Электролитические: Электролитические конденсаторы: особенности применения

Алюминиевые электролитические конденсаторы – Компоненты и технологии

Несмотря на внешне практически неизменную конструкцию конденсаторов, технология их производства продолжает активно развиваться, обеспечивая повышение надежности, уменьшение габаритов и, соответственно, увеличение плотности монтажа.

Для обеспечения нормального режима работы силового оборудования необходимо решить проблему его электропитания. Из-за того, что параметры источника электрической энергии не соответствуют параметрам питаемого устройства, и для удовлетворения высоких требований по качеству и стабильности электропитания современных силовых нагрузок, на практике применяют преобразователи мощности. Чтобы улучшить параметры электропитания, избавиться от входных помех и получить стабильный уровень напряжения на выходе, предъявляются серьезные требования к применяемым компонентам. В частности, необходимо применение надежных силовых конденсаторов, сглаживающих пульсации напряжения, с напряжением 350 В и выше во избежании пробоев.

Фирма Epcos производит широкий спектр алюминиевых электролитических конденсаторов, удовлетворяющих данным требованиям.

Алюминиевые электролитические конденсаторы повышенной мощности серии B43456/458 фирмы Epcos (рис. 1) уже нашли свое применение в преобразователях для железнодорожного транспорта, для электропривода, для технологических установок, а также в устройствах плавного пуска приводных механизмов (электроприводы насосных агрегатов, вентиляторов, компрессоров), других механизмов в различных отраслях промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Алюминиевые электролитические конденсаторы занимают особое место среди различных видов конденсаторов, так как их принцип действия основан на электрохимических процессах.

Преимущества, из-за которых алюминиевые электролитические конденсаторы нашли широкое применение — их высокий коэффициент удельной емкости. Это дает возможность производства конденсаторов с емкостным сопротивлением до 1 Ф. Алюминиевые электролитические конденсаторы обеспечивают высокую производительность пульсации тока вместе с высокой надежностью и с отличным соотношением «цена — характеристики».

Емкость конденсатора из параллельных пластин определяется как

где e₀ — диэлектрическая постоянная в вакууме, e — диэлектрическая постоянная, А — площадь поверхности пластины, d — толщина диэлектрика.

Значение емкости из этого отношения — главная характеристика электролитических конденсаторов.

На схеме алюминиевого электролитического конденсатора (рис. 2) одна из пластин — анод, представляющая собой алюминиевую фольгу. Другая пластина — проводящая жидкость (электролит), используемая как вспомогательный электрод к другой алюминиевой фольге — катоду. Диэлектрик — слой алюминиевой окиси, прочно сцепленной с металлом анода.

Анод подвергается электрохимической обработке для эффективного увеличения площади поверхности (до фактора 200), преобразования его поверхности от гладкой до шероховатой (рис. 3, 4). Слой диэлектрика создается процессом анодного оксидирования. Этот процесс травления применяется для формирования алюминиевой окисной пленки и необходим для получения максимально возможной величины емкостного сопротивления. Толщина слоя возрастает пропорционально приложенному напряжению. Толщина пленки составляет приблизительно 1,2 нм/В.

Электрод представляет собой пористую бумагу. Она пропитана электролитом, который обеспечивает эффективный контакт с шероховатой поверхностью, что помимо сохранения электролита обеспечивает физическое разделение между анодом и катодом.

Катод также подвергается процессу травления. В результате благодаря воздействию кислорода создается тонкий слой окиси на его поверхности. Этот слой способен выдержать напряжение около 2 В. Так как этот диэлектрик имеет минимальную величину, он придает конденсатору значительную емкость.

Катод и анод формируются в отрезок ленты (рис. 5), которая представляет собой две алюминиевые фольги с проложенной между ними разделяющей бумагой. Бумага выполняет роль абсорбента электролита, служит разделительным слоем для предотвращения короткого замыкания, а также сохраняет свойства диэлектрика между анодной и катодной фольгой. Лента скручивается и пропитывается электролитом. После этого к конденсатору прикладывается напряжение, чтобы восстановить окисный слой в областях, где его не существует, или он ухудшился в результате производственного процесса. Когда этот процесс завершен, конденсатор подвергают серьезному испытанию температурным нагревом.

Технология анодирования фольги, применяемая в алюминиевых электролитических конденсаторах серии B43456/458 фирмы Epcos, позволяет им достичь намного большего емкостного сопротивления, чем у альтернативных приборов, представленных на рынке.

Конденсаторы имеют компактные размеры, что позволяет их использовать для применения в высоковольтных приборах, работающих при температуре до 85 °С.

Высокая проводимость электролитов минимизирует термические потери, давая конденсаторам способность удерживать электрический заряд. Это означает, что можно снизить их вес и цену.

Таким образом, конденсаторы серии B43456/458 особенно подходят для применения в приборах с приводными механизмами, где снижение веса играет огромную роль.

Конденсаторы серии B43456/458 можно использовать при низкой температуре (до –40 °С) окружающей среды.

Для борьбы с нагревом применяется вариант конденсатора с охлаждением через днище (рис. 6). Это позволяет увеличить амплитуду тока до 170%. Термослой между радиатором и корпусом конденсатора, используемый фирмой Epcos, имеет в 63 раза большую теплопроводность, чем воздух, и обеспечивает очень высокую прочность изоляции (до 2,5 кВ).

Кроме того, существуют варианты резьбовых алюминиевых электролитических конденсаторов с пониженной собственной индуктивностью L = 13 нГн. Они имеют ряд преимуществ:

• Значительно снижается максимальная величина напряжения, вызванная чрезмерными пульсациями.
• Возможность использования полупроводников с более низкими характеристиками напряжения, что позволяет снизить стоимость.
• Можно сократить число параллельно подсоединенных конденсаторов. Чем меньше их число, тем легче цепь, меньше требуется пространства для установки, тем меньше цена.

В заключение можно подчеркнуть, что алюминиевые электролитические конденсаторы фирмы Epcos серии B43456/B43458 имеют компактные размеры, высокий коэффициент заполнения объема, высокую устойчивость к импульсному току, высокую надежность, длительный срок службы. Цельносварная конструкция обеспечивает хороший и надежный электрический заряд внутри конденсатора. Существуют варианты, выполняемые под заказ, с охлаждением через днище и с пониженной собственной индуктивностью.

Конденсаторы электролитические 10 мкФ (10 шт.)

Конденсатор для разработчика равносилен пакле у сантехника: никогда не знаешь, что понадобится, пока не приспичит. Многие сырые компоненты требуют для своей обвязки один или несколько конденсаторов, так что советуем всегда иметь их в запасе.

Что такое конденсатор

Конденсатор — это электронный компонент, который накапливает электрический заряд и хранит его некоторое время. По сути конденсатор похож на аккумулятор, который быстро заряжается и быстро отдаёт свой заряд. Он состоит из двух обкладок, которые разделены слоем диэлектрика. Одна обкладка копит положительный заряд, а другая — отрицательный, поэтому между ними возникает электрическое напряжение.

Данный компонент имеет ёмкость 10 мкФ, рассчитан на напряжение не более 16 В и относится к полярным электролитическим конденсаторам. Слово «полярный» означает, что у конденсатора есть плюс и минус. Полярность можно определить двумя способами:

• По длине выводов: короткая нога — минус, длинная — плюс.
• По маркировке: минус отмечен на корпусе компонента.

Подбирайте необходимую ёмкость и тип конденсатора в зависимости от конкретной задачи.

Примеры использования

Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователя напряжения: например, в линейных регуляторах L7805 и LD1117V33. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые сглаживают неровности напряжения, подобно тому, как амортизаторы автомобиля сглаживают неровности дороги.

Конденсаторы также используются во времязадающих электрических цепочках, где необходимо отсчитывать определённые промежутки времени. Например, в связке с резисторами конденсаторы задают период и скважность импульса в микросхеме таймера 555.

