Электролитическое получение кальция и его сплавов. Получение. Кальций получают путем электролиза его расплавленного хлорида Катодный процесс - кинетика образования газаообраз-ного водорода при электролизе раствора хлорида кальция
Выберите правильный вариант.
91. Из смеси катионов: Ag + , Cu 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ в первую очередь восстановятся катионы:
92. Для покрытия металла никелем электролиз ведут, используя:
93. При электролизе раствора хлорида натрия среда раствора у катода:
нейтральная
щелочная
94. Кальций можно получить из хлорида кальция путем:
1) электролиза раствора
2) электролиза расплава
3) восстановлением водорода
4) термического разложения.
95. При электролизе раствора хлорида меди (анод медный) на аноде окислится:
2) кислород
3) водород
96. При электролизе раствора карбоната натрия с графитовыми электродами на аноде происходит:
1) выделение СО 2
2) выделение кислорода
3) выделение водорода
4) осаждение натрия.
Часть В
Дайте полное решение заданий.
1. Составьте электронную формулу атомов железа, графически укажите валентные электроны в нормальном и возбужденном состояниях. Какие степени окисления может проявлять атом железа? Приведите примеры оксидов и гидроксидов железа в соответствующих степенях окисления, укажите их характер.
кДж/моль г г г ж (-285,84)
теплота образования аммиака (Н 0 обр.(NH 3 )) равна:
92,15 кДж/моль;
92,15 кДж/моль;
46,76 кДж/моль;
46,76 кДж/моль.
4. Реакция восстановления оксида меди (II) алюминием возможна
G 0 обр . 3CuO + 2Al = Al 2 O 3 + 3Cu
кДж/моль -129,8 -1582
свободная энергия Гиббса (G х.р.) равна:
5. При взаимодействии 1 моль ортофосфорной кислоты с 1 моль гидроксидом натрия образуется:
1) ортофосфат натрия 3) дигидроортофосфат натрия
2) гидроортофосфат натрия 4) фосфат натрия
Составьте молекулярно-ионные уравнения реакций. Сумма всех коэффициентов в кратком ионном уравнении равна…
6. Метилоранж становится желтым при растворении в воде каждой из двух солей:
1) K 2 S и K 3 PO 4 3) LiCl и FeSO 4
2) KNO 3 и K 3 PO 4 4) CH 3 COOK и K 2 SO 4
Составьте молекулярно-ионные уравнения реакций гидролиза.
7. При взаимодействии водных растворов солей сульфата алюминия и карбоната натрия, сумма коэффициентов в кратком ионном уравнении равна:
1) 10 2) 12 3) 13 4) 9
Кислая среда образуется при растворении в воде каждой из двух солей:
1) BaCl 2 и AlCl 3 3) CuCl 2 и LiCl
2) K 2 S и K 3 PO 4 4) NH 4 NO 3 и Zn(NO 3) 2
Составьте молекулярно-ионные уравнения гидролиза, выведите константу гидролиза по первой ступени.
В уравнение реакции схема которой:
FeSO 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4) 3 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
Сумма коэффициентов перед формулами исходных веществ равна:
Дайте полное решение задания (используйте ионно-электронный метод).
Установите правильную последовательность действий при определении типа гибридизации Ц.А. в частице:
Установите соответствие:
Тип гибридизации Ц.А. Частица
1) sp 2 a) Н 2 О
2) sp 3 б) ВН 3
3) sp 3 d в) SCl 6
4) sp 3 d 2 г) CO
Рассмотрите по алгоритму те частицы, в которых Ц.А. в sp 3 и sp 3 d гибридизации.
В Г . Э .: Ag | AgNO 3 | | Fe(NO 3 ) 2 | Fe
Рассчитайте ЭДС при н.у.
Дайте полное решение заданий
3. Получение. Кальций получают путем электролиза его расплавленного хлорида.
4. Физические свойства. Кальций – металл серебристо-белого цвета, очень легкий (ρ = 1,55 г./см 3), как и щелочные металлы, но несравненно тверже их и имеет гораздо более высокую температуру плавления, равную 851 0 С.
