anhidrat adalah konduktor yang sangat buruk, tetapi larutan asam dalam air menghantarkan listrik dengan baik. Larutan asam, basa, dan garam dalam cairan lain dalam banyak kasus tidak menghantarkan arus, seperti halnya larutan gula, alkohol, gliserin, dan larutan lain dengan tekanan osmotik normal tidak menghantarkan arus.

Arus listrik yang melewati larutan menyebabkan perubahan kimiawi di dalamnya, yang dinyatakan dalam fakta bahwa produk penguraian zat terlarut atau pelarut dilepaskan dari larutan. Zat yang menghantarkan listrik dalam larutan disebut elektrolit. Elektrolit adalah asam, basa dan garam.

Proses kimia yang terjadi ketika arus dilewatkan melalui larutan elektrolit disebut elektrolisis. Menyelidiki produk yang dilepaskan di elektroda selama elektrolisis asam, basa dan garam, ditemukan bahwa logam dan hidrogen selalu dilepaskan di katoda, dan residu asam atau gugus hidroksil di anoda, yang kemudian mengalami perubahan lebih lanjut. Jadi, produk utama elektrolisis adalah bagian yang sama dari asam, basa, dan garam yang tidak berubah selama reaksi pertukaran, mereka berpindah dari satu zat ke zat lainnya.

Contoh elektrolisis adalah elektrolisis lelehan magnesium klorida. Ketika arus melewati lelehan MgCl2, kation magnesium berpindah ke elektroda negatif di bawah aksi medan listrik. Di sini, berinteraksi dengan elektron yang datang di sirkuit eksternal, mereka dipulihkan.

Anion klorin bergerak ke elektroda positif, dan, melepaskan kelebihan elektron, teroksidasi. Dalam hal ini, proses utamanya adalah tahap elektrokimia yang sebenarnya - oksidasi ion klor:

dan yang kedua adalah pengikatan atom klorin yang dihasilkan menjadi molekul:

Menambahkan persamaan proses yang terjadi pada elektroda, kami memperoleh persamaan keseluruhan dari reaksi redoks yang terjadi selama elektrolisis lelehan MgCl2:

Mg2+ + 2Cl-l=Mg + Cl2

Reaksi ini tidak dapat berlangsung secara spontan; energi yang diperlukan untuk implementasinya berasal dari sumber arus eksternal.

Seperti dalam kasus sumber kimia energi listrik, elektroda tempat terjadinya reduksi disebut katoda; Elektroda tempat terjadinya oksidasi disebut anoda. Tetapi selama elektrolisis, katoda bermuatan negatif, dan anoda bermuatan positif, mis. distribusi tanda muatan elektroda berlawanan dengan yang ada selama pengoperasian sel galvanik. Selama elektrolisis, reaksi kimia dilakukan karena energi arus listrik yang disuplai dari luar, sedangkan selama pengoperasian sel galvanik, energi reaksi kimia yang terjadi secara spontan di dalamnya diubah menjadi energi listrik.

Saat mempertimbangkan elektrolisis larutan, orang tidak boleh melupakan fakta bahwa, selain ion elektrolit, dalam larutan berair juga terdapat ion yang masih merupakan produk disosiasi air - H + dan OH -. Dalam medan elektrolisis, ion hidrogen bergerak ke katoda, dan ion hidroksil bergerak ke anoda. Dengan demikian, kation elektrolit dan kation hidrogen dapat dilepaskan di katoda. Demikian pula, di anoda, anion elektrolit dan ion hidroksil dapat dilepaskan. Selain itu, molekul air juga dapat mengalami oksidasi atau reduksi elektrokimia.

Proses elektrokimia mana yang akan terjadi pada elektroda selama elektrolisis terutama akan bergantung pada rasio potensial elektroda dari sistem elektrokimia yang sesuai. Ini berarti bahwa bentuk teroksidasi dari sistem elektrokimia akan direduksi di katoda. Dari beberapa kemungkinan proses, proses dengan konsumsi energi minimum akan dilanjutkan. Ini berarti bahwa sistem elektrokimia bentuk teroksidasi dengan potensial elektroda tertinggi akan direduksi di katoda, sedangkan bentuk sistem tereduksi dengan potensial elektroda terendah akan dioksidasi di anoda. Bahan elektroda memiliki efek penghambatan pada jalannya beberapa proses elektrokimia.

c \u003d -0,059 * 7 \u003d -0,41 V.

Dari sini jelas bahwa jika elektrolit dibentuk oleh logam yang potensial elektrodanya jauh lebih positif dari -0,41 V, maka logam akan dilepaskan dari larutan netral di katoda. Logam semacam itu berada dalam rangkaian voltase di dekat hidrogen (mulai kira-kira dari timah) dan setelahnya. Sebaliknya, dalam kasus elektrolit, logam yang memiliki potensi jauh lebih negatif dari -0,41 V, logam tidak akan pulih, tetapi hidrogen akan dilepaskan. Logam semacam itu termasuk logam dengan awal rangkaian tekanan - kira-kira hingga titanium. Terakhir, jika potensial logam mendekati -0,41 V (logam di bagian tengah deret - Zn, Cr, Fe, Ni), maka, bergantung pada konsentrasi larutan dan kondisi elektrolisis, kedua logam tersebut reduksi dan evolusi hidrogen dimungkinkan; seringkali ada pelepasan bersama logam dan hidrogen.

Pelepasan elektrokimia hidrogen dari larutan asam terjadi karena pelepasan ion hidrogen. Dalam kasus media netral atau basa, ini adalah hasil dari reduksi air secara elektrokimia:

2H2O + 2e- \u003d H2 + 2OH-.

Dengan demikian, sifat proses katodik selama elektrolisis larutan berair ditentukan terutama oleh posisi logam yang sesuai dalam rangkaian voltase. Dalam beberapa kasus, pH larutan, konsentrasi ion logam, dan kondisi elektrolisis lainnya sangat penting.

Saat mempertimbangkan proses anoda, perlu diingat bahwa bahan anoda dapat teroksidasi selama elektrolisis. Dalam hal ini, elektrolisis dengan anoda inert dan elektrolisis dengan anoda aktif dibedakan. Anoda disebut inert, bahan yang tidak mengalami oksidasi selama elektrolisis. Anoda aktif adalah anoda, bahan yang dapat dioksidasi selama elektrolisis. Sebagai bahan untuk anoda inert, grafit, batubara, dan platina lebih sering digunakan.