Комплектация

10× Конденсатор электролитический 10 мкФ

Характеристики

• Модель: K50-35
• Тип конденсатора: электролитический
• Форма: радиальный
• Ёмкость: 10 мкФ
• Максимальное рабочее напряжение: 16 В
• Толщина ножек: 0,5 мм

Электролитический конденсатор, теория и примеры

Определение и обще сведения о конденсаторах

Конденсаторы – это очень распространенный элемент радиоэлектронных схем. Они могут классифицироваться по разным показателям, в том числе, по виду диэлектрика. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую пленку оксида (чаще всего это окислы алюминия, тантала, ниобия). Толщина ее составляет от м, что позволяет получить большую емкость конденсатора. Такая пленка характеризуется высокой электрической прочностью. Это важно, так напряженность электрического поля, которое создается в оксидной пленке довольно высокая и приближена к пределу теоретической прочности кристалла. Оксидная пленка получается в результате электрохимической реакции.

В зависимости от вещества и состояния электролита конденсатор является жидкостным (электролит — жидкость), сухим (электролит – вязкая паста) или оксидно – полупроводниковым (оксидный слой покрыт слоем полупроводника). Жидкостные и сухие электролитические конденсаторы имеют свои достоинства. Так, электролитические конденсаторы, имеющие в качестве диэлектрика жидкость, лучше охлаждаются, выдерживают большие нагрузки и могут восстанавливаться при пробое. Однако они имеют существенный ток утечки. Сухие электролитические конденсаторы обладают более простой конструкцией, чем жидкостные, несут меньшие потери при работе. Сухие электролитические конденсаторы в настоящее время применяются чаще.

Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями при относительно малых размерах и невысокой стоимости.

Однако у них есть и недостатки, такие как: невысокая надежность, небольшая точность и стабильность, существенные потери энергии, плохое сопротивление изоляции. Они являются чувствительными к изменению температуры, так при увеличении температуры их емкость увеличивается. Электролитические конденсаторы сильно реагируют на перенапряжение, имеют рабочее напряжение (обычно) менее 500 В. Кроме того, конденсатор обладает полярностью и может снижать емкость со временем, так как электролит высыхает, оксидная пленка разрушается.

Электролитические конденсаторы используют в схемах с пульсирующим и постоянным напряжением. Часто электролитические конденсаторы имеют полярность. При последовательном соединении двух электролитических конденсаторов, имеющих одинаковую емкость, причем плюс с плюсом (или минус с минусом), получают неполярный конденсатор, который можно применять в цепях переменного тока для короткого времени работы. При этом суммарная емкость уменьшается. Для того, чтобы получить неполярный электролитический конденсатор оксидную пленку наносят на обе обкладки.

Принципиальное устройство электролитического конденсатора

Чаще всего электролитический конденсатор состоит из двух пластин из металла (например, алюминия), размещенных в электролите. На одну из пластин наносят пленку из оксида – эта пластина становится одной обкладкой конденсатора (рис.1) (анодом). Вторая обкладка – это электролит. Данная металлическая пластина, которая не имеет пленки, осуществляет контакт с электролитом.

Рис. 1

Виды электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы в свою очередь разделяют на:

1. полимерные;
2. полимерные радиальные;
3. стандартной конфигурации;
4. миниатюрные;
5. полярные и не полярные;
6. низкоимпедансные и др.

Электролитические конденсаторы, имеющие в своем составе оксидную пленку, всегда являются полярными. Предельное напряжение для них зависит от вещества, так для алюминиевых конденсаторов максимальное напряжение составляет около 600 В, танталовые конденсаторы выдерживают около 175 В. Данный тип конденсаторов имеет существенный ток утечки (у алюминиевых конденсаторов около , у танталовых — ). Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкости от 2 до нескольких тысяч микро фарад и рабочие напряжения от 6В до 600 В.

Примеры решения задач

Сравнение пленочных конденсаторов с электролитическими

В статье рассматриваются особенности конструкции и основные характеристики пленочных конденсаторов. Приводятся области использования пленочных и электролитических конденсаторов. Показано, что алюминиевые электролитические конденсаторы предпочтительно использовать в схемах, где требуется запасать энергию, а пленочные конденсаторы успешнее справляются с задачами в сильноточных и высоковольтных цепях.

Конденсаторы в схемах силовой электроники, как правило, выполняют две функции. Первая из них состоит в сглаживании пульсаций напряжения, а вторая – в фильтрации помех для обеспечения электромагнитной совместимости. Причем, в последнем случае задача разделяется на две подзадачи. Для решения одной из них конденсаторы используются в сетевых помехоподавляющих фильтрах, а для решения другой от конденсаторов требуется «умение» подавлять помехи и всплески напряжения длительностью от десятков наносекунд до нескольких микросекунд, вызванные процессами коммутации силовых ключей.

В настоящей статье акцент сделан на конденсаторах, используемых для сглаживания напряжения. Мы рассмотрим, в основном, пленочные конденсаторы, сравним их с алюминиевыми электролитическими конденсаторами и постараемся определить границы применения каждого типа.

Бесспорным преимуществом алюминиевых электролитических конденсаторов является высокая удельная емкость на единицу объема – по этому показателю они превосходят конденсаторы всех других типов. К сожалению, у электролитических конденсаторов немало и недостатков: срок их службы заметно зависит от температуры, у них большое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что приводит к саморазогреву от токов пульсаций. Кроме того, у них плохие частотные свойства. Перечисленные недостатки электролитических конденсаторов можно в какой-то степени компенсировать за счет корректного их выбора для конкретных приложений, но полностью от них избавиться не удается, что и дает шанс пленочным конденсаторам.

Пленочные конденсаторы имеют меньшую плотность емкость, чем электролитические, но у них заметно меньше ESR при том же значении произведения CV (C – емкость конденсатора, V – номинальное напряжение конденсатора, указанное изготовителем), что позволяет увеличить допустимый ток пульсаций. Пленочные конденсаторы более терпимы к всплескам перенапряжения.

Конденсаторы этого типа в течение ограниченного интервала времени выдерживают перегрузку по напряжению до 100%, в то время как для алюминиевых электролитических конденсаторов перенапряжение, как правило, не должно превышать 20%. В промышленном оборудовании перенапряжение – не редкость: оно может возникать при разрядах молнии и коммутации мощных токоприемников.

Если накопление энергии не является главной задачей, то пленочные конденсаторы выигрывают у электролитических. Например, на низковольтной шине постоянного тока требуется устанавливать конденсаторы, способные пропускать ток пульсаций величиной в сотни, а иногда и тысячи ампер. В этом случае низкое значение ESR является ключевым параметром.

Кроме того, пленочные конденсаторы хорошо подходят для применения в высоковольтном оборудовании. Их максимально допустимое напряжение достигает нескольких тысяч вольт, тогда как для электролитических конденсаторов этот показатель ограничен в пределах 500–550 В. С помощью последовательного соединения конденсаторов можно увеличить указанный диапазон, но при этом уменьшится эквивалентная емкость соединения, да и выравнивание напряжения на последовательно соединенных конденсаторах едва ли можно назвать легкой задачей.

Ну и, конечно, еще одним несомненным преимуществом пленочных конденсаторов над электролитическими является их неполярность, т. е. они могут работать в цепи переменного тока. В таблице приведены основные параметры различных типов пленочных конденсаторов.