5. Химические свойства. Подобно щелочным металлам кальций является сильным восстановителем, что схематически можно изобразить так:
Соединения кальция окрашивают пламя в кирпично-красный цвет. Как и щелочные металлы, металлический кальций обычно хранят под слоем керосина.
6. Применение. Благодаря большой химической активности металлический кальций применяют для восстановления некоторых тугоплавких металлов (титан, цирконий и др.) из их оксидов. Кальций используют также в производстве стали и чугуна, для очистки последних от кислорода, серы и фосфора, для получения некоторых сплавов, в частности, свинцово-кальциевых, необходимых для изготовления подшипников.
7. Важнейшие соединения кальция, получаемые в промышленности.
Оксид кальция получают в промышленности обжигом известняка:
CaCO 3 → CaO + CO 2
Оксид кальция – тугоплавкое вещество белого цвета (плавится при температуре 2570 0 С), обладает химическими свойствами, присущими основным оксидам активных металлов (I, табл. II, с. 88) .
Реакция оксида кальция с водой протекает с выделением большого количества теплоты:
CaO + H 2 O ═ Ca (OH) 2 + Q
Оксид кальция является основной составной частью негашеной извести, а гидроксид кальция – гашеной извести.
Реакция оксида кальция с водой называется гашением извести.
Оксид кальция применяется в основном для получения гашеной извести.
Гидроксид кальция Ca(OH) 2 имеет большое практическое значение. Он применяется в виде гашеной извести, известкового молока и известковой воды.
Гашенная известь – тонкий рыхлый порошок, обычно серого цвета (составная часть гидроксида кальция), немного растворим в воде (1,56 г. растворяется в 1 л воды при 20 0 С). Тестообразную смесь гашенной извести с цементом, водой и песком применяют в строительстве. Постепенно смесь твердеет:
Ca (OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O
Известковое молоко – взвесь (суспензия), похожая на молоко. Она образуется при смешивании избытка гашеной извести с водой. Применяют известковое молоко для получения хлорной извести, при производстве сахара, для приготовления смесей, необходимых в борьбе с болезнями растений, для побелки стволов деревьев.
Известковая вода – прозрачный раствор гидроксида кальция, получаемый при фильтровании известкового молока. Используют ее в лаборатории для обнаружения оксида углерода (IV):
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O
При длительном пропускании оксида углерода (IV) раствор становится прозрачным:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca(HCO 3) 2
Если полученный прозрачный раствор гидрокарбонатного кальция нагревают, то снова происходит помутнение:
Подобные процессы протекают также и в природе. Если вода содержит растворенный оксид углерода (IV) и действует на известняк, то некоторая часть карбоната кальция превращается в растворимый гидрокарбонат кальция. На поверхности раствор согревается, и из него вновь выпадает карбонат кальция.
* Большое практическое значение имеет хлорная известь. Она получается при реакции гашеной извести с хлором:
2 Ca(OH) 2 + 2 Cl 2 → Ca(ClO) 2 + CaCl 2 + 2H 2 O
Действующей составной частью хлорной извести является гипохлорит кальция. Гипохлориты подвергаются гидролизу. При этом выделяется хлорноватистая кислота. Хлорноватистую кислоту из ее соли может вытеснить даже угольная кислота:
Ca(ClO) 2 + CO 2 + H 2 O → CaCO 3 ↓+ 2 HClO
2 HClO → 2 HCl + O 2
Это свойство хлорной извести широко используют для отбеливания, дезинфекции и дегазации.
8. Гипс. Различают следующие виды гипса: природный – CaSO 4 ∙ 2H 2 O, жженый – (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O, безводный – CaSO 4 .
Жженый (полуводный) гипс, или алебастр, (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O получают при нагревании природного гипса до 150–180 0 С:
2 → (CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3H 2 O
Если смешать порошок алебастра с водой, то образуется полужидкая пластическая масса, которая быстро твердеет. Процесс затвердевания объясняется присоединением воды:
(CaSO 4) 2 ∙ H 2 O + 3H 2 O → 2
Свойство жженого гипса затвердевать используют на практике. Так, например, алебастр в смеси с известью, песком и водой применяют в качестве штукатурки. Из чистого алебастра изготавливают художественные изделия, а в медицине его используют для накладывания гипсовых повязок.
