इलेक्ट्रोलिसिस क्या है और इसका उपयोग कहाँ किया जाता है?

इलेक्ट्रोलिसिस को स्कूल भौतिकी पाठ्यक्रम में क्या माना जाता है, और ज्यादातर लोगों के लिए यह कोई रहस्य नहीं है। एक और बात इसका महत्व और व्यावहारिक अनुप्रयोग है। इस प्रक्रिया का उपयोग विभिन्न उद्योगों में बड़े लाभ के साथ किया जाता है और यह घरेलू शिल्पकार के लिए उपयोगी हो सकता है।

इलेक्ट्रोलिसिस क्या है?

इलेक्ट्रोलिसिस इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट की प्रणाली में विशिष्ट प्रक्रियाओं का एक जटिल है जब एक प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह इसके माध्यम से बहता है। इसका तंत्र एक आयनिक धारा की घटना पर आधारित है। इलेक्ट्रोलाइट एक टाइप 2 कंडक्टर है (आयनिक चालकता) जिसमें इलेक्ट्रोलाइटिक पृथक्करण होता है। यह सकारात्मक के साथ आयनों में अपघटन के साथ जुड़ा हुआ है (कटियन) और नकारात्मक (ऋणायन) शुल्क।

इलेक्ट्रोलिसिस प्रणाली में आवश्यक रूप से एक सकारात्मक (एनोड) और नकारात्मक (कैथोड) इलेक्ट्रोड। जब एक प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह लागू किया जाता है, तो धनायन कैथोड की ओर बढ़ने लगते हैं, और आयन - एनोड की ओर। धनायन मुख्य रूप से धातु आयन और हाइड्रोजन हैं, और आयन ऑक्सीजन, क्लोरीन हैं। कैथोड पर, धनायन अपने आप में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को जोड़ते हैं, जो कमी प्रतिक्रिया की घटना को सुनिश्चित करता है Men+ + ne → Me (जहाँ n धातु की संयोजकता है) एनोड पर, इसके विपरीत, आयनों से एक ऑक्सीडेटिव प्रतिक्रिया के साथ एक इलेक्ट्रॉन दान किया जाता है।

इस प्रकार, सिस्टम में एक रेडॉक्स प्रक्रिया प्रदान की जाती है। यह विचार करना महत्वपूर्ण है कि इसके प्रवाह के लिए उपयुक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह एक बाहरी वर्तमान स्रोत द्वारा प्रदान किया जाना चाहिए।

फैराडे के इलेक्ट्रोलिसिस के नियम

महान भौतिक विज्ञानी एम. फैराडे ने अपने शोध से न केवल इलेक्ट्रोलिसिस की प्रकृति को समझना संभव बनाया, बल्कि इसके कार्यान्वयन के लिए आवश्यक गणना भी की। 1832 में, उनके कानून चल रहे प्रक्रियाओं के मुख्य मापदंडों को जोड़ते हुए दिखाई दिए।

पहला कानून

फैराडे के पहले नियम में कहा गया है कि एनोड पर कम किए जा रहे पदार्थ का द्रव्यमान इलेक्ट्रोलाइट में प्रेरित विद्युत आवेश के सीधे समानुपाती होता है: m = kq = k*I*t, जहाँ q आवेश है, k गुणांक या विद्युत रासायनिक समतुल्य है पदार्थ का, I इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से बहने वाली धारा की ताकत है, t वर्तमान पारित होने का समय है।

दूसरा कानून

फैराडे के दूसरे नियम ने आनुपातिकता k के गुणांक को निर्धारित करना संभव बना दिया। यह इस तरह लगता है: किसी भी पदार्थ का विद्युत रासायनिक समतुल्य उसके दाढ़ द्रव्यमान के समानुपाती होता है और संयोजकता के व्युत्क्रमानुपाती होता है। कानून के रूप में व्यक्त किया गया है:

के = 1/एफ*ए/जेडजहाँ F फैराडे स्थिरांक है, A पदार्थ का मोलर द्रव्यमान है, z इसकी रासायनिक संयोजकता है।