Таблица. Основные параметры пленочных конденсаторов разных типов

Параметр		Полиэфирные (PET)	Полипропилен­нафталатовые (PEN)	Полипропилен­сульфидные	Полипропи­леновые (PP)
Относительная диэлектри­ческая проницаемость при частоте 1 кГц		3,3	3	3	2,2
Толщина пленки (мин.), мкм		0,7–0,9	0,9–1,4	1,2	1,9–3,0
Влагопоглощение, %		низкое	0,4	0,05	менее 0,1
Напряженность поля пробоя, В/мкм		580	500	230	400
Рабочие напряжения постоянного тока (ном.), В		50–1000	16–250	16–100	40–2000
Емкость		100 пФ…22 мкФ	100 пФ…1 мкФ	100 пФ…0,47 мкФ	100 пФ…10 мкФ
Диапазон рабочей температуры, °С		–55…125/150	–55…150	–55…150	–55…150
Изменение емкости в диапазоне рабочей температуры, %		±5	±5	±1,5	±2,5
Фактор рассеивания мощности (коэффициент потерь) (10–6)	1 кГц	50–200	42–80	2–15	0,5–5
	10 кГц	110–150	54–150	2,5–25	2–8
	100 кГц	170–300	120–300	12–60	2–25
	1 МГц	200–350	–	18–70	4–40
Постоянная времени RC, с	25°С	более 10 тыс.	более 10 тыс.	более 10 тыс.	более 100 тыс.
	85°С	–	–	–	–
Остаточная поляризация (диэлектрическая абсорбция)		0,2–0,5	1–1,2	0,05–1	0,01–0,1
Способность к самовосстановлению		средняя	средняя–низкая	низкая	высокая

Не менее важным для конденсаторов, работающих в силовых цепях, является фактор рассеивания мощности DF (коэффициент потерь). Чем меньше этот коэффициент, тем меньше потери мощности, и соответственно, меньше нагрев. Напомним формулу (1) для вычисления DF:

DF = ESR/XC = tgσ,                  (1)

где XC – емкостное сопротивление конденсатора равное 1/(2πfC).

На рисунке 1 показана зависимость коэффициента рассеяния DF от температуры и частоты. Как видно из рисунка, эта зависимость невелика. Заметим, что коэффициент рассеяния DF у пленочных конденсаторов существенно ниже, чем у электролитических.

На рисунке 2 схематично показано устройство пленочного конденсатора. При их производстве применяются две технологии. В первой из них используется металлизированная фольга, а во второй – напыление металлов. В первой технологии металлическую фольгу толщиной 5 мкм, играющую роль обкладки конденсаторов, помещают между слоями диэлектриков. Вторая технология предполагает напыление алюминия, цинка или сплавов цинка, разогретых примерно до 1200°C, на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.

При использовании металлической фольги обеспечиваются высокие значения допустимых токов, но в таких конденсаторах отсутствует или крайне слабо проявляется эффект самовосстановления. У конденсаторов, изготовленных путем напыления металлов, имеется способность самовосстанавливаться после некоторых аварийных ситуаций, что повышает надежность системы в целом. При пробое такого конденсатора возникает электрическая дуга, причем температура в месте пробоя может достигать 6000°C. В этом случае металл испаряется в течение примерно 10 мкс, благодаря чему исчезает проводящий тракт и восстанавливается диэлектрическая прочность поврежденного участка. После процесса самовосстановления может немного уменьшиться емкость конденсатора.

Иногда область металлизации разбивается на множество участков (вплоть до нескольких миллионов), которые соединяются между собой узкими проводниками, играющими роль предохранителей. В этом случае несколько уменьшается максимально допустимый ток, но увеличивается запас прочности, позволяющий повысить допустимое напряжение. Иногда совмещают обе технологии изготовления для получения компромиссных характеристик между максимальным пиковым током и способностью к самовосстановлению.

Приведем несколько примеров использования конденсаторов. На рисунке 3 показана типичная топология системы питания. Рассмотрим случай, когда конденсатор С1 используется для накопления энергии. Допустим, мощность DC/DC-преобразователя составляет P = 1 кВт, а его КПД = 0,9. При этом требуется, чтобы при пропадании входного напряжения в течение t = 20 мс (один период питающего напряжения) величина напряжения на конденсаторе не стала бы менее 300 В. В таком случае емкость конденсатора С1 можно определить из выражения (2):

P ∙ t/КПД = С ∙ (V_N² – V_D²)/2,                   (2)

где V_N = 400 В – начальное напряжение конденсатора С1; V_D = 300 В – конечное напряжение конденсатора в момент времени t = 20 мс.

Подставляя принятые в примере значения, получим С = 654 мкФ. При этом номинальное напряжение конденсатора должно составить 450 В. В ассортименте известных производителей, выпускающих оба типа конденсаторов, например компании TDK, имеется электролитический конденсатор B43508, который вполне удовлетворяет предъявленным требованиям: его емкость составляет 680 мкФ, и он рассчитан на напряжение 450 В.

Эта же компания производит пленочные конденсаторы серии B32678. Их максимальная емкость с нормированным напряжением составляет 180 мкФ. Таким образом, если мы выберем этот конденсатор, нам потребуется соединить четыре компонента параллельно. Разумеется, это решение не является удовлетворительным – оно не экономично и его габариты велики. Следовательно, в данном случае счет 1:0 в пользу электролитических конденсаторов.

Рассмотрим еще один пример системы питания, но большей мощности. В тяговых системах также используется шина питания 400 В, но конденсатор С1 в таком случае предназначен только для сглаживания пульсаций. Допустим, требуется, чтобы пульсации не превышали 4 В при среднеквадратичном значении токе пульсации 80 А и частоте пульсаций f = 20 кГц. Тогда емкость конденсаторов вычисляется из (3):

С = I_СКЗ/(2πfV_П) = 160 мкФ.                      (3)

Максимально допустимый ток пульсаций электролитического конденсатора равен примерно 3,5 А (используем известное эмпирическое правило для электролитических конденсаторов: 20 мА/мкФ). Таким образом, потребуется примерно 23 электролитических конденсатора, включенных параллельно. В то же время с этой же задачей способен справиться один-единственный пленочный конденсатор серии B32678. В данном случае бесспорное преимущество уже не на стороне электролитического компонента, и счет становится 1:1. Следует добавить, что из-за меньшего ESR и коэффициента потерь DF полипропиленового конденсатора уменьшится и рассеяние тепла.

Мы привели этот простой пример с единственной целью – показать, что нельзя однозначно вынести суждение о том, какой из рассмотренных конденсаторов лучше или хуже: каждый из них хорош в разных условиях. Для подтверждения этой «умной мысли» бросим на чашу весов еще экономические соображения.

В [1] приводятся следующие данные по конденсаторам, рассмотренным в примере выше. Удельная стоимость энергоемкости алюминиевого электролитического конденсатора составляет 0,47 долл./Дж, а у пленочного конденсатора этот показатель заметно больше и достигает 3 долл. /Дж. Однако если обратиться к удельным показателям на единицу пульсирующего тока, то ситуация изменится на противоположную: удельная стоимость электролитических конденсаторов составит 2,68 долл./А, а пленочных – 0,42 долл./А.

Приведем пример использования пленочных конденсаторов, в котором проявляется их другая сильная сторона – неполярность. На рисунке 4 показано типовое использование этих компонентов в цепи переменного тока на выходе инвертора. Неполярные конденсаторы других типов проигрывают пленочным в данном случае практически по всем параметрам.

Литература

1. Rudy Ramos. Film capacitors: Characteristics and uses in power applications

Электролиты: понятие и свойства

Электролиты — растворы, содержащие большую концентрацию ионов, обеспечивающих прохождение электрического тока. Как правило, это водные растворы солей, кислот и щелочей.

Это интересно

В организме человека и животных электролиты играют важную роль: к примеру, электролиты крови с ионами железа транспортируют кислород в ткани; электролиты с ионами калия и натрия регулируют водно-солевой баланс организма, работу кишечника и сердца.

Свойства

Чистая вода, безводные соли, кислоты, щелочи ток не проводят. В растворах же вещества распадаются на ионы и проводят ток. Именно поэтому электролиты называют проводниками второго порядка (в отличие от металлов). Электролитами могут быть также расплавы и некоторые кристаллы, в частности диоксид циркония и иодид серебра.

Главное свойство электролитов — способность к электролитической диссоциации, то есть к распаду молекул при взаимодействии с молекулами воды (или других растворителей) на заряженные ионы.

По типу ионов, образующихся в растворе, различают электролит щелочной (электропроводимость обусловлена ионами металлов и ОН-), солевой и кислотный (с ионами Н+ и остатками основания кислоты).

