ПӘндердің ОҚУ-Әдістемелік кешені

Семей

2 Дәріс оқулар

3 Практикалық және зертханалық сабақтар

4 Курс жұмысы және диплом жобасы (жұмысы)

5 Студенттің өзіндік жұмысы

1 ГЛОССАРИЙРАР

Ескерту-«Глоссарий» бөлімі қажет жағдайда жасалады (міндетті емес)

1. Электрохимиялық процестердің жалпы сипаттамасы. Классификациясы.

2. Түсті және сиерк кездесетін металдар өндірісіндегі гидроэлектрометаллур-гияның маңыздылығы.
Электрохимия- энергияның бірі-біріне айналуы жйында ғылым. Тотығу-тотықсыздану химиялық реакцияның электрлік энергияға, және электрлік энергияның тотығу-тотықсыздану реакцияларының химиялық энергиясына.

Электрохимиялық процестерінің жіктелуі:

Химиялық ток көзі.

а) Батареялар (алғашқы ток көзі)

б) Аккумуляторлар (екінші қайтара (жаңармалы) ток көзі

в) Жағармайлық элементтер

Электролизі

а) Электртұндыру

б) Өттігі мен сутегін алу

в) Ерітінділерден таза металдарды алу

г) Электрохимиялық өлшемі біркелкі өңдеу

д) Балқымыалардан таза металдарды алу

е) Электроанализі

Басқа да қолдануы

а) Коррозия және одан қорғау әдістері

б) Биоэлектрохимия

в) Қоршаған ортаны электрохимиялық әдістер арқылы қорғау

г) Электрохимиялық мәлімет көрсеткіштері (хемотроника)

Электрохимия дамуына өзідерінің көрнекті үлестерін қосқан М. Фарадей (электролиз заңдары), Г. Деви (электролиз арқылы металдық калиді алу), С. Аррениус (электролитикалық диссоциалану теориясы) және т.б.

Электролитикалық рафинирлеу пирометаллургиялық ластанған металлды анодты еріту және осы электролизерда оның катодты таза түрінде тұнуын қарастырады. (рис. 1). Осы кезде тауарлық өнім ретінде металлды пирометаллургиялық өңдеудің (металлдардың тазалығы төмен), сонымен қатар электролитикалық рафинирлеу (таза металл) нәтижесінде алады.

Сулы ерітінділерден рафинирлеу мен электроэкстракциялауды қатты және сұйық электродтар – сынап және оның балқымаларын (амальгамды металлургия) қолданым жасайды. Екі процестіңде заңдылықтары өзара жақын, бірақ іс-жүзінде біріншісі кеңінен қолданылады.

Асыл металдар жер қыртысында аз мөлшерде болады және алуы қийындыққа түседі, сонымен қоса коррозия қарсы төзімділігі оте жоғары болғандықтан көптен бері құнның дүниежүзілік эквиваленті болып табылады. Соңғы кезде осы металдар техникада оте маңызды және кеңінен қолданылатын болды.

Асыл металдар таза түрінде (әсіресе алтын мен платина) және әртүрлі минералдарда кездеседі. Ең кенінен таралған күмістің минералы болып қорғасын, мырыш және мыс кендерінде болатын аргентит Ag₂S табылады.

КҮМІС. Өзінің электрохимиялық қасиеттері бойынша күміс разрядтанудың ток кернеуінің күші артуы және металл ионизациялануы оте төмен металдарға жатады. Бақыланатын қоспа болып мыс табылады, мүмкін болатын құрамы 30 – 40 г/л. Осы мөлшерден жоғары болатын кезде электролиттің тең жартысын алып жаңасымен ауыстырады: қалдық ерітіндіден күмісті мыспен цементациялау арқылы алады.