दोनों कानूनों को ध्यान में रखते हुए, पदार्थ के इलेक्ट्रोड पर जमा द्रव्यमान की गणना के लिए अंतिम सूत्र प्राप्त करना संभव है: एम = ए * आई * टी / (एन * एफ), जहां n इलेक्ट्रोलिसिस में शामिल इलेक्ट्रॉनों की संख्या है। आमतौर पर n आयन के आवेश से मेल खाता है। व्यावहारिक दृष्टिकोण से, किसी पदार्थ के द्रव्यमान और लागू धारा के बीच संबंध महत्वपूर्ण है, जो इसकी ताकत को बदलकर प्रक्रिया को नियंत्रित करना संभव बनाता है।

इलेक्ट्रोलिसिस पिघलाएं

इलेक्ट्रोलिसिस के विकल्पों में से एक इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पिघल का उपयोग है। इस मामले में, केवल पिघले हुए आयन इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया में भाग लेते हैं। एक उत्कृष्ट उदाहरण पिघला हुआ नमक NaCl का इलेक्ट्रोलिसिस है (नमक) ऋणात्मक आयन एनोड की ओर भागते हैं, जिसका अर्थ है कि गैस निकलती है (क्लोरीन) कैथोड पर धातु की कमी होगी, अर्थात। अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करने वाले धनात्मक आयनों से बनने वाले शुद्ध Na का निक्षेपण। अन्य धातुओं को इसी तरह प्राप्त किया जा सकता है (के, सीए, ली, आदि।) संबंधित लवणों के नरसंहार से।

एक पिघल में इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान, इलेक्ट्रोड विघटन से नहीं गुजरते हैं, लेकिन केवल एक वर्तमान स्रोत के रूप में भाग लेते हैं। उनके निर्माण में, आप धातु, ग्रेफाइट, कुछ अर्धचालक का उपयोग कर सकते हैं। यह महत्वपूर्ण है कि सामग्री में पर्याप्त चालकता हो। सबसे आम सामग्रियों में से एक तांबा है।

समाधान में इलेक्ट्रोलिसिस की विशेषताएं

एक जलीय घोल में इलेक्ट्रोलिसिस एक पिघल से काफी भिन्न होता है। यहां तीन प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाएं होती हैं: ऑक्सीजन के विकास के साथ पानी का ऑक्सीकरण, आयनों का ऑक्सीकरण, और धातु का एनोडिक विघटन। पानी, इलेक्ट्रोलाइट और एनोड के आयन इस प्रक्रिया में शामिल होते हैं।तदनुसार, कैथोड पर हाइड्रोजन, इलेक्ट्रोलाइट केशन और एनोड धातु की कमी हो सकती है।

इन प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाओं के होने की संभावना सिस्टम की विद्युत क्षमता के परिमाण पर निर्भर करती है। केवल वही प्रक्रिया आगे बढ़ेगी जिसमें कम बाहरी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। नतीजतन, कैथोड पर अधिकतम इलेक्ट्रोड क्षमता वाले धनायन कम हो जाएंगे, और सबसे कम क्षमता वाले आयनों को एनोड पर ऑक्सीकृत किया जाएगा। हाइड्रोजन का इलेक्ट्रोड विभव "0" के रूप में लिया जाता है। उदाहरण के लिए, पोटेशियम के लिए यह है (-2.93V), सोडियम - (-2.71वी), प्रमुख (-0.13V), जबकि चांदी है (+0.8 वी).

गैसों में इलेक्ट्रोलिसिस

गैस केवल आयोनाइजर की उपस्थिति में ही इलेक्ट्रोलाइट की भूमिका निभा सकती है। इस मामले में, आयनित माध्यम से गुजरने वाली धारा इलेक्ट्रोड पर आवश्यक प्रक्रिया का कारण बनती है। हालांकि, फैराडे के नियम गैस इलेक्ट्रोलिसिस पर लागू नहीं होते हैं। इसके कार्यान्वयन के लिए निम्नलिखित शर्तें आवश्यक हैं:

1. गैस के कृत्रिम आयनीकरण के बिना, न तो उच्च वोल्टेज और न ही उच्च धारा मदद करेगी।
2. केवल अम्ल जिनमें ऑक्सीजन नहीं होती है और वे गैसीय अवस्था में होते हैं, और कुछ गैसें इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उपयुक्त होती हैं।

महत्वपूर्ण! जब आवश्यक शर्तें पूरी हो जाती हैं, तो प्रक्रिया एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में इलेक्ट्रोलिसिस के समान होती है।