Если природный гипс CaSO 4 ∙ 2H 2 O нагревать при более высокой температуре, то выделяется вся вода:
CaSO 4 ∙ 2H 2 O → CaSO 4 + 2H 2 O
Образовавшийся безводный гипс CaSO 4 уже не способен присоединить воду, и поэтому его назвали мертвым гипсом.
Жесткость воды и способы ее устранения.
Всем известно, что в дождевой воде мыло хорошо пенится (мягкая вода), а в ключевой – обычно плохо (жесткая вода). Анализ жесткой воды показывает, что в ней содержатся значительные количества растворимых солей кальция и магния. Эти соли образуют с мылом нерастворимые соединения. Такая вода непригодна для охлаждения двигателей внутреннего сгорания и питания паровых котлов, так как при нагревании жесткой воды на стенках охладительных систем образуется накипь. Накипь плохо проводит теплоту; поэтому возможен перегрев моторов, паровых котлов, кроме того, ускоряется их изнашивание.
Какие бывают виды жесткости?
Карбонатная, или временная, жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. Ее можно устранить следующими способами:
1) кипячением:
Ca(HCO 3) 2 → CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2
Mg(HCO 3) 2 → MgCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2
2) действием известкового молока или соды:
Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O
Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + 2NaHCO 3
Ca 2+ + 2 HCO 3 - + 2 Na + + CO 3 2- → CaCO 3 ↓ + 2 Na + + 2HCO 3 -
Ca 2+ + CO 3 2- → CaCO 3 ↓
Некарбонатная, или постоянная, жесткость обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов кальция и магния.
Ее устраняют действием соды:
CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4
MgSO 4 + Na 2 CO 3 → MgCO 3 ↓ + Na 2 SO 4
Mg 2+ + SO 4 2- + 2Na + + CO 3 2- → MgCO 3 ↓ + 2Na + + SO 4 2-
Mg 2+ + CO 3 2- → MgCO 3 ↓
Карбонатная и некарбонатная жесткости в сумме составляют общую жесткость воды.
IV. Закрепление знаний (5 мин.)
1. На основе периодической системы и теории строения атомов поясните, какие свойства магния и кальция являются общими. Составьте уравнения соответствующих реакций.
2. Какие минералы содержат кальций и как их используют?
3. Расскажите, как отличить один природный минерал от другого.
V. Домашнее задание (3 мин.)
Ответьте на вопросы и выполните упражнения 1–15, § 48,49, решите упражнения 1–4, стр. 132–133 .
Именно таким образом выглядит план урока в школе по теме «Кальций и его соединения».
Исходя из вышеизложенного, очевидна необходимость наполнения школьного курса химии экологическим содержанием. Результаты проделанной работы будут изложены в третьей главе.
Разовая) – 0,01%. 4 Содержание Введение......................................................................................................................4 Глава 1. Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на примере углерода и его соединений.......................................................................5 1.1 Использование межпредметных связей для формирования у учащихся...
Деятельность. Поиск методов и форм обучения, способствующих воспитанию творческой личности, привел к появлению некоторых специфических способов обучения, одним из которых являются игровые методы. Реализация игровых методов обучения при изучении химии в условиях соблюдения дидактических и психолого-педагогических особенностей, повышает уровень подготовки учащихся. Слово «игра» в русском языке...
И гигиеническими требованиями); соответствие учебной и физической нагрузки возрастным возможностям ребенка; необходимый, достаточный и рационально организованный двигательный режим. Под здоровьесберегающей образовательной технологией (Петров) понимает систему, создающую максимально возможные условия для сохранения, укрепления и развития духовного, эмоционального, интеллектуального, ...
^ ГЛАВА 9. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА9.1 Теоретические основы промышленного электролиза
Технология электрохимических производств рассматривает процессы, в которых основные реакции проходят в обстановке непосредственного перехода электрической энергии в химическую, без промежуточного превращения энергии в тепло.