Для количественной характеристики способности электролита к диссоциации введен параметр «степень диссоциации». Эта величина отражает процент молекул, подвергшихся распаду. Она зависит от:
• самого вещества;
• растворителя;
• концентрации вещества;
• температуры.

Электролиты делят на сильные и слабые. Чем лучше реагент растворяется (распадается на ионы), тем сильнее электролит, тем лучше он проводит ток.  К сильным электролитам относятся щелочи, сильные кислоты и растворимые соли.

Для электролитов, использующихся в аккумуляторах, очень важен такой параметр, как плотность. От нее зависят условия эксплуатации аккумулятора, его емкость и срок службы. Определяют плотность с помощью ареометров.

Меры предосторожности при работе с электролитами

Самые популярные электролиты, это раствор концентрированной серной кислоты и щелочи — чаще всего гидроксиды калия, натрия, лития. Все они вызывают химические ожоги кожи и слизистых, очень опасные ожоги глаз. Именно поэтому все работы с такими электролитами нужно производить в отдельном, хорошо вентилируемом помещении, используя средства защиты: одежду, маски, очки, резиновые перчатки.
• Рядом с помещением, где проводятся работы с электролитами, должна храниться аптечка с набором нейтрализующих средств и кран с водой.
• Кислотные ожоги нейтрализуются раствором соды (1 ч.л. на 1 ст. воды).
• Ожоги щелочью нейтрализуют раствором борной кислоты (1 ч.л. на 1 ст. воды).
• Для промывания глаз нейтрализующие растворы должны быть в два раза слабее.
• Поврежденные участки кожи сначала промывают нейтрализатором, а потом мылом и водой.
• Если электролит пролили, его собирают опилками, потом промывают нейтрализатором и вытирают насухо.

При работе с электролитом следует выполнять все требования техники безопасности. Например, кислоту наливают в воду (а не наоборот!) не вручную, а с помощью приспособлений. Куски твердой щелочи в воду опускают не руками, а щипцами или ложками. Нельзя работать в одном помещении с аккумуляторами на разнотипных электролитах, и хранить их вместе тоже запрещается.

Некоторые работы требуют «кипения» электролита. При этом выделяется водород — горючий и взрывоопасный газ. В таких помещениях должна использоваться взрывобезопасная электропроводка и электроприборы, запрещается курение и любые работы с открытым огнем.

Хранят электролиты в пластиковых емкостях. Для работы подходит стеклянная, керамическая, фарфоровая посуда и инструменты.

В следующей статье расскажем подробнее о видах и применении электролита.

Определение электролита по Merriam-Webster

Электролитическое определение и значение | Словарь.

[ih-lek-truh-lit-ik] ПОКАЗАТЬ IPA

/ ɪˌlɛk trəˈlɪt ɪk / PHONETIC RESPELLING

прилагательное

QUIZ

SPRINT TO FINISH WITH THIS OLYMPICS QUIZ!

Примите участие в нашей викторине об Олимпийских играх, чтобы узнать, сможете ли вы забрать домой золотую медаль в области знаний об Олимпийских играх.

Вопрос 1 из 10

Где впервые проводились Олимпийские игры?

ДРУГИЕ СЛОВА ОТ electrolytic

Слова рядом с electrolytic

Словарь.com Несокращенный На основе Несокращенного словаря Random House, © Random House, Inc. , 2021

Как использовать электролит в предложении



Британский словарь определений для электролитических

электролитических

/ (ɪˌlɛktrəʊˈlɪtɪk) /

прилагательное

1. , связанное с электролизом или электроосаждением или производимое с его помощью
2. , относящееся к электролиту или содержащее его

существительное

Также называется: электролитическая конденсаторная электроника небольшая конденсатор, состоящий из двух электродов, разделенных электролитом

Производные формы электролитического

Collins English Dictionary – Complete & Unabridged 2012 Digital Edition © William Collins Sons & Co. Ltd. 1979, 1986 © HarperCollins Издательство 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

Медицинские определения электролитического

электролитического

[ĭ-lĕk′trə-lĭt′ĭk]

прил.

Электролиз или относящиеся к нему.

Производится электролизом.

Электролиты или относящиеся к ним.

Другие слова из электролитической

Медицинский словарь American Heritage® Stedman’s Авторские права © 2002, 2001, 1995 компании Houghton Mifflin.Опубликовано компанией Houghton Mifflin.

Электролитические свойства | Введение в химию

Цель обучения

• Используйте таблицу стандартных восстановительных потенциалов, чтобы определить, какие частицы в растворе будут восстановлены или окислены.

Ключевые моменты

• Когда электрический ток проходит через раствор (часто электролитов), катион или нейтральная молекула восстанавливается на катоде, а анион или нейтральная молекула окисляется на аноде.
• Чтобы определить, какие компоненты в растворе будут окисляться, а какие восстанавливаться, таблица стандартных восстановительных потенциалов может определить наиболее термодинамически жизнеспособный вариант.
• На практике при электролизе чистой воды может образовываться газообразный водород.

Условия

• электрон: субатомная частица, которая имеет отрицательный заряд и вращается вокруг ядра; поток электронов в проводнике составляет электричество.
• электрод: вывод, через который электрический ток проходит между металлической и неметаллической частями электрической цепи; при электролизе катод и анод помещают в раствор отдельно.

Электролитические свойства

Когда электроды помещены в раствор электролита и приложено напряжение, электролит будет проводить электричество. Одинокие электроны обычно не могут проходить через электролит; вместо этого на катоде происходит химическая реакция, которая поглощает электроны анода. Другая реакция происходит на аноде, производя электроны, которые в конечном итоге переносятся на катод. В результате в электролите вокруг катода образуется облако отрицательного заряда, а вокруг анода – положительный заряд. Ионы в электролите нейтрализуют эти заряды, позволяя электронам продолжать движение и реакции продолжаться.{-} [/ латекс]

и газообразный хлор. Положительно заряженные ионы натрия Na ⁺ будут реагировать на катод, нейтрализуя там отрицательный заряд OH ^– ; отрицательно заряженные гидроксид-ионы OH ^– будут реагировать на анод, нейтрализуя там положительный заряд Na ⁺ . Без ионов электролита заряды вокруг электрода замедляют непрерывный поток электронов; диффузия H ⁺ и OH ^– через воду к другому электроду занимает больше времени, чем перемещение гораздо более распространенных солевых ионов.

В других системах электродные реакции могут включать электродный металл, а также ионы электролита. Например, в батареях в качестве электродов используются два материала с разным сродством к электрону: вне батареи электроны текут от одного электрода к другому; внутри цепь замыкается ионами электролита. Здесь электродные реакции преобразуют химическую энергию в электрическую.

Окисление и восстановление на электродах

Окисление ионов или нейтральных молекул происходит на аноде, а восстановление ионов или нейтральных молекул происходит на катоде.{+} \ rightarrow [/ latex]

В последнем примере ионы H ⁺ (ионы водорода) также принимают участие в реакции и предоставляются кислотой в растворе или самим растворителем (вода, метанол и т. Д.). Реакции электролиза с участием ионов H ⁺ довольно распространены в кислых растворах, тогда как реакции с участием OH- (гидроксид-ионы) обычны в щелочных водных растворах.

Окисленные или восстановленные вещества также могут быть растворителем (обычно водой) или электродами. Возможен электролиз с участием газов.

Чтобы определить, какие частицы в растворе будут окисляться, а какие – восстанавливаться, стандартный электродный потенциал каждого вещества может быть получен из таблицы стандартных потенциалов восстановления, небольшая выборка из которой приведена здесь:

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Определение электролитической ячейки – Химический словарь

Электролитические ячейки преобразуют электрическую энергию в химическую потенциальную энергию.Этот процесс известен как электролиз. Обычно это делается для превращения реагентов в более полезные продукты.

Электролитические ячейки – одна из двух основных категорий электрохимических ячеек.