Pada anoda inert selama elektrolisis larutan berair alkali, asam yang mengandung oksigen dan garamnya, serta asam fluorida dan fluorida, oksidasi elektrokimia air terjadi dengan pelepasan oksigen. Bergantung pada pH larutan, proses ini berlangsung secara berbeda dan dapat ditulis dalam persamaan yang berbeda. Dalam lingkungan alkalin, persamaan memiliki bentuk:

4OH- \u003d O2 + 2H2O + 4e-,

dan dalam suasana asam atau netral:

2H2O \u003d O2 + 4H + + 4e-

Dalam kasus yang dipertimbangkan, oksidasi elektrokimia air adalah proses yang paling disukai secara energetik. Anion yang mengandung oksigen tidak dapat dioksidasi, atau oksidasinya terjadi pada potensial yang sangat tinggi. Misalnya, potensi oksidasi standar ion SO42-2SO22- \u003d S2O82- + 2e-

adalah 2,010 V, yang jauh lebih tinggi dari potensi oksidasi air standar (1,228 V). Potensi oksidasi standar ion F bahkan lebih besar (2,87 V).

Selama elektrolisis larutan air asam anoksik dan garamnya (kecuali HF dan fluorida), anion dilepaskan di anoda. Secara khusus, selama elektrolisis larutan HI, HBr, HCl dan garamnya, halogen yang sesuai dilepaskan di anoda. Perhatikan bahwa pelepasan klorin selama elektrolisis HCl dan garamnya bertentangan dengan posisi timbal balik sistem

2Cl- \u003d 2Cl + 2e- (c \u003d 1,359 V),

dan 2H2O \u003d O2 + 4H + + 4e- (c \u003d 1,228 V)

dalam serangkaian potensial elektroda standar. Anomali ini dikaitkan dengan tegangan berlebih yang signifikan pada proses kedua dari dua elektroda ini - bahan anoda memiliki efek penghambatan pada proses evolusi oksigen.

Dalam kasus anoda aktif, jumlah proses oksidatif yang bersaing meningkat menjadi tiga: oksidasi elektrokimia air dengan evolusi oksigen, pelepasan anion (yaitu oksidasinya), dan oksidasi elektrokimia logam anoda (yang disebut pembubaran anodik dari logam). Dari proses yang mungkin ini, proses yang paling disukai secara energik akan dilanjutkan. Jika logam anoda ditempatkan dalam rangkaian potensial standar lebih awal dari kedua sistem elektrokimia lainnya, maka pelarutan logam anodik akan diamati. Jika tidak, akan terjadi evolusi pelepasan oksigen atau anion.

Mari kita pertimbangkan kasus khas elektrolisis larutan berair.

Elektrolisis larutan CuCl2 dengan anoda inert. Tembaga dalam rangkaian voltase terletak setelah hidrogen; oleh karena itu, di katoda, pelepasan ion Cu2+ dan pelepasan logam tembaga akan terjadi. Di anoda, ion klorida akan habis.

Skema elektrolisis larutan tembaga (II) klorida:

Katoda Anoda

Cu2+ + 2e- =Cu 2Cl- =2Cl + 2e-

Faktor-faktor yang bergantung pada elektrolisis

Efisiensi elektrolisis dievaluasi oleh sejumlah faktor, yang meliputi: kekuatan arus, tegangan, kerapatan arus, efisiensi sumber arus, efisiensi arus, efisiensi zat, efisiensi listrik (efisiensi energi), konsumsi listrik per unit produk yang diperoleh .

Kekuatan atau beban arus pada pengelektrolisis mencirikan kinerjanya. Semakin tinggi kekuatan arus yang melewati elektroliser, semakin banyak produk yang diperoleh selama pengoperasian elektroliser ini. Ada kecenderungan untuk membuat elektroliser yang kuat, yang dirancang dalam beberapa kasus untuk puluhan dan ratusan ribu ampere (produksi klorin, aluminium, dll.) Tegangan pada elektroliser terdiri dari beberapa komponen:

U=ea-ek + ?ea + ?ek + eel.-ediaph.+ econt.

dimana: U adalah tegangan total pada sel; ea dan ek adalah potensial kesetimbangan reaksi anodik dan katodik; surel dan ediafr - penurunan tegangan pada elektrolit dan diafragma; econt - penurunan tegangan pada kontak. Jumlah dari ea-ek disebut tegangan dekomposisi. Nilai ini sesuai dengan konsumsi listrik untuk elektrolisis, yang langsung menuju perubahan energi internal zat.

Selama elektrolisis, seseorang cenderung mengurangi tegangan pada sel karena besarnya polarisasi dan keadaan ohmik dari keseimbangan tegangan, yaitu istilah karena proses yang tidak dapat diubah. Tegangan dekomposisi disebabkan oleh sifat reaktan dan oleh karena itu tidak dapat diubah. Nilai ?ek dan ?ea dapat diubah tergantung dari sifat reaksi elektrokimia yang terjadi pada elektroda dengan cara pencampuran, peningkatan suhu elektrolit, perubahan keadaan permukaan elektroda, dan karena sejumlah dari faktor lain.

Penurunan tegangan pada elektrolit, dinyatakan dengan persamaan

di mana c adalah resistansi spesifik elektrolit, Ohm cm, l adalah jarak antara elektroda, cm (tidak termasuk diafragma), S adalah luas penampang elektrolit yang dilalui arus listrik cm2, dapat dikurangi , sebagai berikut dari ungkapan di atas, konvergensi elektroda, masuknya aditif yang lebih elektronegatif ke dalam larutan, serta peningkatan suhu.

Jika elektrolisis disertai dengan pembentukan gas, maka ungkapan di atas tidak selalu sesuai dengan penurunan tegangan pada elektrolit. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa gelembung gas yang dilepaskan pada elektroda mengurangi penampang aktif elektrolit S dan memperpanjang jalur arus dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Fenomena ini disebut pengisian gas, yang dapat didefinisikan sebagai rasio volume udara yang saat ini ditempati gelembung dengan volume total sel elektrolitik. Pengaruh pengisian gas pada konduktivitas listrik elektrolit dapat diperhitungkan dengan menggunakan ungkapan berikut:

s/s0=1-1,78ts+ts2,

di mana c dan c0 masing-masing adalah resistansi spesifik dari elektrolit kontinyu dan berisi gas, c adalah pengisian gas.

Nilai u dapat dikurangi dengan menaikkan suhu, serta dengan susunan elektroda khusus yang memastikan pembuangan gas secara bebas dari sel.