АЛТЫН. Күміске қарағанда алтын бір және үшвалентті тұрақты қосылыстар түзеді. Ұшвалентті қосылыстардың тұрақтылығы күштірек. Стандартты потенциалдарының мәндері жуық болып келеді: = +1,50 В, = +1,58 В, сондықтан қарапайым еретінділерден алтынның электро-химиялық еруі мен тұнбаға түсуі кезінде екі ионның да тотығуы мен тотықсыздануы жүреді

[AuCl₃O]^- ион анодты процеске қатысады:

⁰, В ⁰, В

Катодты поляризациялану мерзімінде күміс AgCl қабыршағынан металға дейін жартылай тотықсызданады. Қабыршақтың бөлімі электродтың заряд белгісі және беттік тартылысы өзгеру нәтижесінде жұлынады. Осының әсеріне анод активтенеді және оның еруі нормаға сай жүреді.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Принципиальные схемы переработки руд?

2. Электрохимическим свойствам серебро?

3. Электрохимическим свойствам золота?

Ұсынылған әдебиеттер:

Негізгі әдебиеттер:

1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520

2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423

3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: ВШ 1989, с. 360

4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М: Металлургия, 1977, с. 361

Қосымша әдебиеттер

1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории

и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988

2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим

процессам. – М: Металлургия, 1977

3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических

материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232
Дәріс 2. «Сулы ерітінділер электролизі»

Дәріс сабақтың мазмұны:

1. Анодты және катодты материалдарды таңдау. Анодты және катодты процестер.

2. Анодттар мен катодтарға қойылған талаптар.

3. Электродтардағы кернеу. Ерітінділер құрамы. Электрөткізгіштік.

Электродты материалдар. Электрод материалдарына талаптар қойылады – сутегі мен оттегі бөлінуінде ток кернеуінің күші артуы осылар үшін мүмкіндігінше аз болу керек. Электрод материалдарын таңдағанда өнімсіз электродтардың поляризациясына электроэнергияның шығымы төмен болу қажеттілікті сұрайды. 7.1 суретінде көріп тұрғанымыздай ең жақсы катодты материал ретінде платинденген платина болып табылады, бірақ бағасы оте жоғары болғандықтан және кеуекті (губчатый) қабатының тұрақсыздығына байланысты электродты материал ретінде қолдануға болмайды.


Рис.7.1 Поляризационные кривые выделения водорода на некоторых металлах из раствора NaОН (16 вес.%):  при 25С; - - - при 80С.
Темір тобының металдары сілтілік ерітінділерде тұрақты, ток кернеуінің күші артуы жоғары емес және катод материалы ретінде қолдануға келеді. Темірде және кобальтта ток кернеуінің күші артуы никельге қарағанда бірнеше он дананың милливольтына кем. Басқа металдар (Ti, Pb) сутегінің ток кернеуінің күші артуы жоғары мәндермен сипатталадыжәне іс жүзінде қолданбайды.



Рис.7.2 Поляризационные кривые выделения кислорода на некоторых металлах из раствора NaОН (16 вес.%) (Ni(S) – содержащее серу никелевое покрытие): при 25°С;- - - при 80°С
Ерітінді құрамы. Электролит құрамы мен концентрациясы, және ваннаның конструкциясы мен қанау тәртібін (режимы ее эксплуатации) таңдау электролизердың мақсатына және электролиттерде және контакті орындарында ток күшін жоғалтып өнімсіз электроэнергияның шығуын максимальды төмендетумен байланысты. Су электролизі үшін электролит ретінде KOH және NaOH ерітінділерін қолданады. Болат коррозияға ұшырауын төмендету үшін электролитке 2 – 3 г/л К₂Сr₂О₇ енгізеді. Электролизерге жарамды болып табылатын құрамында 10 мг/л -нан көп емес хлоридтер және 3 мг/л -ге жуық темір бар, судың электрлік өткізгіштігі 10^-3 См∙м^-1 жоғары болмауы керек. Бірақ электролизер электр тоғын пайдалану үшін таза су қолдану керек, өткізгіштігі 10^-4 См∙м^-1, құрамында 1мг/л -нан жоғары емес темір, 2 мг/л хлоридтер және 3 мг/л құрғақ қолдықтар бар.