Другая категория, гальванические элементы, преобразуют химическую потенциальную энергию в электрическую. Устройства с батарейным питанием получают электроэнергию от одного или нескольких гальванических элементов.

Термодинамика

Электролитические ячейки используют электрическую энергию для запуска несамопроизвольных химических реакций – i.е. те реакции, для которых ΔG ≥ 0.

Примеры электролитических ячеек

1. Промышленный натрий

2. Зарядка аккумуляторов

Электролиз используется для перезарядки аккумуляторных батарей: аккумуляторные батареи работают как гальванические элементы, когда они питают устройства, и как электролитические элементы во время перезарядки.

Например, батарея Эдисона – это простой перезаряжаемый элемент, изобретенный Томасом Эдисоном.Он состоит из двух металлических электродов, один из железа, другой из никеля. Во время начальной зарядки на никелевом электроде образуется покрытие из оксида никеля.

Примерная схема зарядки элемента Эдисона

Электролит (ионная жидкость между электродами) представляет собой водный гидроксид калия.

При разрядке элемент Эдисона работает как гальванический элемент. Когда он заряжается, ячейка работает как электролитическая ячейка.

Химические уравнения для реакций на электродах:

Ni ₂ O ₃ + H ₂ O + 2 e ^– ⇌ 2 NiO + 2 OH ^–

Fe + 2 OH ^– ⇌ Fe (OH) ₂ + 2 e ^–

Во время разряда, когда элемент выдает электрическую энергию, указанные выше реакции протекают слева направо.

Во время зарядки, когда элемент работает электролитически, преобразуя электрическую энергию в химическую потенциальную энергию, указанные выше реакции протекают справа налево.

3. Электролиз воды

Электролиз воды производит самое чистое топливо; один из Святых Граалей химии – расщеплять воду с помощью солнечного света.

Для разделения воды можно использовать постоянный ток, как показано на схеме

На катоде ионы водорода приобретают электроны:

2H ⁺ (вод.) + 2e ^– → H ₂ (г)

На аноде вода теряет электроны, образуя ионы кислорода и водорода:

2H ₂ O (л) → O ₂ (г) + 4H ⁺ (водн.) + 4e ^–

электролитических ячеек | Протокол

Электрохимия

Электрохимия – это раздел химии, который описывает и измеряет взаимосвязь между электрической энергией и химическими изменениями.Электрохимические реакции включают перемещение электронов от одного вида к другому. Если реакция спонтанная, это может привести к возникновению тока. Если реакция не является спонтанной, она может быть вызвана приложением тока.

В электрохимии ключевой реакцией является окислительно-восстановительная реакция, называемая окислительно-восстановительной реакцией. Окислительно-восстановительная реакция состоит из двух полуреакций; окисление, когда вещество, известное как восстановитель, теряет электроны, и восстановление, когда вещество, известное как окислитель, приобретает электроны.Окислительно-восстановительные реакции всегда протекают парами и изменяют степень окисления атомов в участвующих молекулах. Легкий способ запомнить эту взаимосвязь – использовать пневматический OIL-RIG: O xidation I s L osing – R eduction I s G aining.

Электрохимическая ячейка используется для измерения или индукции электрохимических реакций. Он состоит из нескольких компонентов: камеры, содержащей реакционный раствор, двух токопроводящих электродов, токопроводящего раствора электролита и внешней цепи.Есть два типа электрохимических ячеек. Один из них – это электролитическая ячейка, которая использует электрическую энергию для запуска несамопроизвольной реакции. В этом типе ячейки электрическая энергия подается от внешнего источника питания.

Другой тип элемента – это гальванический элемент, в котором для выработки электроэнергии используется спонтанная электрохимическая реакция. Два электрода называются анодом и катодом, и они связаны внешней цепью. Реакционная камера заполнена электролитом, который способствует прохождению ионов между электродами.В гальваническом элементе солевой мост замыкает цепь, позволяя потоку ионов между электролитическими растворами, содержащими электроды. В электролитической ячейке нет солевого мостика, поскольку электроды обычно находятся в одном и том же растворе электролита.

Реакция восстановления происходит на катоде, а реакция окисления происходит на аноде. Это запоминается с помощью мнемонического символа «Красный кот», что означает, что действие красный происходит на участке кот .

Электролитические ячейки обычно имеют одну реакционную камеру, в которой находится раствор электролита.Электролит обычно представляет собой водный раствор, содержащий ионы или растворенные соли. Ионы в электролите способствуют перемещению ионов и электронов через раствор.

При приложении внешнего напряжения ионы электролита притягиваются к электроду с противоположным зарядом. Здесь происходят две полураакции. Анод теряет электроны во время окисления, а катод приобретает электроны во время восстановления.

Гальваника – это процесс, в котором используется электролитическая ячейка.Гальваника – это процесс, при котором один металл наносится на поверхность электрода, обычно другой металл. Британский ученый Майкл Фарадей, в честь которого названа постоянная Фарадея, продемонстрировал молярную связь между гальваническим заряженным ионом и электрическим током. Рассмотрим конкретную полуреакцию серебра:

Ag ⁺ + 1e ^– → Ag

Требуется один моль электронов, питаемых внешним током, чтобы восстановить один моль катионов серебра в твердое серебро.Следовательно, стехиометрия полуреакции может определять количество гальванического материала, используемого для известного количества электронов. Напомним, что электричество измеряется не в молях электронов, а в кулонах, названных в честь французского инженера Шарля-Огюстена де Кулона. Один кулон равен 1 ампер в секунду, что основано на принципе элементарного заряда или заряда, который несет один электрон. Таким образом, открытие Фарадея может связать электрический ток с числом молей, нанесенных гальваническим катионом:

F = EN _A

F – постоянная Фарадея, e – элементарный заряд, выраженный в кулонах, а N _A – число Авогадро.Следовательно, постоянная Фарадея выражается числом кулонов на моль и имеет значение 96485 кулонов на моль. Как мы можем определить количество молей электронов, перенесенных на анод, на основе тока? Используя электрический заряд Q и определение кулона:

Электрический заряд равен току в амперах (I), умноженному на время в секундах, в течение которого ток мог течь. Разделив Q на постоянную Фарадея, имеющую единицы кулонов на моль:

Это уравнение позволяет нам вычислить количество молей электронов и, таким образом, определить, сколько катиона гальванического покрытия было восстановлено.

При гальванике металл представляет собой анодные пластины или покрывает катод тонким слоем металла. Количество металлического покрытия зависит от величины приложенного тока, а также от количества молей доступного гальванического катиона. Внешний источник питания, например аккумулятор, индуцирует поток электронов от анода к катоду и от положительного вывода к отрицательному выводу на аккумуляторе.

Например, рассмотрим электролитическую ячейку с медным электродом, латунным ключом, выступающим в качестве второго электрода, и водным раствором сульфата меди в качестве электролита.Здесь медь из электролита и медного электрода наносится на латунный ключ.

Чтобы металлическая медь была нанесена на латунную шпонку, твердый медный электрод должен быть окислен с образованием ионов меди. Затем катионы меди из электрода и электролита восстанавливаются из раствора с образованием твердой меди на латунной шпонке.

Cu ²⁺ + 2e ^– → Cu _(т)

Электроны для реакции поступают от отрицательной клеммы батареи.Таким образом, реакция восстановления происходит на латунной шпонке, а реакция окисления – на медном электроде. Концентрированный и подкисленный раствор сульфата меди увеличивает растворимость; следовательно, чем выше концентрация раствора, тем меньше сопротивление и больше ток. В свою очередь, более высокий ток позволяет нанести большее количество ионов меди на латунный ключ.

Некоторые металлы имеют большую тенденцию терять электроны, чем другие. Стандартный электродный потенциал (E °) вещества – это мера склонности вещества терять электроны.Металл с самым высоким потенциалом восстановления имеет самую высокую тенденцию к потере электронов; таким образом, сначала на него наносят гальваническое покрытие.