Для этого созданы особые технологические методы и аппаратура, основанные на теоретической электрохимии и отличающиеся от методов в других областях химической технологии. При электролизе нужные реакции могут быть проведены, как правило, с высокой степенью избирательности, что позволяет получить продукт с относительно небольшими примесями. Степень полезного использования электроэнергии при электролизе относительно велика.
Технологические процессы, которые могут быть проведены электрохимическими методами, в большинстве случаев могут быть также осуществлены и другими химическими способами.
Выбор технологии должен решаться на основе сравнительного техноэкономического анализа, который учитывает экономику производства, ресурсы необходимого сырья, сложность аппаратурного оформления и другие вопросы.
Техноэкономические преимущества электрохимических методов определяются тем, что с их помощью можно в относительно простых технологических схемах получить достаточно чистые продукты. Недостатки связаны с необходимостью расходовать дорогой вид энергии (энергию постоянного тока) и производить затраты на создание источников ее получения.
Электрохимические методы нашли применение для получения водорода и кислорода, хлора, гидроксида натрия и калия, кислородных соединений хлора, для электросинтеза неорганических веществ, а также и для синтеза органических веществ.
Используется электрохимический метод для получения гидроэлектрометаллургическим путем таких металлов, как медь, никель, цинк, кобальт, кадмий, марганец, хром, железо, серебро, золото и др., а также металлических порошков. Применяя электролиз расплавленных сред, можно получать алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные металлы (натрий, кальций), бериллий, редкие и редкоземельные металлы, а также элементарный фтор.
В гальванотехнике электрохимические методы используются для меднения, никелирования, хромирования и нанесения других покрытий, в машиностроении - для анодномеханической обработки изделий (сверление, резание, электрополировка, точная сложнопрофилированная обработка и др.).
На основе электрохимических процессов созданы химические источники тока, такие, как аккумуляторы и гальванические элементы.
Электрохимические реакции проходят в аппаратах, называемых электролизерами. В них через электролиты (растворы или расплавы - проводники второго рода) проходит постоянный ток от анода к катоду. На аноде проходят реакции окисления, а на катоде - реакции восстановления.
По законам Фарадея количество вещества, выделившееся на электродах, пропорционально количеству прошедшего электричества. На каждом электроде может протекать параллельно несколько реакций. Доля от общего количества прошедшего электричества, израсходованная на данную реакцию, составляет ее выход по току.
Практически важен выход по току на основную реакцию, который характеризует совершенство процесса. Под скоростью реакции в электрохимии понимают плотность тока - количество электричества, прошедшее в единицу времени через единицу поверхности электрода на его границе с электролитом.
На практике плотность тока определяют, деля его силу на геометрическую площадь электрода. Различают расчетную и истинную плотность тока, которая определяется не геометрической, а действительной поверхностью электрода. Последняя зависит от пористости и рельефа поверхности (наличия выпуклостей и впадин) и практически не может быть определена. Очевидно, чем более развита поверхность электролита, тем меньше истинная плотность тока и тем больше она отличается от расчетной.
На промышленных установках электрохимическим путем проводят главным образом реакции, требующие затраты электрической энергии. Эти затраты характеризуются скачком потенциала, который возникает на границе электрод - электролит. Если электродная реакция проходит в равновесных обратимых условиях (при силе тока, приближающейся к нулю), то скачок потенциала между электродом и электролитом называется равновесным потенциалом. Равновесный потенциал дает значение скачка потенциала, нужного для начала реакции.
Важно понятие «стандартный потенциал». Это равновесный потенциал, определенный для случая, когда активность каждого действующего вещества равна единице. Стандартные потенциалы даются в справочных таблицах. Учитывая реальные условия и пользуясь формулой Нернста, по ним можно вычислить равновесные потенциалы.
Сумма равновесных потенциалов на аноде и катоде называется напряжением разложения. Именно при этом напряжении, при токе, близком к нулю, и при наличии условий для обратимости электродных реакций начинается процесс электролиза.