Efisiensi tegangan adalah rasio tegangan dekomposisi terhadap tegangan total pada bak mandi:

val=(ea-ek)/U

Kepadatan arus adalah rasio gaya yang melewati arus elektrolit dengan ukuran permukaan elektroda; diukur dalam A/cm2 (dm2 atau m2). Dalam industri, mereka bekerja dengan kerapatan arus yang berbeda - dari beberapa ratus A/cm2 (pelapisan listrik, hidroelektrometalurgi, produksi klorin) hingga beberapa ribu A/cm2 (elektrolisis lelehan, elektrosintesis, dll.)

Nilai kerapatan arus mencirikan jumlah produk yang diperoleh per satuan permukaan elektroda, yaitu efisiensi elektroliser. Oleh karena itu, jika peningkatan kerapatan arus tidak menyebabkan penurunan hasil produk elektrolisis, seseorang cenderung melakukan proses dengan kerapatan arus setinggi mungkin. Namun, ketika memilih nilai kerapatan arus yang optimal, dalam beberapa kasus perlu memperhitungkan peningkatan biaya produk karena peningkatan konsumsi listrik untuk elektrolisis karena peningkatan tegangan dengan peningkatan tegangan. kepadatan arus. Selama elektrolisis, arus yang melewati elektrolit dapat dihabiskan untuk beberapa reaksi elektrokimia paralel. Misalnya, dalam elektrolisis larutan berair, reaksi oksidasi atau reduksi elektrokimia disertai dengan reaksi penguraian air menjadi O2 dan H2, yang masing-masing dilepaskan di anoda dan katoda. Dalam elektrolisis lelehan cryolite-alumina, arus dalam kondisi tertentu dapat digunakan tidak hanya untuk pelepasan aluminium, tetapi juga untuk pembentukan logam natrium pada katoda.

Akibatnya, arus yang melewati elektrolit didistribusikan di antara beberapa proses yang terjadi secara bersamaan pada elektroda tertentu:

I=i1+i2+i3+…+i n

dimana: I - arus yang mengalir melalui sel; i1 dan i2 - arus yang dikonsumsi per unit untuk reaksi elektrolitik pertama dan kedua.

Untuk memperhitungkan efisiensi penggunaan jumlah listrik yang melewati pengelektrolisis untuk pembentukan produk tertentu, konsep keluaran arus diperkenalkan.

Keluaran saat ini - rasio jumlah yang secara teoritis diperlukan untuk diperoleh

dari jumlah listrik ini atau itu ke jumlah listrik yang dihabiskan secara praktis. Untuk mengurangi biaya listrik untuk reaksi elektrokimia samping dan meningkatkan arus, elektrolisis dicoba dilakukan dalam kondisi di mana penguraian pelarut sulit, yaitu. polarisasi tinggi selama oksidasi atau reduksi pelarut (misalnya, tegangan berlebih oksigen atau hidrogen). Ini dicapai dengan meningkatkan kerapatan arus, mengubah suhu elektrolit, memilih bahan elektrolit, dll.

Hasil zat adalah rasio jumlah produk yang diperoleh sebagai hasil reaksi elektrokimia terhadap jumlah yang secara teoritis harus dibentuk, berdasarkan pembebanan yang diberikan dari produk awal. Efisiensi penggunaan listrik (hasil energi) adalah rasio jumlah listrik yang secara teoritis diperlukan untuk mendapatkan satu unit zat dengan yang dikonsumsi secara praktis. Secara teoritis, jumlah listrik yang dibutuhkan adalah jumlah yang diperlukan untuk mendapatkan jumlah satuan suatu zat jika proses berlangsung dengan efisiensi arus 100% dan pada tegangan yang sama dengan tegangan dekomposisi. Oleh karena itu, keluaran energi dapat ditentukan dengan rumus:

ze \u003d Wp / N \u003d * val saat ini

Keluaran dalam hal arus, arus dan zat, serta efisiensi penggunaan listrik znpr biasanya diukur dalam persentase. Konsumsi listrik biasanya disebut sebagai satuan jumlah produk yang dihasilkan, diukur dalam Wh/kg atau kWh/t. Untuk menghitung konsumsi listrik DC per 1 ton produk yang dihasilkan dengan elektrolisis, Anda dapat menggunakan rumus berikut:

W=1*106*U/k masuk *1000

dimana: W - DC konsumsi listrik kWh/t; U - tegangan pada sel, V; k ekuivalen elektrokimia, gram/a*r; ztoka - keluaran saat ini, pecahan dari satu unit; 1000 - koefisien untuk mengubah watt*h menjadi kW*h.

Konsumsi listrik AC per unit produk yang dihasilkan dapat ditentukan dengan membagi konsumsi listrik DC dengan besaran yang sama dari koefisien pembentukan AC ke DC.

Ada hubungan kuantitatif yang ketat antara waktu untuk mengalirkan arus listrik melalui larutan atau lelehan elektrolit (jumlah listrik) dan jumlah zat yang terbentuk dan dikonsumsi.

Aplikasi elektrolisis

Elektrolisis banyak digunakan di berbagai industri. Dalam industri kimia, elektrolisis menghasilkan produk penting seperti klorin dan alkali, klorat dan perklorat, asam persulfat dan persulfat, kalium permanganat, senyawa organik, hidrogen murni secara kimiawi, oksigen, fluor, dan sejumlah produk berharga lainnya.

Dalam metalurgi non-besi, elektrolisis digunakan untuk pemurnian logam, untuk mengekstraksi logam dari bijih. Logam yang tidak dapat diisolasi dari larutan berair karena potensi negatif yang tinggi diperoleh dalam metalurgi non-ferrous dengan elektrolisis media cair, yang merupakan garam dari logam ini yang mengandung aditif dari berbagai senyawa yang dimasukkan untuk menurunkan suhu leleh lelehan, meningkatkan konduktivitas listrik, dll. Di antara logam yang diperoleh dengan elektrolisis media cair adalah aluminium, magnesium, zirkonium, titanium, uranium, berilium, dan sejumlah logam lainnya.

Elektrolisis digunakan di banyak cabang teknik mesin, teknik radio, elektronik, dan industri percetakan untuk menerapkan lapisan logam tipis ke permukaan produk untuk melindunginya dari korosi, memberikan tampilan dekoratif, meningkatkan ketahanan aus, ketahanan panas, dan memperoleh salinan logam.

Terlepas dari berbagai macam elektrolit, elektroda, elektroliser, ada masalah umum elektrolisis teknis. Ini termasuk transfer muatan, panas, massa, distribusi medan listrik. Untuk mempercepat proses transfer, disarankan untuk meningkatkan kecepatan semua aliran dan menerapkan konveksi paksa. Proses elektroda dapat dikontrol dengan mengukur arus pembatas.