1. Коц, Дж. К., Трейхель-младший, П. М., Таунсенд, Дж. Р. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Белмонт, Калифорния: Брукс / Коул, Cengage Learning.
2. Зильберберг, М. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменений. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.

Ячейки электролитические

электролитический Ячейки

Гальванические элементы используют спонтанную химическую реакцию, чтобы управлять электрический ток через внешнюю цепь.Эти клетки важны, потому что они являются основой для батарей, питающих современное общество. Но они не единственный вид электрохимического клетка. Также возможно построить ячейку, которая работает на химическая система, пропуская электрический ток через система. Эти ячейки называются электролитическими ячейками . Электролиз используется для запуска окислительно-восстановительной реакции в направление, в котором это не происходит спонтанно.

Электролиз Расплавленный NaCl

Идеализированная ячейка для электролиза хлорида натрия показано на рисунке ниже.Источником постоянного тока является подключен к паре инертных электродов, погруженных в расплавленный натрий хлористый. Поскольку соль нагревается до плавления, Na ⁺ ионы текут к отрицательному электроду, и Cl ^– ионы текут к положительному электроду.

Когда ионы Na ⁺ сталкиваются с отрицательным электродом, батарея имеет достаточно большой потенциал, чтобы заставить эти ионы собирать электроны с образованием металлического натрия.

Cl ^– ионы, которые сталкиваются с положительным электродом окисляются до газа Cl ₂ , который при этом выделяется электрод.

Чистый эффект от прохождения электрического тока через расплав соли в этой ячейке должен разложить хлорид натрия на его элементы, металлический натрий и газообразный хлор.

Потенциал, необходимый для окисления ионов Cl ^– до Cl ₂ равно -1.36 вольт и потенциал, необходимый для восстановления Na ⁺ ионов к металлическому натрию составляет -2,71 вольт. Аккумулятор, используемый для вождения поэтому эта реакция должна иметь потенциал не менее 4,07 вольт.

Этот пример объясняет, почему процесс называется электролиз . Суффикс – lysis происходит от греческого корня, означающего ослабить или разделить. Электролиз буквально использует электрический ток, чтобы разделить соединение на его элементы.

Этот пример также иллюстрирует разницу между гальваническими ячейки и электролитические ячейки.Гальванические элементы используют данную энергию отключается в результате спонтанной реакции на выполнение работы с электричеством. Электролитический клетки используют электрическую работу в качестве источника энергии, чтобы управлять реакция в обратном направлении.

Пунктирная вертикальная линия в центре рисунка выше представляет собой диафрагму, удерживающую производимый газ Cl ₂ на аноде от контакта с металлическим натрием генерируется на катоде. Функция этой диафрагмы может быть понять, обратившись к более реалистичному изображению Показана коммерческая ячейка Дауна, используемая для электролиза хлорида натрия. на рисунке ниже.

Газообразный хлор, образующийся на графитовом аноде, вставленном в дно этой ячейки пузырится сквозь расплавленный натрий хлорид в воронку наверху ячейки. Натрий металлический, который формы на катоде всплывают через расплав хлорида натрия в натрийсборное кольцо, из которого периодически осушен. Диафрагма, разделяющая два электрода, представляет собой экран из железной сетки, предотвращающий взрывную реакцию, произошло бы, если бы продукты реакции электролиза попали в контакт.

Сырье для ячейки Даунса представляет собой смесь 3: 2 по массе CaCl ₂ и NaCl. Эта смесь используется, потому что она имеет точка плавления 580 ^o C, тогда как чистый хлорид натрия должен быть нагрет до температуры более 800 ^o C, прежде чем он расплавится.

Электролиз водного NaCl

На рисунке ниже показан идеализированный чертеж ячейки, в которой водный раствор хлорида натрия подвергается электролизу.

И снова ионы Na ⁺ мигрируют в сторону отрицательный электрод, и ионы Cl ^– мигрируют в сторону положительный электрод. Но теперь есть два вещества, которые можно восстановленные на катоде: ионы Na ⁺ и молекулы воды.

Потому что восстановить воду намного легче, чем Na ⁺ ионов, единственным продуктом, образующимся на катоде, является газообразный водород.

Есть также два вещества, которые могут окисляться при анод: ионы Cl ^– и молекулы воды.

Потенциалы стандартного состояния для этих полуреакций таковы, что близко друг к другу, что мы могли бы ожидать увидеть смесь Cl ₂ и O ₂ собирают газ на аноде. На практике единственный Продукт этой реакции – Cl ₂ .

На первый взгляд кажется, что окислить воду легче ( E ^o _ox = -1.23 вольт), чем ионы Cl ^– ( E ^o _ox = -1,36 вольт). Однако стоит отметить, что ячейка никогда не позволял достичь стандартных условий. Решение обычно 25% NaCl по массе, что значительно снижает потенциал, необходимый для окисления иона Cl ^– . PH ячейка также держится очень высоко, что снижает окисление потенциал для воды. Решающим фактором является явление, известное как перенапряжение , то есть дополнительное напряжение, которое должно быть применяется к реакции, чтобы заставить ее происходить со скоростью, с которой она произошло бы в идеальной системе.

В идеальных условиях потенциал 1,23 В является большим достаточно, чтобы окислить воду до газа O ₂ . Под реальным Однако в таких условиях может потребоваться гораздо большее напряжение, чтобы инициировать эту реакцию. (Перенапряжение при окислении воды может достигать 1 В.) Тщательно выбирая электрод для максимального увеличения перенапряжения при окислении воды а затем тщательно контролируя потенциал, при котором ячейка работает, мы можем гарантировать, что в этом реакция.

Таким образом, электролиз водных растворов натрия хлорид не дает таких же продуктов, как электролиз расплава натрия хлорид. Электролиз расплавленного NaCl разлагает это составить его элементы.

Электролиз водных растворов NaCl дает смесь водород и газообразный хлор и водный гидроксид натрия решение.

Потому что потребность в хлоре намного превышает потребность для натрия электролиз водного хлорида натрия является более важный процесс с коммерческой точки зрения.Электролиз водного NaCl Решение имеет два других преимущества. Производит газ H ₂ . у катода, который можно собирать и продавать. Он также производит NaOH, который можно слить со дна электролитической сотовый и продан.

Пунктирная вертикальная линия на рисунке выше представляет диафрагма, предотвращающая образование Cl ₂ на аноде в этой ячейке от контакта с NaOH, который накапливается на катоде.Когда эта диафрагма снимается с ячейка, продукты электролиза водного натрия хлорида реагируют с образованием гипохлорита натрия, который является первым этап приготовления гипохлоритных отбеливателей, таких как Хлорокс.

Cl ₂ ( г ) + 2 OH ^– ( водн. ) Cl ^– ( водн. ) + OCl ^– ( водн. ) + H ₂ O ( l )

Электролиз воды

Стандартный аппарат для электролиза воды показан на рисунок ниже.

Пара инертных электродов заделана на противоположных концах контейнер, предназначенный для сбора H ₂ и O ₂ газ выделяется в этой реакции.Затем электроды подключаются к батарее или другому источнику электрического тока.

Сама по себе вода – очень плохой проводник электричества. Мы поэтому добавьте в воду электролит, чтобы получить ионы, которые могут протекать через раствор, завершая тем самым электрическую схема. Электролит должен быть растворим в воде. Следует также быть относительно недорогим. Самое главное, он должен содержать ионы. которые сложнее окислить или восстановить, чем вода.

Следующие катионы восстанавливаются труднее, чем вода: Li ⁺ , Rb ⁺ , K ⁺ , Cs ⁺ , Ba ²⁺ , Sr ²⁺ , Ca ²⁺ , Na ⁺ и Mg ²⁺ .Два из этих катионов являются более вероятными кандидатами, чем другие потому что они образуют недорогие растворимые соли: Na ⁺ и К ⁺ .

Ион SO ₄ ^2- может быть лучшим анионом для использовать, потому что это самый трудный для окисления анион. В потенциал окисления этого иона до пероксидисульфат-иона равен -2,05 вольт.

