Основные законы, описывающие процесс электролиза
Физико-химические процессы, протекающие в технологической системе при электролизе, указывают на то, что этот процесс характеризуется превращением электрической энергии в энергию химических связей и сопровождается переносом вещества, электричества и тепла. Все эти «переносы» необходимо характеризовать количественно, устанавливая взаимосвязи между затратами введённой в систему энергии и полученными результатами.
Основное соотношение, свойственное процессу электролиза, установлено и сформулировано английским учёным М. Фарадеем (первый закона Фарадея): масса вещества т (кг), восстановленного на катоде и окисленного на аноде, прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества.Первый закон Фарадея выражается следующей формулой:
, (3.3)
где kэх — электрохимический эквивалент вещества; q — количество электричества, Кл; I — сила тока в электролите, А; τо — основное время протекания процесса, с.
Коэффициент kэх характеризует массу вещества анода в килограммах, растворённого (перемещённого с анода на катод) при токе 1 А за одну секунду. Числовые значения kэх для различных химических элементов приводятся в справочных материалах, например, работе [16].
Электрохимический эквивалент сплава 
можно найти через электрохимические эквиваленты входящих в него компонентов 
и их массовые доли mi в сплаве по формуле
|
|
|
. (3.4)
Каждый компонент сплава имеет свой электрохимический эквивалент, то есть свою скорость анодного растворения. В связи с этим в процессе обработки на поверхности заготовки возникают углубления и выступы, формирующие микропрофиль и шероховатость обработанной поверхности.
В реальном процессе масса прореагировавшего при электролизе вещества меньше массы, вычисленной по закону Фарадея. Полезное использование тока характеризуют коэффициентом выхода по токуkвт:
, (3.5)
где mф— фактическая масса вещества, прореагировавшего в процессе электролиза.
Значение kвт варьируется в широких пределах и зависит от состава электролита, концентрации загрязнений электролита продуктами реакций, температуры электролита, плотности тока и других параметров процесса. Так, для электрохимического золочения (покрытие поверхности золотом) kвт достигает 90 %, хромирования (покрытие хромом) — 8…12 %, никелирования (покрытие никелем) — 90…95 %, кадмирования (покрытие кадмием) — 85…95 %.
Второй закон Фарадея устанавливает зависимость электрохимического эквивалента kэхот атомной массы вещества А и его валентности z и формулируется следующим образом: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его атомной массе и обратно пропорционален его валентности.
|
|
|
Отношение атомной массы вещества к его валентности z называется химическим эквивалентом вещества:
kх = А/z. (3.6)
Применение формулы (3.6) к математической формулировке второго закона Фарадея позволяет сформулировать его следующим образом: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их собственным химическим эквивалентам.
или 
, (3.7)
где 
, 
, 
, …, 
— электрохимические эквиваленты веществ; 
, 
, 
, …, 
— химические эквиваленты тех же веществ.
Из равенства (3.7) следует, что отношение величины электрохимического эквивалента вещества к величине его химического эквивалента есть величина постоянная, имеющая для всех веществ одно и то же установленное значение:
= 1,036 × 10-5.
Величина обратная этому значению, равная 96500 (Кл/моль), получила название постоянная Фарадея (F).
Постоянная Фарадея показывает, что для выделения на электродах одного моля вещества нужно пропустить через электролит количество электричества равное 96500 Кл.
|
|
|
Таким образом, второй закон Фарадея представляется формулой:
. (3.8)
Подстановкой полученного выражения для kэх в первый закон Фарадея оба закона записываются следующей формулой:
. (3.9)
Формула (3.9) показывает, что в результате прохождения через два различных электролита токов одинаковой силы в течение одного и того же промежутка времени из обоих электролитов выделяются количества веществ, относящиеся между собой как химические эквиваленты таковых.
Так как kx = A/z, то можно представить формулу (3.3) для определения массы прореагировавшего на электродах вещества в следующем виде
. (3.10)
Таким образом, основная количественная технико-экономическая характеристика процесса электрохимической обработки заготовок, характеризующая массу растворённого на аноде или осаждённого на катоде вещества и определяемая в соответствии с законами Фарадея по формуле (3.10), прямо пропорциональна его атомной массе, силе тока, времени электролиза и обратно пропорциональна валентности вещества.
[1] Перечни электрохимических методов обработки групп ЭХРО и ЭХОО дополнены комбинированными методами обработки, при реализации которых основным из нескольких энергетических воздействий на заготовку является электролиз.
|
|
|
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 401; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!