電気分解が何であるかという問題は、学校の物理学のコースで考慮されており、ほとんどの人にとってそれは秘密ではありません。もう一つは、その重要性と実用性です。このプロセスは、さまざまな業界で大きなメリットをもたらし、家庭の職人に役立つ可能性があります。
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電気分解とは何ですか？
電気分解は、電極と電解質のシステムに直流電流が流れるときの特定のプロセスの複合体です。そのメカニズムは、イオン電流の発生に基づいています。電解液はタイプ2の導体です（イオン伝導度）電解解離が発生します。これは、正のイオンへの分解に関連しています（カチオン）および負（アニオン） 充電。
電解システムには必然的にポジティブ（アノード）および負（陰極）電極。直流電流を流すと、陽イオンは陰極に向かって移動し始め、陰イオンは陽極に向かって移動し始めます。陽イオンは主に金属イオンと水素であり、陰イオンは酸素、塩素です。陰極では、陽イオンが過剰な電子を付着させ、還元反応Men + + ne→Me（ここで、nは金属の原子価です。）。反対に、アノードでは、酸化反応が起こって、アニオンから電子が供与されます。
したがって、レドックスプロセスがシステムに提供されます。その流れには、適切なエネルギーが必要であることを考慮することが重要です。外部電流源から供給される必要があります。
ファラデーの電気分解の法則
偉大な物理学者のM.ファラデーは、彼の研究により、電気分解の性質を理解するだけでなく、その実装に必要な計算を行うことも可能にしました。 1832年に、彼の法律が登場し、進行中のプロセスの主要なパラメーターをリンクしました。
第一法則
ファラデーの最初の法則は、アノードで還元される物質の質量は、電解質に誘導される電荷に正比例することを示しています。m= kq = k * I * t、ここでqは電荷、kは係数または電気化学当量物質のIは電解質を流れる電流の強さ、tは電流の通過時間です。
第二法則
ファラデーの第2法則により、比例係数kを決定することが可能になりました。これは次のように聞こえます。物質の電気化学当量は、そのモル質量に正比例し、原子価に反比例します。法律は次のように表現されます。
k = 1 / F * A / zここで、Fはファラデー定数、Aは物質のモル質量、zはその化学原子価です。
両方の法則を考慮して、物質の電極に堆積した質量を計算するための最終的な式を導き出すことができます。 m = A * I * t /（n * F）、ここで、nは電気分解に関与する電子の数です。通常、nはイオンの電荷に対応します。実用的な観点から、物質の質量と印加電流の関係は重要であり、それはその強度を変えることによってプロセスを制御することを可能にします。
溶融電気分解
電気分解のオプションの1つは、電解質として溶融物を使用することです。この場合、溶融イオンのみが電気分解プロセスに関与します。古典的な例は、溶融塩NaClの電気分解です（塩）。マイナスイオンがアノードに突入します。これは、ガスが放出されることを意味します（Cl）。金属の還元は陰極で起こります。過剰な電子を引き付けた陽イオンから形成された純粋なNaの堆積。他の金属も同様に入手できます（K、Ca、Liなど。）対応する塩の虐殺から。
溶融物中での電気分解の間、電極は溶解せず、電流源としてのみ関与します。それらの製造では、金属、グラファイト、一部の半導体を使用できます。材料が十分な導電性を持っていることが重要です。最も一般的な材料の1つは銅です。
溶液中の電気分解の特徴
水溶液中での電気分解は、溶融物とは大きく異なります。ここでは、3つの競合するプロセスが発生します。酸素発生を伴う水の酸化、陰イオンの酸化、および金属の陽極溶解です。このプロセスには、水、電解質、アノードのイオンが関与しています。したがって、水素、電解質カチオン、およびアノード金属の還元がカソードで起こり得る。
これらの競合するプロセスが発生する可能性は、システムの電位の大きさに依存します。より少ない外部エネルギーを必要とするプロセスのみが進行します。その結果、電極電位が最大の陽イオンは陰極で還元され、電位が最小の陰イオンは陽極で酸化されます。水素の電極電位を「0」とします。たとえば、カリウムの場合は（-2.93V）、ナトリウム-（-2.71V）、 リード （-0.13V）、シルバーは（+0.8 V).