Когда водный раствор либо Na ₂ SO ₄ или K ₂ SO ₄ подвергается электролизу в аппарате как показано на рисунке выше, H ₂ газ собирается в одном электрод и O ₂ газ собирается на другом.

Что было бы, если бы мы добавили такой индикатор, как бромтимол? синий к этому аппарату? Бромтимоловый синий желтеет в кислой среде. растворы (pH <6) и синий цвет в щелочных растворах (pH> 7.6). Согласно уравнениям двух полуреакций индикатор должен стать желтым на аноде и синим на катод.

Закон Фарадея

Закон электролиза Фарадея можно сформулировать следующим образом. количество вещества, потребляемого или производимого на одном из электродов в электролитической ячейке прямо пропорционально количество электричества, которое проходит через ячейку.

Чтобы использовать закон Фарадея, мы должны признать соотношение между током, временем и количеством электрического заряд, протекающий по цепи. По определению один кулон заряда передается, когда в течение 1 секунды протекает ток 1 А.

1 C = 1 ампер

Пример: Чтобы проиллюстрировать, как можно использовать закон Фарадея, давайте рассчитайте количество граммов металлического натрия, которое образуется при катод при 10.Ток 0 ампер пропускается через расплавленный натрия хлорид в течение 4.00 часов.

Начнем с вычисления количества электрического заряда, который протекает через ячейку.

Прежде чем мы сможем использовать эту информацию, нам нужен мост между эта макроскопическая величина и явление, происходящее на атомный масштаб. Этот мост представлен постоянной Фарадея, который описывает количество кулонов заряда, которое несет моль электронов.

Таким образом, число молей электронов, перенесенных при 144000 кулонов электрического заряда, протекающего через ячейку, могут быть рассчитывается следующим образом.

Согласно полученному уравнению реакции происходит на катоде этой ячейки, мы получаем один моль натрия за каждый моль электронов.

Таким образом, получаем 1.49 моль, или 34,3 грамма натрия в 4,00 часы.

Последствия этого расчета следующие: интересный. Нам пришлось бы проводить этот электролиз более чем два дня, чтобы приготовить полкило натрия.

Мы можем расширить общую схему изложены в этом разделе, чтобы ответить на вопросы, которые могут показаться невозможно на первый взгляд.

20.9: Электролиз – Химия LibreTexts

Цели обучения

• Чтобы понять электролиз и описать его количественно.

В этой главе мы описали различные гальванические элементы, в которых спонтанная химическая реакция используется для выработки электроэнергии. { 2 +} \), а затем замкните цепь, разность потенциалов между двумя отсеками будет равна 0.74 В. Кадмиевый электрод начнет растворяться (Cd окисляется до Cd ^{2 +} ) и является анодом, а металлическая медь осаждается на медном электроде (Cu ^{2 +} восстанавливается до Cu ), который является катодом (Рисунок \ (\ PageIndex {1a} \)).

В этом направлении система действует как гальванический элемент.

В электролитической ячейке внешнее напряжение прикладывается для запуска несамопроизвольной реакции .

Обратная реакция, восстановление Cd ^{2 +} медью, является термодинамически неспонтанной и будет происходить только при подаче 140 кДж. Мы можем заставить реакцию развиваться в обратном направлении, приложив электрический потенциал больше 0.74 В от внешнего источника питания. Приложенное напряжение заставляет электроны проходить через цепь в обратном направлении, превращая гальванический элемент в электролитический. Таким образом, медный электрод теперь является анодом (Cu окисляется), а кадмиевый электрод теперь является катодом (Cd ^{2 +} восстановлено) (Рисунок \ (\ PageIndex {1b} \)). {-} \ rightarrow Cd (s)} \ label {20.{2 +} \) by \ (Cu \) – очевидно, что не может происходить спонтанно, а происходит только при подаче достаточного количества электроэнергии. Различия между гальваническими и электролитическими ячейками сведены в Таблицу \ (\ PageIndex {1} \).

Электролитические реакции

При достаточно высоких температурах ионные твердые частицы плавятся с образованием жидкостей, которые очень хорошо проводят электричество из-за высокой концентрации ионов.{+}} \) восстанавливается на катоде. Общая реакция следующая:

\ [\ ce {2NaCl (l) \ rightarrow 2Na (l) + Cl2 (g)} \ label {20.9.6} \]

Это процесс, обратный формированию \ (\ ce {NaCl} \) из его элементов. Продуктом реакции восстановления является жидкий натрий, поскольку температура плавления металлического натрия составляет 97,8 ° C, что значительно ниже точки плавления \ (\ ce {NaCl} \) (801 ° C). Приблизительно 20 000 тонн металлического натрия производятся в США ежегодно путем электролиза расплавленного \ (\ ce {NaCl} \) в ячейке Даунса (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).В этой специализированной ячейке \ (\ ce {CaCl2} \) (точка плавления = 772 ° C) сначала добавляется к \ (\ ce {NaCl} \), чтобы снизить температуру плавления смеси примерно до 600 ° C, тем самым снижая эксплуатационные расходы.

Аналогичным образом, в процессе Холла-Эру, используемом для промышленного производства алюминия, расплавленная смесь примерно 5% оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ; точка плавления = 2054 ° C ) и 95% криолит (Na ₃ AlF ₆ ; точка плавления = 1012 ° C) подвергается электролизу при температуре около 1000 ° C с образованием расплавленного алюминия на катоде и газа CO ₂ на угольном аноде.Общая реакция следующая:

\ [\ ce {2Al2O3 (l) + 3C (s) -> 4Al (l) + 3CO2 (g)} \ label {20.9.7} \]

Ионы оксида реагируют с окисленным углеродом на аноде с образованием CO ₂ (г).

Об этих двух промышленных процессах и об электролизе расплавленных солей в целом следует сделать два важных замечания.

1. Электродные потенциалы для расплавленных солей, вероятно, будут сильно отличаться от стандартных потенциалов ячейки, перечисленных в таблице P2, которые составлены для восстановления гидратированных ионов в водных растворах при стандартных условиях.
2. Использование смешанной солевой системы означает возможность конкуренции между различными электролитическими реакциями. Когда смесь NaCl и CaCl ₂ подвергается электролизу, Cl ^– окисляется, потому что это единственный присутствующий анион, но может быть восстановлен либо Na ⁺ , либо Ca ^{2 +} . И наоборот, в процессе Холла-Эру присутствует только один катион, который может быть восстановлен (Al ^{3 +} ), но есть три вида, которые могут быть окислены: C, O ^2- и F ^– .

В процессе Холла-Эру, C окисляется вместо O ^2- или F ^–, потому что кислород и фтор более электроотрицательны, чем углерод, что означает, что C является более слабым окислителем, чем O ₂ или F ₂ . Аналогичным образом, в ячейке Даунса можно ожидать, что электролиз смеси NaCl / CaCl ₂ будет производить кальций, а не натрий, поскольку Na немного менее электроотрицателен, чем Ca (χ = 0,93 против 1,00, соответственно), что облегчает окисление Na и , наоборот, Na ⁺ труднее восстановить.Фактически, наблюдаемой реакцией является восстановление Na ⁺ до Na. В случаях, когда электроотрицательности двух видов схожи, другие факторы, такие как образование сложных ионов, становятся важными и могут определять результат.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Если электролизовать расплавленную смесь MgCl ₂ и KBr, какие продукты будут образовываться на катоде и аноде соответственно?

Дано: идентичность солей

Запрошено: продуктов электролиза

Стратегия:

1. Перечислите все возможные продукты восстановления и окисления.Основываясь на значениях электроотрицательности, показанных на рисунке 7.5, определите, какие частицы будут восстанавливаться, а какие окисляться.
2. Определите продукты, которые будут образовываться на каждом электроде.

