 |
Układ okresowy | | Powłoki | | Obliczenia | | Definicje | | Linki do tematu |
 |
 |
| ||||||||
 |
 |
|
POWRÓT |
|
|
Technologie elektrochemiczneSpis treści rozdziału - tutaj kliknij Tutaj kliknij Hydrometalurgia / Elektroliza soli i tlenków stopionych / Elektrochemiczna rafinacja metali / Otrzymywanie powłok ochronnych i ozdobnych / Elektroliza chlorków metali alkalicznych / Procesy elektrochemiczne znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, między innymi w:
HydrometalurgiaTermin ten oznacza otrzymywanie metali w wyniku elektrolizy wodnych roztworów ich soli. Proces ten składa się z następujących etapów:
Przykładem jest otrzymywanie miedzi z rudy miedzi. Podczas tego procesu rozdrobniona miedź jest ługowana roztworami kwasu siarkowego(VI) i siarczanu(VI) żelaza(III). Otrzymany roztwór jest poddawany elektrolizie. Na katodach z podkładek miedzianych wydziela się miedź w reakcji. Cu2+(aq) + 2e --> Cu(s) natomiast na nierozpuszczalnej anodzie wydziela się tlen 2 H2O(c) --> 4H+(aq) + O2(g) + 4e- Sumarycznie proces ten możemy zapisać równaniem 2CuSO4(aq) + 2H2(c) --> 2Cu(s) + O2(g) + 2H2SO4(aq) Z równania wynika, że podczas elektrolizy następuje regeneracja kwasu siarkowego. Roztwór po elektrolizie jest wykorzystywany w kolejnym cyklu ługowania Oprócz produkcji miedzi, proces hydrometalurgiczny stosuje się do otrzymywania innych metali, m.in. antymonu, kobaltu, chromu, galu, manganu, srebra i żelaza (wysokiej czystości). Elektroliza soli i tlenków stopionychNa skalę przemysłową metodą tą otrzymuje się glin, sód, lit i magnez, na które istnieje ogromne zapotrzebowanie (lekkie stopy, chemiczne źródła prądu). Pozostałe litewce i berylowce są produkowane na mniejszą skalę. Ponieważ z powodu bardzo ujemnych wartości potencjałów standardowych litowców i berylowców nie można katodowo wydzielić w postaci czystej z roztworów wodnych tych metali, ma tutaj zastosowanie elektroliza stopionych soli i tlenków. Przykładem jest produkcja glinu. Proces produkcji glinu składa się z dwu zasadniczych etapów. Pierwszy to otrzymanie czystego Al2O3 z surowców mineralnych, głównie boksytów, stanowiących mieszaninę hydratów tlenków glinu znacznie zanieczyszczonych tlenkami żelaza, krzemionką oraz dwutlenkiem tytanu. procesy otrzymywania Al2O3 polegają ogólnie na ługowaniu rudy, na gorąco i pod ciśnieniem, roztworem wodorotlenku sodu. Amfoteryczny Al2O3 ulega rozpuszczeniu, a następnie strąceniu Al(OH)3 z otrzymanego roztworu glinianu sodu. Drugi etap to elektroliza, jednak z uwagi na bardzo wysoką temperaturę topnienia Al2O3, elektrolizie poddaje się stopy zawierające 4-6% Al2O3, 86 - 88% 3NaF*AlF3 (kriolit) i 8 - 11% CaF2 (fluoryt) o znacznie niższej temperaturze topnienia (ok. 1000oC) Na katodzie przebiega proces Al3+ + 3e --> Al(c) Na anodzie wydziela sie tlen 2O2- - 4e --> O2(g) który spala materiał anody do CO2. Ponieważ temperatura procesu jest znacznie wyższa od temperatuty topnienia glinu, więc na dnie elektrolizera gromadzi się ciekły metal, który jest okresowo odprowadzany, a na jego miejsce są dodawane odpowiednie ilości Al2O3. Magnez otrzymuje się przez elektrolizę stopionego MgCl2. Zródłem chlorku magnezu są naturalne solanki, woda morska, karnalit (KCl*MgCl2*6H2O) lub dolomit (CaCO3*MgCO3). Po przeróbce chemicznej surowców otrzymuje się uwodniony MgCl2, którym zasila się elektrolizery. Proces jest prowadzony w temperaturze ok. 700oC, która jest wyższa