Elektrolisis, jelas, dapat berfungsi sebagai metode kontrol hanya dalam sistem elektrolit (konduktif), yang jumlah relatifnya tidak begitu besar.

Apa itu elektrolisis? Untuk pemahaman yang lebih sederhana tentang jawaban atas pertanyaan ini, bayangkan sumber arus searah apa pun. Untuk setiap sumber DC, Anda selalu dapat menemukan kutub positif dan negatif:

Mari kita sambungkan dua pelat konduktif elektrik yang tahan bahan kimia, yang akan kita sebut elektroda. Pelat yang terhubung ke kutub positif disebut anoda, dan ke kutub negatif disebut katoda:

Natrium klorida adalah elektrolit; ketika meleleh, ia berdisosiasi menjadi kation natrium dan ion klorida:

NaCl \u003d Na + + Cl -

Jelas bahwa anion klorin yang bermuatan negatif akan menuju ke elektroda bermuatan positif - anoda, dan kation Na + yang bermuatan positif akan menuju ke elektroda bermuatan negatif - katoda. Akibatnya, kation Na + dan anion Cl - akan habis, yaitu menjadi atom netral. Pelepasan terjadi melalui perolehan elektron dalam kasus ion Na + dan pelepasan elektron dalam kasus ion Cl −. Artinya, proses berlangsung di katoda:

Na + + 1e − = Na 0 ,

Dan di anoda:

Cl − − 1e − = Cl

Karena setiap atom klor memiliki elektron yang tidak berpasangan, keberadaan tunggal mereka tidak menguntungkan dan atom klor bergabung menjadi molekul dua atom klorin:

Сl∙ + ∙Cl \u003d Cl 2

Jadi, secara total, proses yang terjadi di anoda lebih tepat ditulis sebagai berikut:

2Cl - - 2e - = Cl 2

Yaitu, kami memiliki:

Katoda: Na + + 1e − = Na 0

Anoda: 2Cl - - 2e - = Cl 2

Mari kita rangkum saldo elektronik:

Na + + 1e − = Na 0 |∙2

2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1<

Jumlahkan ruas kiri dan kanan kedua persamaan setengah reaksi, kita mendapatkan:

2Na + + 2e − + 2Cl − − 2e − = 2Na 0 + Cl 2

Kami mengurangi dua elektron dengan cara yang sama seperti yang dilakukan dalam aljabar, kami mendapatkan persamaan ion elektrolisis:

2NaCl (l.) => 2Na + Cl 2

Dari sudut pandang teoretis, kasus yang dipertimbangkan di atas adalah yang paling sederhana, karena dalam lelehan natrium klorida, di antara ion bermuatan positif, hanya ada ion natrium, dan di antara yang negatif, hanya anion klorin.

Dengan kata lain, baik kation Na + maupun anion Cl − tidak memiliki "pesaing" untuk katoda dan anoda.

Dan apa yang akan terjadi, misalnya, jika alih-alih melelehkan natrium klorida, arus dilewatkan melalui larutan berairnya? Disosiasi natrium klorida juga diamati dalam kasus ini, tetapi pembentukan logam natrium dalam larutan berair menjadi tidak mungkin. Bagaimanapun, kita tahu bahwa natrium, perwakilan dari logam alkali, adalah logam yang sangat aktif yang bereaksi sangat keras dengan air. Jika natrium tidak dapat direduksi dalam kondisi seperti itu, lalu apa yang akan direduksi di katoda?

Mari kita mengingat struktur molekul air. Ini adalah dipol, yaitu memiliki kutub negatif dan positif:

Karena sifat inilah ia mampu "menempel" baik permukaan katoda maupun permukaan anoda:

Proses berikut mungkin terjadi:

2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2

2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +

Jadi, ternyata jika kita mempertimbangkan larutan elektrolit apa pun, kita akan melihat bahwa kation dan anion yang terbentuk selama disosiasi elektrolit bersaing dengan molekul air untuk reduksi di katoda dan oksidasi di anoda.

Jadi proses apa yang akan terjadi di katoda dan di anoda? Pelepasan ion yang terbentuk selama disosiasi elektrolit atau oksidasi / reduksi molekul air? Atau mungkin semua proses ini akan terjadi secara bersamaan?

Bergantung pada jenis elektrolitnya, berbagai situasi dimungkinkan selama elektrolisis larutan berairnya. Misalnya, kation logam alkali, alkali tanah, aluminium dan magnesium tidak dapat direduksi begitu saja di lingkungan perairan, karena reduksinya seharusnya menghasilkan logam alkali, logam alkali tanah, aluminium atau magnesium. logam yang bereaksi dengan air.

Dalam hal ini, hanya reduksi molekul air di katoda yang dimungkinkan.

Dimungkinkan untuk mengingat proses apa yang akan terjadi pada katoda selama elektrolisis larutan elektrolit apa pun, mengikuti prinsip-prinsip berikut:

1) Jika elektrolit terdiri dari kation logam, yang dalam keadaan bebas dalam keadaan normal bereaksi dengan air, proses berikut berlangsung di katoda:

2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2

Ini berlaku untuk logam yang berada di awal rangkaian aktivitas Al, inklusif.

2) Jika elektrolit terdiri dari kation logam, yang dalam bentuk bebasnya tidak bereaksi dengan air, tetapi bereaksi dengan asam bukan pengoksidasi, maka terjadi dua proses sekaligus, baik reduksi kation logam maupun molekul air:

Saya n+ + ne = Saya 0

Logam-logam ini termasuk antara Al dan H dalam rangkaian aktivitas.

3) Jika elektrolit terdiri dari kation hidrogen (asam) atau kation logam yang tidak bereaksi dengan asam bukan pengoksidasi, hanya kation elektrolit yang dipulihkan:

2H + + 2e - \u003d H 2 - dalam kasus asam

Me n + + ne = Me 0 - dalam kasus garam

Di anoda, sementara itu, situasinya adalah sebagai berikut:

1) Jika elektrolit mengandung anion residu asam bebas oksigen (kecuali F -), maka proses oksidasinya terjadi di anoda, molekul air tidak teroksidasi. Misalnya:

2Cl - - 2e \u003d Cl 2

S 2- − 2e = S o

Ion fluorida tidak teroksidasi di anoda karena fluor tidak dapat terbentuk dalam larutan berair (bereaksi dengan air)

2) Jika elektrolit mengandung ion hidroksida (alkali), mereka teroksidasi bukan molekul air:

4OH - - 4e - \u003d 2H 2 O + O 2

3) Jika elektrolit mengandung residu asam yang mengandung oksigen (kecuali residu asam organik) atau ion fluoride (F -) pada anoda, proses oksidasi molekul air terjadi:

2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +

4) Dalam kasus residu asam dari asam karboksilat pada anoda, proses berikut terjadi:

2RCOO - - 2e - \u003d R-R + 2CO 2

Mari berlatih menulis persamaan elektrolisis untuk berbagai situasi:

Contoh 1

Tuliskan persamaan proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis lelehan seng klorida, serta persamaan elektrolisis umumnya.

