Кинетика процесса электролиза воды

Цель работы - отработка различных режимов работы электролизера и определение зависимости кинетики данного процесса, которая обеспечивает возможность управлять им.

Общие сведения

Понятие процесса электролиза заключается в том, что при ионной проводимости прохождение тока связанно с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны, а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны. Электролизом называют процесс электрохимического разделения воды в условиях электролитической диссоциации, связанный с окислительно- восстановительной реакцией.

Электрическое поле в электролите создается между токопроводящими пластинками, которые погружаются в электролит (водный раствор); эти пластинки называются электродами. Электроды соединяются с полюсами источника ЭДС; электрод, соединенный с положительным полюсом, называется анодом; электрод, соединенный с отрицательным полисом, называется катодом.

Положительные ионы, перемещающиеся в электрическом поле к катоду, называются катионами; отрицательные ионы, перемещающиеся к аноду, называются анионами.

Процессы на электродах могут быть выражены в виде следующих уравнений:

На катоде 2Н₂О + 2е ⁻ ® Н₂+ 2ОН⁻

На аноде Н₂О − 2е ⁻ ® 2Н⁺ +1/2О₂

В промышленности для получения водорода и кислорода электролизу подвергаются водные растворы щелочей - NaOH или КОН. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование).

Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, прошедшему через электролит:

M = k ^.Q = k ^.I ^.Δt,

если через электролит пропускается в течение времени Δt постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

где F — постоянная Фарадея.

Первый закон Фарадея записывается в следующем виде:

где — молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося — оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза), - сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), - время, в течение которого проводился электролиз, - постоянная Фарадея (96 485,3383(83) Кл·моль−1), - число участвующих в процессе электронов.

Целью данной работы являлось выявление возможности управлять процессом электролиза водного раствора. Для этого устанавливались зависимости параметров реакции: объем газа от времени V(t), скорости от напряжения v(U), плотности тока от напряжения j(U) и плотности тока от скорости j(v). Все зависимости установлены с помощью измерений объемов выделяющегося газа

Методика выполнения работы:

1. Собрать установку, как показано на рис. 1.

2. Провести первый опыт, используя внутренний цилиндр с d = 22 мм:

- включить питание, настроить нужное напряжение (30B, 20В, 10В);

- зафиксировать значение силы тока при объеме выделившегося газа равного нулю;

- измерить объем газа (водорода) с интервалом 1 мин. в течение четырех минут.

3. Повторить опыт, меняя d внутренних цилиндров (d = 16 мм, 12мм).

5. Данные измерения внести в таблицу, произвести вычисления сопротивления, удельного сопротивления, плотности тока, скорости выделения газа.

6. Построить графики V(t), v(U), j(U), j(V), определить зависимость.

7. По экспериментальным данным рассчитать постоянную Фарадея и сравнить с табличным значением.

d вн. цилиндра, мм	Напряжение U, В	Время t, мин	Сила тока I, A	Объем газа V, мл	Сопротивление R, Ом	Удельное сопротивление ρ, Ом^.м	Плотность тока j, А/м²	Скорость v, мл/мин