od temperatury topnienia magnezu. Ciekły magnez, mający gestość mniejszą niż gęstość elektrolitu, zbiera się na jego powierzchni. na anodzie wydziela się równoważna ilość chloru. W podobny sposób, otrzymuje się sód i lit. Elektrochemiczna rafinacja metaliMetale otrzymane w procesie hutniczym zawierajš liczne domieszki metali bardziej "szlachetnych". Oczyszcza się je z domieszek (rafinuje) w elektrolizerach w których anodę stanowi blok surowego metalu, katodę - cienka podkładka z czystego metalu rafinowanego, a elektrolitem jest sól (siarczan, azotan) tego metalu. Na bardzo dużą skalę prowadzi się rafinację miedzi. Miedź hutnicza zawiera ok. 99% Cu oraz domieszki "szlachetne", głównie Ag (ok. 2kg/t), Au (ok. 50g/t) i "nieszlachetne", m.in. Pb, Sb, As, Se, Ni, Te, Fe, Co, Zn, Bi. W elektrotechnice, a szczególnie w elektronice, jest wymagana bardzo duża czystość miedzi (99,9 - 99,99%), gdyż domieszki bardzo obniżają jej przewodność elektryczną. Do wydzielenia domieszek z miedzi wykorzystuje się zjawisko polegające na tym, że przy potencjale anody niewiele wyższym niż potencjał równowagowy półogniwa Cu/Cu2+ do roztworu przechodzą kationy Cu2+ oraz kationy metali "nieszlachetnych". Metale szlachetne przy tak małej polaryzacji anodowej nie rozpuszczają się i opadajš na dno elektrolizera jako tzw. szlam anodowy. Potencjał katody jest dobierany w taki sposób, aby był niewiele niższy niż potencjał równowagowy półogniwa Cu/Cu2+ - wówczas na katodzie redukują się wyłącznie jony Cu2+, gdyż jej polaryzacja katodowa jest niewystarczająca do redukcji kationów metali "nieszlachetnych". Czystość rafinowanej miedzi przekracz 99,98%. Szlam anodowy, zawierający głównie Ag oraz Au, jest dalej przerabiany chemicznie i elektrochemicznie w celu wydzielenia tych metali. W podobny sposób rafinuje się nikiel, kobalt, ołów, srebro, złoto i szereg innych metali. Otrzymywanie powłok ochronnych i ozdobnychPokrywanie metali cienkimi powłokami innych metali ma na celu podniesienie ich odporności na korozje. Powłoki muszą spełniać wiele wymogów, m. in. powinny być drobnokrystaliczne, równomiernie pokrywać metal oraz dobrze przylegać do jego powierzchni. Przy odpowiednim doborze składu elektrolitu, gestości prądu i temperatury można wykonywać pokrycia o odpowiedniej jakości niemal wszystkimi ( z wyjątkiem litowców i berylowców) metalami. metodami elektrochemicznymi mozna też osadzać powłoki ze stopów metali, co stanowi dogodny sposób otrzymywania stopów "na zimno". Warto jeszcze wspomieć o pokrywaniu metali pasywnymi warstwami tlenków. proces ten jest stosowany przede wszystkim do pokrywania glinu i jego twardych stopów (tzw. anodowanie lub eloksalowanie glinu). Pokrywany przedmiot jest umieszczany jako anoda w kąpieli kwaśnej (H2SO4, CrO3, H3PO4) lub zasadowej (NH3). Osadzona powłoka spełnia rolę ochronną; można ją też barwić barwnikami organicznymi, nadając przedmiotom estetyczny wygląd. Elektroliza chlorków metali alkalicznychElektroliza chlorków metali alkalicznych. Elektroliza wodnych roztworów chlorków litowców i berylowców jest podstawą technologii chloru, ługu sosowego, chloranów(I), (V) i (VII) i jest prowadzona na dużą skalę w związku z zapotrzebowaniem na te produkty. Istotę procesów katodowego i anodowego, zachodzących podczas elektrolizy chlorków, opisano w p. 12.6. Elektrolizie najczęściej poddaje się wodny roztwór chlorku sodu. proces można prowadzić dwoma metodami:
|
| |
|