Larutan

Ketika seng klorida dilelehkan, ia berdisosiasi:

ZnCl 2 \u003d Zn 2+ + 2Cl -

Selanjutnya, perhatian harus diberikan pada fakta bahwa lelehan seng kloridalah yang mengalami elektrolisis, dan bukan larutan berair. Dengan kata lain, tanpa opsi, hanya reduksi kation seng yang dapat terjadi di katoda, dan oksidasi ion klorida di anoda. tidak ada molekul air

Katoda: Zn 2+ + 2e − = Zn 0 |∙1

Anoda: 2Cl − − 2e − = Cl 2 |∙1

ZnCl 2 \u003d Zn + Cl 2

Contoh #2

Tulis persamaan untuk proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis larutan seng klorida, serta persamaan elektrolisis umum.

Karena dalam hal ini, larutan berair mengalami elektrolisis, maka, secara teoritis, molekul air dapat mengambil bagian dalam elektrolisis. Karena seng terletak pada rangkaian aktivitas antara Al dan H, ini berarti reduksi kation seng dan molekul air akan terjadi di katoda.

2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2

Zn 2+ + 2e − = Zn 0

Ion klorida adalah residu asam dari asam bebas oksigen HCl, oleh karena itu, dalam kompetisi oksidasi di anoda, ion klorida “menang” atas molekul air:

2Cl - - 2e - = Cl 2

Dalam kasus khusus ini, tidak mungkin untuk menulis persamaan elektrolisis keseluruhan, karena rasio antara hidrogen dan seng yang dilepaskan di katoda tidak diketahui.

Contoh #3

Tulis persamaan untuk proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis larutan tembaga nitrat berair, serta persamaan elektrolisis umum.

Tembaga nitrat dalam larutan berada dalam keadaan terdisosiasi:

Cu(NO 3) 2 \u003d Cu 2+ + 2NO 3 -

Tembaga berada dalam rangkaian aktivitas di sebelah kanan hidrogen, yaitu kation tembaga akan tereduksi di katoda:

Cu 2+ + 2e − = Cu 0

Ion nitrat NO 3 - adalah residu asam yang mengandung oksigen, yang berarti bahwa dalam oksidasi di anoda, ion nitrat “kalah” dalam persaingan dengan molekul air:

2H 2 O - 4e - \u003d O 2 + 4H +

Dengan demikian:

Katoda: Cu 2+ + 2e − = Cu 0 |∙2

2Cu 2+ + 2H 2O = 2Cu 0 + O 2 + 4H +

Persamaan yang diperoleh sebagai hasil penambahan adalah persamaan ion elektrolisis. Untuk mendapatkan persamaan elektrolisis molekuler lengkap, Anda perlu menambahkan 4 ion nitrat ke sisi kiri dan kanan persamaan ionik yang dihasilkan sebagai ion lawan. Maka kita akan mendapatkan:

2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu0 + O2 + 4HNO3

Contoh #4

Tulis persamaan untuk proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis larutan kalium asetat berair, serta persamaan elektrolisis umum.

Larutan:

Kalium asetat dalam larutan berair berdisosiasi menjadi kation kalium dan ion asetat:

CH 3 MASAK \u003d CH 3 COO − + K +

Kalium adalah logam alkali, mis. adalah dalam rangkaian tegangan elektrokimia di awal. Ini berarti kationnya tidak dapat dibuang di katoda. Sebaliknya, molekul air akan dipulihkan:

2H 2 O + 2e - \u003d 2OH - + H 2

Seperti disebutkan di atas, residu asam dari asam karboksilat “menang” dalam persaingan oksidasi dari molekul air di anoda:

2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Jadi, menjumlahkan keseimbangan elektronik dan menjumlahkan dua persamaan setengah reaksi di katoda dan anoda, kita memperoleh:

Katoda: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙1

Anoda: 2CH 3 COO - - 2e - \u003d CH 3 -CH 3 + 2CO 2 | ∙ 1

2H 2 O + 2CH 3 COO - \u003d 2OH - + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Kami telah memperoleh persamaan elektrolisis lengkap dalam bentuk ionik. Dengan menambahkan dua ion kalium ke sisi kiri dan kanan persamaan dan menambahkannya dengan counterion, kita mendapatkan persamaan elektrolisis lengkap dalam bentuk molekul:

2H 2 O + 2CH 3 MASAK \u003d 2KOH + H 2 + CH 3 -CH 3 + 2CO 2

Contoh #5

Tulis persamaan untuk proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis larutan asam sulfat berair, serta persamaan elektrolisis umum.

Asam sulfat berdisosiasi menjadi kation hidrogen dan ion sulfat:

H 2 SO 4 \u003d 2H + + SO 4 2-

Kation hidrogen H + akan direduksi di katoda, dan molekul air akan dioksidasi di anoda, karena ion sulfat adalah residu asam yang mengandung oksigen:

Katoda: 2Н + + 2e − = H 2 |∙2

Anoda: 2H 2 O - 4e - = O 2 + 4H + |∙1

4H + + 2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 + 4H +

Mengurangi ion hidrogen di sisi kiri dan kanan dan kiri persamaan, kami memperoleh persamaan untuk elektrolisis larutan asam sulfat berair:

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2

Seperti dapat dilihat, elektrolisis larutan berair asam sulfat direduksi menjadi elektrolisis air.

Contoh #6

Tulis persamaan untuk proses yang terjadi di katoda dan anoda selama elektrolisis larutan natrium hidroksida berair, serta persamaan elektrolisis umum.