Практически через электроды проходит ток, отличающийся от нуля, и электродные процессы идут поэтому в неравновесных условиях. Скачок потенциала на границе электрод -электролит в этих случаях больше равновесного и называется потенциалом электрода. Экспериментально измерить разность потенциалов между электродом и электролитом нельзя. Вместо этого измеряют разность потенциалов между данным и стандартным (например, стандартным водородным электродом) электродами. Эту разность принимают за потенциал электрода. Правило знаков для потенциалов вытекает из этого способа их определения.
Разность между потенциалом электрода и его равновесным потенциалом называется перенапряжением. Оно тем больше, чем выше истинная плотность тока. Перенапряжение на электроде возникает также и в том случае, когда реакции, проходящие на нем, необратимы. Перенапряжение пропорционально энергии, которую надо затратить для того, чтобы провести электродную реакцию с определенной скоростью.
Электродная реакция проходит через следующие стадии:
1) подача к электродам веществ, вступающих в реакцию, из электролита и отвод от них продуктов реакции;
2) перемещение электронов между электродами и ионами;
3) вторичные реакции на электродах (например, образование молекул водорода и кислорода из атомов).
Чтобы на электродах процесс протекал с заданной скоростью, требуется определенное количество электрической энергии на каждую стадию. На первой стадии оно пропорционально концентрационной составляющей перенапряжения, или концентрационной поляризации.
Равновесные потенциалы вычисляют, исходя из средней активности (концентрации) реагирующих веществ в растворе. У электродов они или срабатываются или нарабатываются, поэтому там их активность отличается от средней.
Равновесный потенциал реакции, вычисленный по значению истинной активности веществ у электродов, отличается от потенциала, вычисленного по средней активности. Разность между ними составляет концентрационную поляризацию. Она пропорциональна работе концентрирования или разбавления растворов от среднего значения активности до истинного, которое создается у электродов, и тем больше, чем выше скорость реакции на электродах.
От двух других стадий электродного процесса зависит появление второй составляющей перенапряжения - химического перенапряжения или поляризации. С энергетической стороны оно объясняется следующим. Из химической кинетики известно, что в реакции вступают лишь активные молекулы, обладающие энергией выше определенного уровня (энергия активации).
Увеличивая против равновесного скачок потенциала на границе электрод - электролит, возможно как бы снизить энергетический барьер и тем увеличить долю активных частиц, не изменяя температуры. В этой части имеется аналогия между каталитическими и электрохимическими процессами. Дополнительный скачок потенциала против равновесного (химическая поляризация) пропорционален работе, необходимой для активации нужного числа ионов или молекул для того, чтобы реакция могла идти с заданной скоростью. Химическая поляризация тем выше, чем больше скорость реакции.
Физическая картина на электродах, объясняющая возникновение химической поляризации, рассматривается в теории двойного слоя и связанной с ней теории замедленного разряда. Эти теории показывают, что величина химической поляризации зависит от строения двойного слоя, которое в значительной мере определяется составом раствора и способностью материала электрода адсорбировать те или иные компоненты раствора. Таким образом, подбирая состав раствора и материал электрода, можно управлять химической поляризацией.
Реальное напряжение, которое должно быть приложено к клеммам электролизера - напряжение электролиза - для того, чтобы вести реакцию с заданной скоростью, больше напряжения разложения на величину перенапряжений на электродах и на сумму потерь в проводниках первого и второго рода.
Расход электрической энергии на единицу продукта прямо пропорционален произведению напряжения электролиза на количество электричества, необходимого для выработки продукта (с учетом выхода по току). Из общего расхода электроэнергии в химическую энергию переходит только часть. Эта часть пропорциональна напряжению, которое называется напряжением по Томпсону. Оно отличается от напряжения разложения по следующей причине: необходимая для хода процесса на электродах (при постоянной температуре и в равновесных обратимых условиях) электрическая энергия, пропорциональная напряжению разложения, не полностью соответствует изменению внутренней энергии системы. Может случиться (в зависимости от свойств веществ, участвующих в реакции), что ее часть в ходе реакции превратится в тепло, переходящее во внутреннюю энергию системы.