कैथोड और एनोड पर होने वाली प्रक्रियाओं की विशेषताएं

इलेक्ट्रोलिसिस के व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए, यह समझना महत्वपूर्ण है कि विद्युत प्रवाह लागू होने पर दोनों इलेक्ट्रोड पर क्या होता है। विशिष्ट प्रक्रियाएं हैं:

1. कैथोड। सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन इसमें भागते हैं। यहां धातुओं का अपचयन या हाइड्रोजन का विकास होता है। धनायनित गतिविधि के अनुसार धातुओं की कई श्रेणियां हैं।Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al जैसी धातुएँ केवल गलित लवणों से ही अपचित होती हैं। यदि किसी विलयन का उपयोग किया जाता है, तो जल के विद्युत अपघटन के कारण हाइड्रोजन मुक्त होता है। निम्नलिखित धातुओं - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb के लिए समाधान में कमी प्राप्त करना संभव है, लेकिन पर्याप्त मात्रा में धनायनों के साथ। Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg के लिए प्रक्रिया सबसे आसानी से आगे बढ़ती है।
2. एनोड। ऋणात्मक रूप से आवेशित आयन इस इलेक्ट्रोड में प्रवेश करते हैं। ऑक्सीकृत होकर, वे धातु से इलेक्ट्रॉन लेते हैं, जिससे उनका एनोडिक विघटन होता है, अर्थात। सकारात्मक रूप से आवेशित आयनों में संक्रमण, जो कैथोड को भेजे जाते हैं। आयनों को भी उनकी गतिविधि के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। इस तरह के आयनों PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F को केवल पिघलने से ही छोड़ा जा सकता है। जलीय घोलों में, यह वे नहीं हैं जो इलेक्ट्रोलिसिस से गुजरते हैं, लेकिन ऑक्सीजन की रिहाई के साथ पानी। OH, Cl, I, S, Br जैसे आयन सबसे आसानी से प्रतिक्रिया करते हैं।

इलेक्ट्रोलिसिस सुनिश्चित करते समय, इलेक्ट्रोड सामग्री के ऑक्सीकरण की प्रवृत्ति को ध्यान में रखना महत्वपूर्ण है। इस संबंध में, निष्क्रिय और सक्रिय एनोड बाहर खड़े हैं। निष्क्रिय इलेक्ट्रोड ग्रेफाइट, कार्बन या प्लैटिनम से बने होते हैं और आयनों की आपूर्ति में भाग नहीं लेते हैं।

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले कारक

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करती है:

1. इलेक्ट्रोलाइट संरचना. विभिन्न अशुद्धियों का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। वे 3 प्रकारों में विभाजित हैं - धनायन, ऋणायन और कार्बनिक। पदार्थ आधार धातु की तुलना में कम या ज्यादा नकारात्मक हो सकते हैं, जो प्रक्रिया में हस्तक्षेप करते हैं। कार्बनिक अशुद्धियों में, प्रदूषक (जैसे तेल) और सर्फेक्टेंट बाहर खड़े हैं। उनकी एकाग्रता में अधिकतम अनुमेय मूल्य हैं।
2. वर्तमान घनत्व. फैराडे के नियमों के अनुसार, जमा पदार्थ का द्रव्यमान बढ़ती वर्तमान ताकत के साथ बढ़ता है। हालांकि, प्रतिकूल परिस्थितियां उत्पन्न होती हैं - केंद्रित ध्रुवीकरण, बढ़ा हुआ वोल्टेज, इलेक्ट्रोलाइट का तीव्र ताप। इसे ध्यान में रखते हुए, प्रत्येक विशिष्ट मामले के लिए इष्टतम वर्तमान घनत्व मान हैं।
3. इलेक्ट्रोलाइट पीएच. धातुओं को ध्यान में रखते हुए पर्यावरण की अम्लता का भी चयन किया जाता है। उदाहरण के लिए, जिंक के लिए इलेक्ट्रोलाइट अम्लता का इष्टतम मूल्य 140 g/cu.dm है।
4. इलेक्ट्रोलाइट तापमान. इसका अस्पष्ट प्रभाव है। तापमान में वृद्धि के साथ, इलेक्ट्रोलिसिस की दर बढ़ जाती है, लेकिन अशुद्धियों की गतिविधि भी बढ़ जाती है। प्रत्येक प्रक्रिया के लिए एक इष्टतम तापमान होता है। आमतौर पर यह 38-45 डिग्री के दायरे में होता है।

महत्वपूर्ण! इलेक्ट्रोलिसिस को विभिन्न प्रभावों और इलेक्ट्रोलाइट संरचना की पसंद से तेज या धीमा किया जा सकता है। प्रत्येक एप्लिकेशन का अपना नियम होता है, जिसे सख्ती से देखा जाना चाहिए।

इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग कहाँ किया जाता है?

इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग कई क्षेत्रों में किया जाता है। व्यावहारिक परिणाम प्राप्त करने के लिए उपयोग के कई मुख्य क्षेत्र हैं।

विद्युत

इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा धातु की पतली, टिकाऊ चढ़ाना लागू किया जा सकता है। लेपित होने वाले उत्पाद को कैथोड के रूप में स्नान में स्थापित किया जाता है, और इलेक्ट्रोलाइट में वांछित धातु का नमक होता है। तो आप स्टील को जिंक, क्रोमियम या टिन से ढक सकते हैं।

इलेक्ट्रोरिफाइनिंग - कॉपर रिफाइनिंग

विद्युत सफाई का एक उदाहरण निम्नलिखित विकल्प हो सकता है: कैथोड - शुद्ध तांबा एनोड - अशुद्धियों के साथ तांबा, इलेक्ट्रोलाइट - कॉपर सल्फेट का जलीय घोल। एनोड से कॉपर आयनों में गुजरता है और कैथोड में पहले से ही बिना अशुद्धियों के बस जाता है।

धातु खनन

लवणों से धातुओं को प्राप्त करने के लिए, उन्हें पिघल में स्थानांतरित किया जाता है, और फिर इसमें इलेक्ट्रोलिसिस प्रदान किया जाता है। बॉक्साइट, सोडियम और पोटेशियम से एल्यूमीनियम प्राप्त करने के लिए ऐसी विधि काफी प्रभावी है।

एनोडाइजिंग

इस प्रक्रिया में, कोटिंग गैर-धातु यौगिकों से बनाई जाती है। एक उत्कृष्ट उदाहरण एल्यूमीनियम एनोडाइजिंग है। एल्यूमीनियम भाग को एनोड के रूप में स्थापित किया गया है। इलेक्ट्रोलाइट सल्फ्यूरिक एसिड का एक समाधान है। इलेक्ट्रोलिसिस के परिणामस्वरूप, एनोड पर एल्यूमीनियम ऑक्साइड की एक परत जमा होती है, जिसमें सुरक्षात्मक और सजावटी गुण होते हैं। इन तकनीकों का व्यापक रूप से विभिन्न उद्योगों में उपयोग किया जाता है। आप सुरक्षा नियमों के अनुपालन में प्रक्रियाओं को अपने हाथों से अंजाम दे सकते हैं।

ऊर्जा लागत

इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उच्च ऊर्जा लागत की आवश्यकता होती है। यदि एनोड करंट पर्याप्त है तो प्रक्रिया व्यावहारिक मूल्य की होगी, और इसके लिए शक्ति स्रोत से एक महत्वपूर्ण प्रत्यक्ष धारा लागू करना आवश्यक है। इसके अलावा, जब इसे किया जाता है, तो साइड वोल्टेज का नुकसान होता है - एनोड और कैथोड ओवरवॉल्टेज, इसके प्रतिरोध के कारण इलेक्ट्रोलाइट में नुकसान। स्थापना की दक्षता ऊर्जा की खपत की शक्ति को प्राप्त पदार्थ के उपयोगी द्रव्यमान की एक इकाई से संबंधित करके निर्धारित की जाती है।

इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग उद्योग में लंबे समय से और उच्च दक्षता के साथ किया जाता रहा है। एनोडाइज्ड और इलेक्ट्रोप्लेटेड कोटिंग्स रोजमर्रा की जिंदगी में आम हो गई हैं, और सामग्रियों का खनन और लाभकारी अयस्क से कई धातुओं को निकालने में मदद करता है। इसके मुख्य पैटर्न को जानकर प्रक्रिया की योजना और गणना की जा सकती है।

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