Elektrolyse. Berechnungsbeispiele

Elektrolyse ist die Zersetzung eines Elektrolyten (einer Lösung aus Salzen, Säuren, Basen) mittels elektrischem Strom.

Elektrolyse kann nur mit Gleichstrom durchgeführt werden. Bei der Elektrolyse wird der im Salz enthaltene Wasserstoff bzw. das Metall an der negativen Elektrode (Kathode) freigesetzt. Besteht die positive Elektrode (Anode) aus Metall (normalerweise das gleiche wie in Salz), dann löst sich die positive Elektrode bei der Elektrolyse auf. Ist die Anode unlöslich (z. B. Kohlenstoff), dann nimmt der Metallgehalt des Elektrolyten während der Elektrolyse ab.

Die bei der Elektrolyse an der Kathode freigesetzte Stoffmenge ist proportional zur Strommenge, die durch den Elektrolyten geflossen ist.

Die von einem Coulomb Elektrizität freigesetzte Substanzmenge wird als elektrochemisches Äquivalent von A bezeichnet, daher ist G = A · Q; G = A·I·t,

wobei G die Menge der isolierten Substanz ist; Q ist die Strommenge; I – elektrischer Strom; Es ist Zeit.

Jedes Metall hat sein elektrochemisches Äquivalent A.

Berechnungsbeispiele

1. Wie viel Kupfer wird aus Kupfersulfat (CuSO4) (Abb. 1) bei einem Strom I = 10 A für 30 Minuten freigesetzt?Elektrochemisches Äquivalent von Kupfer A = 0,329 mg / A • Sek.

Reis. 1. Schema für Beispiel 1

G = A·I·t = 0,329·10·30·60 = 5922 mg = 5,922 g.

Ein an der Kathode hängender Gegenstand gibt 5,9 g reines Kupfer ab.

2. Zulässige Stromdichte in der elektrolytischen Kupferbeschichtung • = 0,4 A / dm2. Die mit Kupfer zu bedeckende Fläche der Kathode beträgt S = 2,5 dm2. Welcher Strom wird für die Elektrolyse benötigt und wie viel Kupfer wird in 1 Stunde an der Kathode freigesetzt (Abb. 2).

Reis. 2. Schema für Beispiel 2

I = •• S = 0,4-2,5 = l A; G = A • Q = A • I • t = 0,329 • 1 • 60 • 60 = 1184,4 mg.

3. Oxidiertes Wasser (z. B. eine schwache Schwefelsäurelösung H2SO4) zerfällt während der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff. Elektroden können aus Kohlenstoff, Zinn, Kupfer usw. bestehen, am besten eignet sich jedoch Platin. Wie viel Sauerstoff wird an der Anode und wie viel Wasserstoff an der Kathode in 1/4 Stunde bei einem Strom von 1,5 A freigesetzt. Die Strommenge 1 A Sekunde setzt 0,058 cm3 Sauerstoff und 0,116 cm3 Wasserstoff frei (Abb . 3).

Reis. 3. Schema für Beispiel 3

Ga = A • I • t = 0,058 • 1,5 • 15 • 60 = 78,3 cm3 Sauerstoff werden an der Kathode freigesetzt.

Gc = A • I • t = 0,1162 • 1,5 • 15 • 60 = 156,8 cm3 Wasserstoff werden an der Anode freigesetzt.

Eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in diesem Verhältnis wird als explosives Gas bezeichnet, das bei Entzündung explodiert und Wasser bildet.

4. Sauerstoff und Wasserstoff werden für Laborexperimente gewonnen Elektrolyse von Wasser (oxidierte Schwefelsäure) (Abb. 4). In das Glas sind Platinelektroden eingelötet. Über den Widerstand stellen wir den Strom I = 0,5 A ein. (Als Stromquelle dient eine Batterie mit drei Trockenzellen von 1,9 V) Wie viel Wasserstoff und Sauerstoff werden nach 30 Minuten freigesetzt?

Reis. 4… Abbildung 4 zum Beispiel

Im rechten Gefäß wird Gc = A • I • t = 0,1162 • 0,5 • 30 • 60 = 104,58 cm3 Wasserstoff freigesetzt.

Im linken Gefäß wird Ga = A • l • t = 0,058 • 0,5 • 30 • 60 = 52,2 cm3 Sauerstoff entwickelt (die Gase verdrängen Wasser im mittleren Gefäß).

5. Der Konverterblock (Motorgenerator) liefert Strom zur Gewinnung von elektrolytischem (reinem) Kupfer. In 8 Stunden sollten Sie 20 kg Honig erhalten. Welchen Strom soll der Generator liefern? • Das elektrochemische Äquivalent von Kupfer beträgt A = 0,329 mg / A • Sek.

Da G = A·I·t, ​​dann ist I = G / (A·t) = 20.000.000 / (0,329·8·3600) = 20.000.000 / 9475,2 = 2110,7 A.

6. Es müssen 200 Scheinwerfer verchromt werden, wovon jeweils 3 g Chrom benötigt werden. Welcher Strom ist erforderlich, um diese Arbeit in 10 Stunden zu erledigen (elektrochemisches Äquivalent von Chrom A = 0,18 mg/A·s).

I = G / (A • t) = (200 • 3 • 1000) / (0,18 • 10 • 3600) = 92,6 A.

7. Aluminium wird durch Elektrolyse einer Lösung aus Kaolinton und Kryolith in Bädern bei einer Arbeitsspannung des Bades von 7 V und einem Strom von 5000 A gewonnen. Die Anoden bestehen aus Kohle und das Bad besteht aus Stahl mit Kohle Blöcke (Abb. 5).

Reis. 5Abbildung 5 zum Beispiel

Aluminiumproduktionsbäder werden zur Erhöhung der Arbeitsspannung in Reihe geschaltet (z. B. 40 Bäder). Zur Herstellung von 1 kg Aluminium werden ca. 0,7 kg Kohlenstoffanoden und 25–30 kWh Strom benötigt. Bestimmen Sie anhand der angegebenen Daten die Leistung des Generators, den Energieverbrauch für 10 Betriebsstunden und das Gewicht des resultierenden Aluminiums.

Leistung des Generators bei Betrieb an 40 Bädern P = U • I = 40 • 7 • 5000 = 1400000 W = 1400 kW.

Verbrauchte elektrische Energie für 10 Stunden, A = P • t = 1400 kW 10 h = 14000 kW • h.

Die gewonnene Aluminiummenge beträgt G = 14000:25 = 560 kg.

Basierend auf dem theoretischen elektrochemischen Äquivalent sollte die gewonnene Aluminiummenge gleich sein:

GT = A·I·t = 0,093·5000·40·10·3600 = 0,093·720.000.000 mg = 669,6 kg.

Der Wirkungsgrad der Elektrolyseanlage beträgt: Wirkungsgrad = G / GT = 560 / 669,6 = 0,83 = 83 %.