ガス中での電気分解
ガスは、イオナイザーの存在下でのみ電解質の役割を果たすことができます。この場合、イオン化された媒体を通過する電流は、電極上で必要なプロセスを引き起こします。ただし、ファラデーの法則はガス電気分解には適用されません。その実装には、次の条件が必要です。
- ガスの人工的なイオン化がなければ、高電圧も高電流も役に立ちません。
- 酸素を含まず、気体状態にある酸のみであり、一部の気体は電気分解に適しています。
重要！ 必要な条件が満たされると、プロセスは液体電解質での電気分解と同様に進行します。
カソードとアノードで発生するプロセスの特徴
電気分解を実際に使用するには、電流を流したときに両方の電極で何が起こるかを理解することが重要です。典型的なプロセスは次のとおりです。
- 陰極。正に帯電したイオンがそれに突入します。ここでは、金属の還元または水素の発生が起こります。カチオン活性に応じて、金属にはいくつかのカテゴリーがあります。Li、K、Ba、St、Ca、Na、Mg、Be、Alなどの金属は、溶融塩からのみ十分に還元されます。溶液を使用すると、水の電気分解により水素が放出されます。 Mn、Cr、Zn、Fe、Cd、Ni、Ti、Co、Mo、Sn、Pbの金属については、十分な濃度の陽イオンを使用して、溶液の還元を達成することができます。このプロセスは、Ag、Cu、Bi、Pt、Au、Hgで最も簡単に進行します。
- アノード。負に帯電したイオンがこの電極に入ります。酸化されると、それらは金属から電子を奪い、それがそれらの陽極溶解につながります。正に帯電したイオンに遷移し、カソードに送られます。陰イオンもその活動に従って分類されます。このような陰イオンPO4、CO3、SO4、NO3、NO2、ClO4、Fは、溶融物からのみ放出されます。水溶液では、電気分解を受けるのはそれらではなく、酸素を放出する水です。 OH、Cl、I、S、Brなどの陰イオンが最も反応しやすくなります。
電気分解を確実にするときは、電極材料が酸化する傾向を考慮することが重要です。この点で、不活性および活性アノードが際立っています。不活性電極は、グラファイト、カーボン、またはプラチナでできており、イオンの供給には関与しません。
電気分解プロセスに影響を与える要因
電気分解プロセスは、次の要因に依存します。
- 電解質組成。さまざまな不純物が大きな影響を及ぼします。それらは3つのタイプに分けられます-陽イオン、陰イオンおよび有機物。物質は卑金属よりも多かれ少なかれ負である可能性があり、それがプロセスを妨害します。有機不純物の中でも、汚染物質（油など）や界面活性剤が目立ちます。それらの濃度は最大許容値を持っています。
- 電流密度。ファラデーの法則に従って、堆積した物質の質量は、電流強度の増加とともに増加します。しかし、好ましくない状況が発生します-分極の集中、電圧の上昇、電解質の激しい加熱。これを念頭に置いて、特定のケースごとに最適な電流密度値があります。
- 電解質のpH。環境の酸性度も金属を考慮して選択されます。たとえば、亜鉛の電解質酸性度の最適値は140 g/cu.dmです。
- 電解質温度。あいまいな効果があります。温度の上昇に伴い、電気分解の速度は増加しますが、不純物の活性も増加します。すべてのプロセスに最適な温度があります。通常それは38-45度の範囲にあります。
重要！ 電気分解は、さまざまな影響と電解質組成の選択によって加速または減速する可能性があります。各アプリケーションには独自のレジメンがあり、厳密に遵守する必要があります。
電気分解はどこで使用されますか？
電気分解は多くの分野で使用されています。実用的な結果を得るための使用のいくつかの主要な領域があります。
電気めっき
薄くて耐久性のある金属メッキは、電気分解によって適用できます。コーティングされる製品は陰極の形で浴に設置され、電解液は所望の金属の塩を含んでいます。したがって、鋼を亜鉛、クロム、またはスズで覆うことができます。
電解精製-銅精製
電気洗浄の例としては、次のオプションがあります。 陰極 -純銅 アノード -不純物を含む銅、 電解質 -硫酸銅の水溶液。アノードからの銅はイオンに移行し、不純物なしでカソードに沈殿します。
金属鉱業
塩から金属を得るために、それらは溶融物に移され、次に電気分解がその中で提供されます。このような方法は、ボーキサイト、ナトリウム、カリウムからアルミニウムを得るのに非常に効果的です。
陽極酸化
このプロセスでは、コーティングは非金属化合物から作られています。古典的な例は、アルミニウムの陽極酸化です。アルミ部品は陽極として取り付けられています。電解液は硫酸の溶液です。電気分解の結果として、酸化アルミニウムの層がアノード上に堆積し、これは保護的および装飾的特性を有する。これらの技術は、さまざまな業界で広く使用されています。安全規制に準拠し、自分の手で処理を行うことができます。
エネルギーコスト
電気分解には高いエネルギーコストが必要です。アノード電流が十分である場合、このプロセスは実用的な価値があり、そのためには、電源からかなりの直流を印加する必要があります。さらに、それが実行されると、副電圧損失が発生します-アノードとカソードの過電圧、その抵抗による電解質の損失。設置の効率は、エネルギー消費の電力を、得られた物質の有効質量の単位に関連付けることによって決定されます。
電気分解は、長い間、高効率で産業で使用されてきました。陽極酸化および電気めっきされたコーティングは日常生活で一般的になり、材料の採掘と選鉱は鉱石から多くの金属を抽出するのに役立ちます。プロセスは、その主なパターンを知って、計画および計算することができます。
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