Disosiasi natrium hidroksida:

NaOH = Na + + OH -

Hanya molekul air yang akan tereduksi di katoda, karena natrium adalah logam yang sangat aktif, dan hanya ion hidroksida di anoda:

Katoda: 2H 2 O + 2e − = 2OH − + H 2 |∙2

Anoda: 4OH − − 4e − = O 2 + 2H 2 O |∙1

4H 2 O + 4OH - \u003d 4OH - + 2H 2 + O 2 + 2H 2 O

Mari kita reduksi dua molekul air di kiri dan di kanan dan 4 ion hidroksida dan sampai pada kesimpulan bahwa, seperti dalam kasus asam sulfat, elektrolisis larutan natrium hidroksida berair direduksi menjadi elektrolisis air.

Klorinasi

Penggunaan natrium hipoklorit (NaClO) karena kemampuan kimiawinya untuk menetralkan sejumlah mikroorganisme berbahaya. Sifat bakterisidalnya ditujukan untuk menghancurkan sejumlah jamur dan bakteri berbahaya.

Untuk mendapatkan natrium hipoklorit, perlu dilakukan proses klorinasi natrium hidroksida (NaOH) menggunakan molekul klorin (Cl).

Prinsip kerja natrium hipoklorit (NaClO) cukup sederhana, karena zat ini memiliki sifat biosidal (biosida - bahan kimia yang dirancang untuk memerangi mikroorganisme berbahaya atau patogen) yang tinggi. Ketika natrium hipoklorit (NaClO) memasuki air, ia mulai terurai secara aktif, membentuk partikel aktif dalam bentuk radikal dan oksigen Radikal natrium hipoklorit (NaClO) diarahkan melawan mikroorganisme berbahaya. Partikel aktif natrium hipoklorit (NaClO) mulai menghancurkan kulit terluar atau biofilm mikroorganisme, sehingga menyebabkan kematian terakhir berbagai jamur patogen, virus dan bakteri.Komposisi kimia natrium hipoklorit ditujukan untuk mendisinfeksi dan mendisinfeksi air . Oleh karena itu, zat ini menempati tempat penting dalam banyak bidang kehidupan manusia. Studi dunia menunjukkan bahwa natrium hipoklorit (NaClO) digunakan untuk desinfeksi pada 91% kasus, 9% sisanya termasuk kalium atau litium hipoklorit. Namun agar zat ini memberikan hasil dan manfaat dalam kehidupan sehari-hari, perlu dilakukan pemantauan konsentrasi larutan secara cermat.
Klorinasi ternyata menjadi cara termudah dan termurah untuk mendisinfeksi air, sehingga cepat menyebar ke seluruh dunia. Sekarang kita dapat mengatakan bahwa metode tradisional untuk mendisinfeksi air minum, yang diadopsi di seluruh dunia (dalam 99 kasus dari 100), tepatnya adalah klorinasi, dan saat ini ratusan ribu ton klorin digunakan setiap tahun untuk mengklorinasi air. Rusia, lebih dari 99% air mengalami klorinasi dan untuk tujuan ini, rata-rata sekitar 100 ribu ton klorin digunakan per tahun.

Dalam praktik disinfeksi air minum saat ini, klorinasi paling sering digunakan sebagai metode yang paling ekonomis dan efektif dibandingkan dengan metode lain yang diketahui, karena ini adalah satu-satunya cara untuk memastikan keamanan mikrobiologis air di titik mana pun dalam jaringan distribusi. waktu karena efek samping klorin.
Diketahui bahwa klorin (Cl), bereaksi dengan air, tidak membentuk "air klorin" (seperti yang diperkirakan sebelumnya), tetapi asam hipoklorit ( HClO) - zat pertama yang diperoleh ahli kimia, yang mengandung klorin aktif.
Dari persamaan reaksi: HClO + HCl ↔ Cl 2 + H 2 O, maka secara teoritis dari 52,5 g. HClO Anda bisa mendapatkan 71 g Cl2, yaitu asam hipoklorit mengandung 135,2% klorin aktif. Tetapi asam ini tidak stabil: konsentrasi maksimumnya dalam larutan tidak lebih dari 30%.
Klorin mudah larut dalam air, membunuh semua makhluk hidup di dalamnya. Seperti yang terjadi setelah pencampuran gas klorin dengan air, kesetimbangan terbentuk dalam larutan berair:
Cl 2 + H 2 O ↔ HClO + HCl
Kemudian terjadi disosiasi (disosiasi adalah penguraian suatu partikel (molekul, radikal, ion) menjadi beberapa partikel yang lebih sederhana) dari asam hipoklorit yang terbentuk HOCl ↔ H+ + OCl –
Kehadiran asam hipoklorit dalam larutan air klorin dan anion yang dihasilkan dari disosiasi OSI - memiliki sifat bakterisidal yang kuat (ini adalah kemampuan untuk menghancurkan mikroorganisme). Ternyata asam hipoklorit bebas hampir 300 kali lebih aktif daripada ion hipoklorit. ClO-. Ini dijelaskan oleh kemampuan uniknya HClO menembus bakteri melalui membrannya. Selain itu, seperti yang telah kami tunjukkan, asam hipoklorit dapat terurai dalam cahaya:
2HClO → 2 1O 2 + 2HCl → O 2 + HCl
dengan pembentukan asam klorida dan atom (singlet) oksigen (sebagai zat antara), yang merupakan zat pengoksidasi terkuat.

Proses klorinasi.

Di instalasi pengolahan air, klorin disuplai dalam keadaan cair dalam wadah khusus dengan berbagai kapasitas, silinder volume kecil dan sedang. Tetapi klorin dalam bentuk gas digunakan untuk mendisinfeksi air. Klorin gas diperoleh dari klorin cair melalui penguapannya di evaporator koil, yang merupakan peralatan silinder vertikal dengan koil ditempatkan di dalamnya, yang dilalui klorin cair. Dosis gas klorin yang diperoleh ke dalam air dilakukan melalui perangkat khusus - klorinator vakum.
Setelah klorin dimasukkan ke dalam air yang diolah, pencampurannya yang baik dengan air dan durasi kontak yang cukup dengan air (setidaknya 30 menit) harus dipastikan sebelum air disuplai ke konsumen. Perlu dicatat bahwa air sebelum klorinasi harus sudah disiapkan dan biasanya klorinasi dilakukan sebelum air yang diklarifikasi memasuki tangki air bersih, di mana waktu kontak yang diperlukan dipastikan.

Keuntungan utama menggunakan gas klorin untuk desinfeksi air
adalah:

biaya proses desinfeksi air yang rendah;
kemudahan melakukan proses klorinasi;
kemampuan desinfektan yang tinggi dari gas klorin;
klorin tidak hanya mempengaruhi mikroorganisme, tetapi juga mengoksidasi zat organik dan anorganik;
klorin menghilangkan rasa dan bau air, warnanya, tidak berkontribusi pada peningkatan kekeruhan.