Разность между напряжением электролиза и напряжением по Томпсону пропорциональна избыточному теплу, выделяющемуся при электролизе. Это греющее напряжение, или тепловая составляющая напряжения.
Доля общей затраты электроэнергии, перешедшая в результате реакции во внутреннюю энергию целевого продукта, называется выходом по энергии.
К основным технологическим показателям электролиза относятся: выход по току, коэффициент использования энергии (выход по энергии) и расходный коэффициент по энергии.
Выход по току (В т, %) рассчитывают по формуле:
В т = (m ф /m т) ∙ 100%, (9.1)
Где: m ф - количество вещества, фактически полученного при электролизе, кг; m т - количество вещества, которое должно было бы выделяться согласно закону Фарадея, кг.
M т = k ∙ I∙ τ, (9.2)
Где: I - сила тока, А; τ – время электролиза, ч; k - электрохимический эквивалент выделяемого вещества.
K = M/(F∙ z), (9.3)
Где: F - константа Фарадея, равная 96 500 Кл или 26.8 А∙ч; z - заряд выделяемого на электроде иона.
Коэффициент использования энергии (В э, %) рассчитывают по формуле:
В э = (Wт/W ф) ∙100%, (9.4)
Где: W T - теоретический расход энергии, кВт∙ч; W ф - фактический расход энергии, кВт∙ч.
W т/п = V т/п ∙ J ∙ τ / m т/п (9.5)
Где: V т - теоретическое напряжение разложения, В; V п - фактическое напряжение на электродах, В.
Теоретический расход электроэнергии (кВт∙ч/т) можно также рассчитать по уравнению:
W т = 10 3 ∙ V т / k (9.6)
Процесс электролиза начинается в том случае, если напряжение, приложенное к электролизеру (V п), превысит на бесконечно малую величину (∆V) теоретическое напряжение разложения (V т), т.е. будет обеспечено условие:
V п = V т + ∆V (9.7)
Теоретическое напряжение разложения на электродах ванны определяется по уравнению:
V т = E k - E a (9.8)
Где: E k – фактический потенциал разряда ионов на катоде, В; E a - фактический потенциал разряда ионов на аноде, В.
Фактические потенциалы разряда ионов отличаются от их равновесных потенциалов разряда на величину перенапряжения, соответственно, катодного E k пер и анодного E а пер, которые повышают равновесные потенциалы:
E k = E k р + E k пер и E а = E а р + E а пер (9.9)
Где: E k р и E а р - равновесные потенциалы разряда катиона и аниона.
Равновесные потенциалы разряда ионов равны по величине и обратны по знаку равновесным электродным потенциалам: E k р = - φ k и E а р = - φ а, которые могут быть рассчитаны по формуле Нернста:
φ k/a = φ 0 k/a ± R∙ T ∙Iga k/a /z ∙ F, (9.10)
Где: φ 0 k / a - стандартный электродный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙К; Т – температура, К; a k / a - активность иона в растворе (расплаве), моль/л; F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кул.; z – заряд иона электролита.
Расшифровка условия, представленного в 9.7, дает уравнение «баланса напряжений»:
V п = V т + J ∙∑R = E k – E а + J(R э + R д + R тп) (9.11)
Где: J – сила тока, А; R – общее сопротивление процесса электролиза, Ом; R э – сопротивление электролита, Ом; R д - сопротивление диафрагмы электролизера, Ом; R тп - сопротивление токоподводящих путей, Ом.
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 9.1
9-1 . Какие процессы называются электрохимическими и чем они отличаются от электротермических процессов? Приведите примеры тех и других.
9-2. Какие преимущества имеют электрохимические методы получения веществ перед химическими?
9-3. Назовите области применения электрохимических методов.
9-4 . Что является условием процесса электролиза? Что такое перенапряжение и как оно влияет на последовательность разряда ионов при электролизе?
9-5 . Перечислите количественные характеристики промышленного электролиза и дайте им определение.
^ ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 9-1
9-1. Сколько теоретически соляной кислоты можно получить из электролитического хлора и водорода за сутки, если сила тока, подаваемого на электролизер, равна 1500 А. Массовая доля соляной кислоты в растворе равна 37.23 % (плотность 1.19 г/мл). Ответ выразить в килограммах и литрах.