Сілтілік тұманнан газдарды тазартуды шыны мақтамен толтырылған саптамасы бар фильтрлерде жүргізеді. Сутегіні оттегі қоспасынан t⁰ ≈ 100 - 130 С никель-алюминии және никель-хромды катализаторлары бар түйіскен аппараттарда жүргізеді.

где I – электролизердағы жұмысшы ток, А.

Сутегі (оттегі) жұмысшы токтың тығыздығында кернеуінің күшінің артуын Тафель теңдеуі η = а + blgi бойынша анықтауға болады, мұнда а және b электрод материалына және электролит ерітіндісіне сәйкес справочный мәндері.

Конструкции электролизеров. Все современные конструкции электролизеров относятся к фильтр-прессному типу с биполярным включением электродов. Схема фильтрпрес­сного биполярного электролизера для получения водорода и кислорода представлена на рис. 7.5


Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Что является наилучшим катодным материалом?

2. Для выбора оптимальной концентрации щелочи что необходимо знать?

3. Каковы показатели процесса электролиза?

Ұсынылған әдебиеттер:

Негізгі әдебиеттер:

1 Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520

2 Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423

3 Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая школа 1989, с. 360

Қосымша әдебиеттер

1. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим

процессам. – М: Металлургия, 1977

2. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических

материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232

3. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с
Дәріс 3. «Ток бойынша шығым»
Дәріс сабақтың мазмұны:

1. Ерітінділер циркуляциясы жүйесіндегі ток шығымы.

2. Электролиз процесіндегі металдар шығымы. Шыламның түзілуі және оны қайта өңдеу.

3. Ауыр суды алу.

ТШ = т_тәж/ т_т 100%,

ТШ шамасы электролиз процесі қаншалықты дұрыс және мақсатына сәйкес ұйымдастырығанын көрсетеді.

Ток бойынша шығымды мына теңдемен де анықтауға болады

ВТ = Q_т/Q_тәж 100%,

Жалпы жағдайда ТШ = 100%.

Ток бойынша шығымды катодты (ТШ_к) және анодты (ТШ_а) деп ажыратады, ойткені олар өзара тең емес болғандықтан.

Ток бойынша шығым электрохимиялық реакцияға жұмсалған заряд үлесі болып табылады. Өлшем бірлігі процентпен немесе берлік үлесі.

ТШ -ң мәні 100% тен жоғары да, төмен де болуы мүмкін. Егер электродта бірнеше электрохимиялық реакция жүретін болса және зерттелетін реакцияға тек зарядтың бөлігі қана жұмсалса, төмен болуы байқалады.

ТШ 100% -тен жоғары болады, егер:

1) Фарадей заңы бойынша есептелген шама жүріп жатқан реакцияға қарағанда n (өкізілген электрон саны) санының үлкен мағынасында алынса;

2) Электрод бетінде электрохимиялық реакциямен қатар, ток күшін талап етпейтін химиялық реакция жүретін болса;

3) Анодты еру кезінде материал жартылай механикалық жолмен жоғалса (дезинтеграция – металдың механикалық бұзылуы);

Электроэнергияның шығымы өнімнің бірлігіне теңдеу арқылы анықталады:

Жалпы айтқанда ток шығымы электролдизерда қаншалықты ячейка саны көп болса, соншалықты ол жоғары болады және сутегі бойынша ток шығымына әсерін тигізеді, оны бөлек ячейкаларда 3 – 8 % азайтып.

Рис. 26.1. Схема путей утечки тока в системе катодных ячеек биполярного электроли­зера: 1—магистраль подвода питающего электролита со штуцерами; 2—магистраль отвода газожидкостной эмульсии со штуцерами; А – анодная ячейка; К—катодная ячейка

Ток шығымына әсерін тигізетін технологиялық және конструктивті факторлардың ішінде циркуляциялық каналдардың және газсұйық эмульсияны алып кететін канал-коллекторлардың ішкі қимасы және де әсіресе штуцерлер қимасы маңызды болып табылады.