Namun, klorin adalah zat beracun yang sangat efektif yang termasuk dalam kelas bahaya kedua Gas klorin adalah zat pengoksidasi kuat, mendukung pembakaran banyak zat organik, dan mudah terbakar jika bersentuhan dengan zat yang mudah terbakar. Serbuk terpentin, titanium, dan logam dalam atmosfer klorin mampu terbakar secara spontan pada suhu kamar. Klorin membentuk campuran eksplosif dengan hidrogen.
Terkadang biaya untuk memastikan keamanan klorinasi melebihi biaya klorinasi air yang sebenarnya.

Dalam hal ini, penggunaan natrium hipoklorit sebagai zat klorin dalam klorinasi air merupakan alternatif yang baik untuk gas klorin.

Elektrolisa

Metode termurah, paling sederhana dan teraman adalah untuk mendapatkan larutan desinfektan natrium hipoklorit dengan elektrolisis larutan natrium klorida (NaCl) berair dan interaksinya dengan alkali dalam peralatan yang sama - elektroliser.

Foto-foto menunjukkan pengelektrolisis. Pompa dosis Seko untuk dosis natrium hipoklorit dan pompa Argal yang tertutup rapat untuk memompa air garam NaCl

Sementara mempertahankan semua keuntungan klorinasi klorin cair, dekontaminasi natrium hipoklorit elektrolitik menghindari kesulitan utama pengangkutan dan penyimpanan gas beracun.
Penggunaan larutan natrium hipoklorit dengan konsentrasi rendah meningkatkan keamanan proses produksi desinfeksi air dibandingkan dengan klorin cair dan larutan natrium hipoklorit dengan konsentrasi tinggi.
Garam adalah bahan baku untuk produksi natrium hipoklorit. Karena reagen digunakan langsung di tempat penerimaan, tidak perlu transportasi.
Proses teknologi untuk produksi natrium hipoklorit meliputi operasi berikut:

Siapkan larutan garam jenuh.
Proses utama untuk memperoleh natrium hipoklorit dengan elektrolisis.

Selama elektrolisis larutan natrium klorida, reaksi berikut terjadi:
di katoda: 2Na + + 2е→2Na;
2Na + 2H2O→2NaOH (natrium hidroksida) + H 2 ;
di anoda: 2Cl - - 2е→Cl 2 ;
Cl 2 + 2H 2 O → 2HClO (asam hipoklorit) + HCl.
Reaksi keseluruhan dapat direpresentasikan sebagai:
NaCl + H 2 O → NaClO + H 2.

Karena proses oksidasi natrium hipoklorit dengan pembentukan klorit dan klorat selanjutnya melambat dengan penurunan suhu, elektrolisis dilakukan pada suhu yang relatif rendah dari larutan garam kerja (20–25 ° C).
Garam dituangkan ke dalam wadah khusus - saturator melalui alat pemuatan. Bahan baku untuk produksi larutan natrium hipoklorit konsentrasi rendah adalah garam meja makanan dengan kualitas tertinggi atau "Ekstra". Air yang dituangkan, melewati lapisan garam, membentuk larutan jenuh garam meja.
Untuk memurnikan larutan garam pekat, filter kasar dan filter halus kartrid polipropilen yang dapat diganti dengan keluaran 5 mikron digunakan.
Larutan natrium klorida jenuh dipompa ke dalam mixer, di mana ia diencerkan dengan air ledeng hingga konsentrasi kerja (menurut SanPiN 2.1.4.1074-01), dan kemudian ke elektroliser.
Proses utama memperoleh natrium hipoklorit dengan elektrolisis dilakukan di instalasi yang terdiri dari bak elektrolisis dan penukar panas. Di penukar panas, elektrolit didinginkan di musim panas (dengan air keran), dan di musim dingin, larutan garam kerja dipanaskan terlebih dahulu.
Dalam bak elektrolisis, elektroda titanium dilapisi dengan ruthenium dan iridium dioksida. Dalam proses elektrolisis, endapan kalsium dan magnesium terjadi pada elektroda, oleh karena itu, secara berkala, saat endapan ini terbentuk, elektroliser dibilas dalam rangkaian tertutup dengan larutan asam klorida (HCl) 4%.
Dalam pengelektrolisis, elektrolisis kontinyu dari larutan garam yang bekerja terjadi, sebagai akibatnya diperoleh natrium hipoklorit. Larutan NaCl 3% dengan laju alir volume konstan 2,5 m3/jam mengalir melalui pabrik elektrolisis hingga konsentrasi NaClO yang diinginkan (0,8%) tercapai. Natrium hipoklorit yang terbentuk di elektroliser disimpan dalam tangki khusus untuk menyediakan cadangan kebutuhan fasilitas pengolahan.
Natrium hipoklorit dengan konsentrasi minimal 8 g/l klorin aktif memasuki tangki penyimpanan, dari mana ia dipompa ke unit dosis yang terletak di dekat titik injeksi reagen. Dari tangki, natrium hipoklorit dialirkan melalui sistem pipa dengan pompa dosis ke stasiun dosis otomatis ke dalam air yang diolah.

Kesimpulan
Penggunaan larutan natrium hipoklorit dengan konsentrasi rendah meningkatkan keamanan proses pengolahan air di bangunan air.

Kombinasi desinfeksi air olahan dengan natrium hipoklorit konsentrasi rendah (tahap pertama) dengan iradiasi ultraviolet sebelum memasoknya ke jaringan pasokan air kota (tahap kedua) menjamin kepatuhan penuh kualitas air dalam hal indikator mikrobiologis dengan standar saat ini dan kualitasnya yang tinggi. keamanan epidemiologis.

Saat mempertimbangkan elektrolisis larutan, orang tidak boleh melupakan fakta bahwa, selain ion elektrolit, dalam larutan berair juga terdapat ion yang masih merupakan produk disosiasi air - H + dan OH -. lapangan, ion hidrogen bergerak ke katoda, dan hidroksil ke anoda. Dengan demikian, kation elektrolit dan kation hidrogen dapat dilepaskan di katoda. Demikian pula, di anoda, anion elektrolit dan ion hidroksil dapat dilepaskan. Selain itu, molekul air juga dapat mengalami oksidasi atau reduksi elektrokimia.