9-2. С хлорного электролизера диафрагменного типа нагрузкой 40 кА за сутки получен щелок объемом 10.6 м 3 , содержащий 130 кг/м 3 гидроксида натрия. Определите выход щелочи по току.
9-3. Сколько ванн должно быть в цехе рафинирования меди производительностью 182.5 тыс. т/год катодной меди, если ванны работают с нагрузкой 12 кА, а выход по току для меди составляет 96 %? Коэффициент использования ванн 0.96.
9-4. Определите массы газообразного хлора и 50 %-ного раствора гидроксида натрия, производимых электролизом водного раствора хлорида натрия в сутки, если сила тока, проходящего через электролизер, равна 150 кА, а выход по току составляет 0.95.
9-5. Определите теоретический расход электроэнергии на производство 3 т 85 %-ного гидроксида натрия и 3 т газообразного хлора, если теоретическое напряжение электролиза 2.2 В.
9-6. При электролизе расплава 24 г некоторого вещества на аноде выделилось 33.6 л водорода (н.у.). Определите вещество, которое было взято для электролиза и объём 20 %-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл), необходимый для реакции.
9-7. При пропускании через расплав некоторого бинарного неорганического соединения тока силой 1 А в течение 8 часов получено 2.068 г металла. Какое соединение подверглось электролизу, если соотношение компонентов в нем составляет 1: 0.145 мас.%?
9-8. При пропускании через 80 мл раствора, содержащего смесь AgNO 3 и Cu(NO 3) 2 тока силой 0.8 А в течение 117 мин на катоде выделилась смесь металлов общей массой 3.0 г. Напишите уравнения электролиза каждой соли и определите молярные концентрации солей в исходном растворе, если известно, что на аноде выделились газы, а после окончания электролиза раствор не содержит ионов металлов.
9-9. При электролизе раствора нитрата хрома(III) на катоде выделилось 31.2 г хрома, который растворили в соляной кислоте. Раствор оставили на воздухе, а затем к нему постепенно прилили 25 %-ный раствор гидроксида натрия (плотность 1.28 г/мл). Выпавший вначале осадок затем полностью растворился. Сколько мл раствора гидроксида натрия потребовалось для растворения осадка?
9-10. Исследовали два образца бинарного соединения некоторого металла. Первый образец массой 16 г расплавили и подвергли электролизу, что дало 26.312 л водорода, измеренного при 720 мм. рт.ст. и 31 о С. Второй образец массой 37.23 г при действии на него воды дал 9.308 г водорода. Установите формулу неизвестного соединения и напишите уравнения происходящих процессов.
9-11. Через раствор соли органической кислоты в течение 5 часов пропускали ток силой 2 А. В результате электролиза на катоде выделилось 12.195 г металла, а на аноде - оксид углерода(IV) и водород. Определите, какая соль была подвергнута электролизу.
9-12. При электролизе водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом получена амальгама, которую обработали водой. На титрование полученного раствора израсходовано 7.46 мл 0.5 М раствора серной кислоты. Определите силу тока, пропущенного через раствор, если время электролиза равно 1 час.
9-13. Водный раствор нитрата неизвестного металла подвергли электролизу. При этом на платиновых электродах выделилось 3.78 г металла и 196 мл кислорода (н.у.). Определите нитрат какого металла подвергнут электролизу.
9-14. Водный раствор нитрата меди подвергли электролизу с использованием инертных (угольных) электродов. Электроды взвесили после завершения электролиза и через час после его завершения. Одинаковыми ли будут эти массы? Ответ обоснуйте.
9-15. Определите выход по энергии при электролизе глинозема в криолите, если теоретическое напряжение электролиза равно 1.12 В, практическое напряжение – 4.6 В, выход металла по току – 0.8.
9-16. Рассчитайте степень превращения хлорида натрия в электролизере, католит которого содержит гидроксида натрия 120 г/л и хлорида натрия 190 г/л.