Электрохимиялық қасиеттері бойынша сутегі изотоптары біршама айырмашылығы болады.

Электрохимиялық әдіс ауыр судың концентрленгеніне негізделген. Электролиз процес барысында жеңіл (протия) және ауыр (дейтерия) сутек изотоптарының потенциалдарының әртірлі болу салдарынан жүреді.

Өнеркәсіпте энергетикалық шығым жоғары болу салдарынан электрохимиялық ауыр суды мерзімді әдіспен алу қолданбайды.

Өнеркәсіпте электролизер каскадында су электролизіне негізделген үздіксіз әдістерді қолданады.

Көп сатылы байытуды электролиз сатысымен және каталитикалық изотоппен айырбастыру оған қоса фазалық изотоппен айырбастыруды қиыстырып 1 г D₂О -ға 100 кг жуық судың және 60 – 100 кВт∙ч электроэнергия шығымымен практикалық таза ауыр су (D₂О 99,7% аз емес) алуға болады.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Величина ВТ что показывает?

2. Схема, поясняющая причины возникновения утечки тока?

3. Применение тяжелой воды?

Ұсынылған әдебиеттер:

Негізгі әдебиеттер:

1. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П. М: Химия 1984, с. 520

2. Прикладная электрохимия /Под ред. Ротиняна А.Л. Л: Химия 1974, с. 423

3. Вырапаев В.Н., Никольский В.А. Химические источники тока – М: Высшая школа 1989, с. 360

4. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М: Металлургия, 1977, с. 361

Қосымша әдебиеттер

1. Методические указания к лабораторному практикумуму по теории

и технологии электротермических производств. Часть 2. – Ш.: 1988

2. Емлин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрохимическим

процессам. – М: Металлургия, 1977

3. Порада А.Н., Гасик М.И. Электротермия неорганических

материалов. – М.: Металлургия, 1990, с. 232

4. Зарецкий С.А. и другие. Электрохимическая технология неорганических веществ и ХИТ – М., ВШ 1980, 423с

5. Н.Г. Бахчисарайцев и другие. Практикум по прикладной электрохимии. Л., Химия, 1990 – 304с

6. А.М. Ямпольский. Электролитическое осаждение редких и благородных металлов. Л., Машинолстроение, 1977, 96с

7. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат. 1981.

8. Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М. Металлургия. 1979.

9. Полак Л.С. Теоретическая и прикладная плазмохимия. М., Наука, 1975, 305с
Дәріс 5. «Химиялық ток көзі (ХТК)»
Дәріс сабақтың мазмұны:
1. ХТК классификациясы және сипаттамасы. ХТК жалпы және ерекшкеленетін қасиеттері, олардың классификациясы.

2. ХТК негізгі сипаттамасы.

Химиялық ток көзі деп, олардың ішінде кеңістікте бөлінген тотығу-тотықсыздану реакциялар химиялық энергиядан электрлік энергияға айналып жататын қондырғыларды айтады. Электрлік энергия, активті заттардың, ХТК жасаған кезінде электродтарда жиналған қанда да бір запасы, айналуларының арқасында ХТК электродтарын сыртқы кедергіге (жүк) тұйықтаған кезде пайда болады.

ХТК жұмыс жасау бойынша бөледі:

1) бірінші реттік ток көзі, олардаға активті заттар бір рет қолданады;

2) екінші реттік ток көзі, немесе аккумуляторлар, олардағы разряд кезінде жұмсалған активті заттар үздіксіз сыртқы ток көзі арқылы зарядталып қалпына келтіруге болады;

3) жағармайлық элементтер, немесе электрохимиялық генераторлар, олар үздіксіз жұмыс жасау үшін ХТК электродтарына қажетті заттармен қамтамасыздандыру керек.

Барлық электрохимиялық жүйе сияқты, осы ток көзінің электродтарында жүретін реакцияларының тепе-тең потенциалдарының айырмашылығымен анықталатын ХТК электр қозғаушы күшпен (ЭҚК) сипатталады.