Mempertimbangkan proses katodik yang terjadi selama elektrolisis larutan berair, perlu diperhitungkan nilai potensi proses reduksi ion hidrogen. Potensi ini bergantung pada konsentrasi ion hidrogen dan dalam kasus larutan netral (рН=7) memiliki nilai
φ \u003d -0,059 * 7 \u003d -0,41 V. Dari sini jelas bahwa jika elektrolit dibentuk oleh logam yang potensial elektrodanya jauh lebih positif dari -0,41 V, maka logam akan dilepaskan dari larutan netral pada katoda. Logam semacam itu berada dalam rangkaian voltase di dekat hidrogen (mulai kira-kira dari timah) dan setelahnya. Sebaliknya, dalam kasus elektrolit, logam yang memiliki potensi jauh lebih negatif dari –0,41 V, logam tidak akan berkurang, tetapi hidrogen akan dilepaskan. Logam semacam itu termasuk logam dari awal serangkaian tekanan, hingga kira-kira titanium. Terakhir, jika potensial logam mendekati -0,41 V (logam dari bagian tengah seri Zn, Cr, Fe, Ni), maka, bergantung pada konsentrasi larutan dan kondisi elektrolisis, baik reduksi logam maupun evolusi hidrogen adalah mungkin; seringkali ada pelepasan bersama logam dan hidrogen.

Evolusi elektrokimia hidrogen dari larutan asam terjadi sebagai akibat pelepasan ion hidrogen. Dalam kasus media netral atau basa, ini adalah hasil dari reduksi air secara elektrokimia:

2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -

4OH - \u003d O 2 + 2H 2 O + 4e -

dan dalam suasana asam atau netral:

2H 2 O \u003d O 2 + 4H + + 4e -

Dalam kasus yang dipertimbangkan, oksidasi elektrokimia air adalah proses yang paling disukai secara energetik. Anion yang mengandung oksigen tidak dapat dioksidasi, atau oksidasinya terjadi pada potensial yang sangat tinggi. Misalnya, potensial oksidasi standar dari ion SO 4 2-

2SO 4 2- \u003d S 2 O 8 2- + 2e -

adalah 2,010 V, yang jauh lebih tinggi dari potensi oksidasi air standar (1,228 V). Potensi oksidasi standar ion F bahkan lebih besar (2,87 V).

2Cl - \u003d 2Cl + 2e - (φ \u003d 1,359 V)

2H 2 O \u003d O 2 + 4H + + 4e - (φ \u003d 1,228 V)

Mari kita pertimbangkan beberapa kasus khas elektrolisis larutan berair.

Elektrolisis larutan CuCl 2 dengan anoda inert. Tembaga dalam rangkaian voltase terletak setelah hidrogen; oleh karena itu, di katoda akan terjadi pelepasan ion Cu 2+ dan pelepasan logam tembaga. Di anoda, ion klorida akan habis.

Skema elektrolisis larutan terdampar klorida (II):

Katoda ← Cu 2+ 2Cl - → Anoda

Cu 2+ + 2e - \u003d Cu 2Cl - \u003d 2Cl + 2e -

Elektrolisis larutan K 2 SO 4 dengan anoda inert. Karena kalium dalam rangkaian voltase jauh lebih awal daripada hidrogen, hidrogen akan dilepaskan di katoda dan OH - akan terakumulasi. Di anoda, oksigen akan dilepaskan dan ion H+ akan terakumulasi. Pada saat yang sama, ion K+ akan masuk ke ruang katoda, dan ion SO4 2- ke ruang anoda. Dengan demikian, larutan di semua bagiannya akan tetap netral secara elektrik. Namun, alkali akan menumpuk di ruang katoda, dan asam akan menumpuk di ruang anodik.

Skema elektrolisis larutan kalium sulfat:

Katoda ← 4K + 2SO 4 2- → Anoda

4H 2 O + 4e - \u003d 4OH - + 4H 2H 2 O \u003d 4H + + 2O + 4e -

KOH 4H \u003d 2H 2 2O \u003d O 2 H 2 SO 4

Elektrolisis larutan NiSO4 dengan anoda nikel. Potensi standar nikel (-0,250 V) agak lebih besar dari -0,41 V; oleh karena itu, selama elektrolisis larutan netral NiSO 4 pada katoda, sebagian besar ion Ni 2+ dilepaskan dan logam dilepaskan. Di anoda, proses sebaliknya terjadi - oksidasi logam, karena potensial nikel jauh lebih kecil daripada potensial oksidasi air, dan terlebih lagi potensial oksidasi ion SO 4 2-. Jadi, dalam hal ini, elektrolisis direduksi menjadi pembubaran logam anoda dan pemisahannya di katoda.

Skema elektrolisis larutan nikel sulfat:

Katoda ← Ni 2+ SO 4 2- → Anoda

Ni 2+ + 2e - \u003d Ni Ni \u003d Ni 2+ + 2e -

Proses ini digunakan untuk pemurnian elektrokimia nikel.

hukum Faraday

1. Hukum Faraday.

Massa zat yang dilepaskan pada elektroda ketika arus listrik melewati larutan elektrolit berbanding lurus dengan jumlah listrik.

Dimana ∆m adalah jumlah zat yang bereaksi; Q adalah jumlah listrik; k e - koefisien proporsionalitas, menunjukkan seberapa banyak zat bereaksi selama aliran satu unit listrik. Nilainya, k disebut ekuivalen elektrokimia.

k=M/(N A z│e│)

di mana z adalah valensi ion; M adalah massa molar zat yang dilepaskan pada elektroda; NA adalah konstanta Avogadro. │e│= 1,6 10 -19 Cl.

2. Hukum Faraday.

Menurut hukum kedua Faraday, dengan sejumlah listrik yang dilewatkan, rasio massa zat yang bereaksi sama dengan rasio ekuivalen kimianya:

∆m 1 /A 1 =∆m 2 /A 2 =∆m 3 /A 3 = konstanta

Setara kimia suatu unsur sama dengan rasio bagian massa unsur yang menambah atau mengganti satu massa atom hidrogen atau setengah massa atom oksigen dalam senyawa kimia dengan 1/12 massa C 12 atom. Konsep "ekuivalen kimia" juga berlaku untuk senyawa. Jadi, ekuivalen kimiawi suatu asam secara numerik sama dengan massa molarnya dibagi dengan kebasaan (jumlah ion hidrogen), ekuivalen kimia suatu basa adalah massa molarnya dibagi dengan keasaman (untuk basa anorganik, dengan jumlah hidroksil). kelompok), ekuivalen kimia dari garam adalah massa molarnya, dibagi dengan jumlah muatan kation atau anion.