Решение

A Возможными продуктами восстановления являются Mg и K, а возможными продуктами окисления – Cl ₂ и Br ₂ . Поскольку Mg более электроотрицателен, чем K (χ = 1,31 против 0,82), вероятно, что Mg будет восстанавливаться, а не K.Поскольку Cl является более электроотрицательным, чем Br (3,16 против 2,96), Cl ₂ является более сильным окислителем, чем Br ₂ .

B Таким образом, при электролизе на аноде образуется Br ₂ , а на катоде – Mg.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Предскажите продукты, если электролизуется расплавленная смесь AlBr ₃ и LiF.

Ответ

Br ₂ и Al

Электролиз также может быть использован для термодинамического несамопроизвольного разложения воды на составляющие ее элементы: H ₂ и O ₂ .Однако, поскольку чистая вода является очень плохим проводником электричества, сначала необходимо добавить небольшое количество растворенного ионного вещества (например, H ₂ SO ₄ или Na ₂ SO ₄ ), чтобы увеличить ее электрическую проводимость. Введение инертных электродов в раствор и приложение напряжения между ними приведет к быстрому выделению пузырьков H ₂ и O ₂ (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).

Для системы, содержащей такой электролит, как Na ₂ SO ₄ , который оказывает незначительное влияние на ионизационное равновесие жидкой воды, pH раствора будет 7,00 и [H ⁺ ] = [ OH ^– ] = 1,0 × 10 ^-7 . Предполагая, что \ (P_ \ mathrm {O_2} \) = \ (P_ \ mathrm {H_2} \) = 1 атм, мы можем использовать стандартные потенциалы для вычисления E для общей реакции:

\ [\ begin {align} E_ \ textrm {cell} & = E ^ \ circ_ \ textrm {cell} – \ left (\ dfrac {\ textrm {0.2_ \ mathrm {H_2}) \\ & = – \ textrm {1,23 V} – \ left (\ dfrac {\ textrm {0,0591 V}} {4} \ right) \ log (1) = – \ textrm {1,23 V } \ end {align} \ label {20.9.11} \]

Таким образом, E _{для ячейки} составляет -1,23 В, что является значением E ° _{для ячейки} , если реакцию проводят в присутствии 1 M H ⁺ , а не при pH 7,0.

На практике для электролиза воды необходимо напряжение примерно на 0,4–0,6 В выше расчетного. Это добавленное напряжение, называемое перенапряжением , представляет собой дополнительную движущую силу, необходимую для преодоления препятствий, таких как большая энергия активации для образования газа на поверхности металла.Перенапряжения необходимы во всех электролитических процессах, что объясняет, почему, например, необходимо приложить приблизительно 14 В для подзарядки 12-вольтовой батареи в вашем автомобиле.

В общем, любой металл, который не реагирует легко с водой с образованием водорода, может быть получен электролитическим восстановлением водного раствора, содержащего катион металла. Металлы с p-блоком и большинство переходных металлов относятся к этой категории, но металлы с высокой степенью окисления, которые образуют оксоанионы, не могут быть восстановлены до металла простым электролизом.Активные металлы, такие как алюминий и металлы групп 1 и 2, настолько легко реагируют с водой, что их можно получить только электролизом расплавленных солей. Точно так же любой неметаллический элемент, который с трудом окисляет воду до O ₂ , может быть получен электролитическим окислением водного раствора, содержащего соответствующий анион. На практике из неметаллов этим методом нельзя получить только F ₂ . Оксоанионы неметаллов в их высших степенях окисления, такие как NO ₃ ^– , SO ₄ ^2-, PO ₄ ^3-, обычно трудно восстановить электрохимически и обычно ведут себя как ионы-наблюдатели, которые остаются в растворе во время электролиза.

В общем, любой металл, который не реагирует легко с водой с образованием водорода, может быть получен электролитическим восстановлением водного раствора, содержащего катион металла.

Гальваника

В процессе, называемом гальваника , на металлический электрод, который действует как катод во время электролиза, наносится слой второго металла. Гальваника используется для улучшения внешнего вида металлических предметов и защиты их от коррозии.Примеры гальваники включают слой хрома, который можно найти на многих сантехнических приборах или (в прежние времена) на бамперах и колпаках автомобилей, а также тонкий слой драгоценного металла, которым покрывают посеребренную посуду или украшения. Во всех случаях основная концепция одинакова. Схематический вид устройства для нанесения гальванического покрытия на столовое серебро и фотография коммерческой гальванической ячейки показаны на рисунке \ (\ PageIndex {4} \).

Количественные соображения

Если мы знаем стехиометрию реакции электролиза, количество пропущенного тока и продолжительность времени, мы можем рассчитать количество материала, израсходованного или произведенного в реакции.{2 +}} \) в \ (\ ce {Cu} \) металл. Напомним, что заряд на 1 моль электронов равен 1 фарадею (1 Ф), что равно 96 485 С. Таким образом, мы можем вычислить количество молей электронов, перенесенных, когда через элемент проходит известный ток в течение заданного периода времени. . Общий переданный заряд (\ (q \) в кулонах) является произведением силы тока (\ (I \) в амперах) и времени (\ (t \) в секундах):

\ [q = I \ times t \ label {20.9.14} \]

Стехиометрия реакции и общий переносимый заряд позволяют нам рассчитать количество продукта, образовавшегося во время реакции электролиза, или количество металла, нанесенного в процессе гальваники.- \ end {align *} \]

Поскольку для восстановления одного иона Cu ^{2 +} требуются два электрона, общее количество образовавшихся молей Cu составляет половину количества молей перенесенных электронов, или 1,2 × 10 ⁻³ моль. Это соответствует 76 мг Cu. В промышленных процессах электрорафинирования используются гораздо более высокие токи (более или равные 50 000 А), соответствующие приблизительно 0,5 Ф / с, а время реакции составляет порядка 3-4 недель.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Посеребренная ложка обычно содержит около 2 штук.00 г Ag. Если для достижения желаемой толщины покрытия Ag требуется 12,0 ч, каков средний ток на ложку, который должен протекать во время процесса гальваники, предполагая эффективность 100%?

Дано: Масса металла, время и КПД

Запрошено: Требуется ток

Стратегия:

1. Рассчитайте количество молей металла, соответствующее заданной переносимой массе.
2. Напишите реакцию и определите количество молей электронов, необходимое для процесса гальваники.{-2} \ textrm {mol Ag} \)

   B Реакция восстановления: Ag ⁺ (водн.) + E ^– → Ag (s), поэтому из 1 моля электронов образуется 1 моль серебра.

   C Используя определение Фарадея,

   кулонов = (1,85 × 10 ⁻² моль ^– ) (96,485 C / моль ^–) = 1,78 × 10 ³ C / моль

   Следовательно, ток в амперах, необходимый для доставки этого количества заряда за 12 часов, равен

   .

   \ [\ begin {align *} \ textrm {amperes} & = \ dfrac {1.{-2} \ textrm {A} \ end {align *} \]

   Поскольку процесс нанесения гальванического покрытия обычно намного ниже 100% эффективности (типичные значения ближе к 30%), фактический необходимый ток превышает 0,1 А.

   Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

   Обычная алюминиевая банка для безалкогольных напитков весит около 29 г. Сколько времени необходимо для получения такого количества Al (ов) в процессе Холла – Эру, используя ток 15 А для восстановления расплавленного Al ₂ O ₃ / Na ₃ AlF ₆ смеси?

   Ответ

   5.8 ч.

   Сводка

   При электролизе внешнее напряжение прикладывается, чтобы запустить неспонтанную реакцию . Количество окисленного или восстановленного материала можно рассчитать, исходя из стехиометрии реакции и количества перенесенного заряда. Соотношение заряда, тока и времени:

   \ [q = I \ times t \ nonumber \]

   При электролизе внешнее напряжение прикладывается для возбуждения неспонтанной реакции. Электролиз также можно использовать для получения H ₂ и O ₂ из воды.На практике необходимо приложить дополнительное напряжение, называемое перенапряжением, чтобы преодолеть такие факторы, как большая энергия активации и потенциал перехода.