9-17 . Рассчитайте выход по току для электролизера при силе тока 14 000 А, если за 24 ч было 4000 л электролитического щелока, содержащего 120 г/л гидроксида натрия.
^ 9-18. Для условий задачи 10-17 рассчитайте коэффициент использования энергии, если практическое напряжение разложения хлорида натрия 3.6 В и выход по току 96 %.
9-20. На заводе медицинских инструментов поверхность большинства изделий покрывают слоем никеля толщиной 5.0·10 -5 м из электролита на основе NiSO 4 . Определите продолжительность электролиза для получения покрытия необходимой толщины на пинцете, поверхность которого 4.3·10 -3 м 2 , если плотность металлического никеля 8.9 т/м 3 , а выход по току 9 6%. Сила тока при электролизе 1.9 А.
^ 9.2. Электролиз водного раствора хлорида натрия
Электролиз водного раствора хлорида натрия в промышленности используют для получения хлора, водорода и гидроксида натрия.
В настоящее время в промышленности используют два способа электролиза - диафрагменный и ртутный. Основной процесс в том и другом способах - электролиз насыщенного раствора поваренной соли. В обоих методах анодные процессы подобны; их основной продукт - газообразный хлор. Катодные же процессы различны.
При диафрагменном способе применяют стальной катод, к которому подают раствор хлорида натрия. Часть хлорида натрия превращается в гидроксид натрия, и выделяется водород. Хлорид натрия отделяют от гидроксида натрия при упаривании раствора. При этом из-за снижения растворимости он выпадает в осадок. Товарный продукт - раствор гидроксида натрия концентрацией 42-50 %(мас.) содержит 2-4 %(мас.) хлорида натрия.
В ртутном электролизе катод из ртути. Ионы натрия, разряжаясь на нем, образуют натриевую амальгаму. В отдельном аппарате – разлагателе - амальгама натрия разлагается водой, образуя водород и раствор гидроксида натрия. В разлагателе сразу может быть получен раствор гидроксида натрия с товарной концентрацией 42-50 %(мас), не содержащий примесей хлорида натрия.
Раствор поваренной соли (рассол) перед электролизом подвергается очистке. Рассол очищают от солей кальция и магния. Очистка производится осаждением примесей строго дозированными осадительными реактивами: суспензией соды и известковым молоком.
Осаждение примесей происходит по реакциям:
Mg 2+ + Са(ОН) 2 = Са 2+ + Mg(OH) 2 ↓
Са 2 + + Na 2 CО 3 = 2 Na + + CaCО 3 ↓
Помимо химической очистки рассол освобождают от механических примесей отстаиванием и фильтрованием.
Диафрагменное производство (рис. 9.1) включает следующие стадии:
1) приготовление и очистка рассола. На этой стадии растворяют твердую поваренную соль и очищают рассол от ионов кальция и магния. Подготовленный рассол направляют на электролиз;
2) электролиз;
3) выпаривание электролитических щелоков. На этой стадии слабые растворы едкого натра и хлорида натрия, полученные при электролизе, упаривают до товарной концентрации по гидроксиду натрия. Выпадающую при этом соль отделяют от раствора, растворяют в воде и передают на стадию приготовления рассола, где этот рассол присоединяется к рассолу, приготовленному из свежей соли;
4) вывод сульфатов. На эту стадию поступает хлорид натрия, полученный на последней ступени выпаривания электролитических щелоков и содержащий повышенное количество сульфатов. Из соли выделяют сульфат натрия в виде товарной продукции. Очищенный раствор соли передают на стадию приготовления рассола;
5) охлаждение и сушка хлора;
6) охлаждение и сушка водорода.
Реакции, протекающие в диафрагменном электролизере, зависят от материалов и конструкций электролизеров, концентрации рассола, рН среды, плотности тока, температуры и содержания кислородсодержащих ионов.
Рис. 9.1. Структурная схема диафрагменного метода:
1- приготовление и очистка рассола; 2 - электролиз; 3 - выпаривание электролитических щелоков; 4 - вывод сульфидов: 5 - охлаждение, осушка и компрессирование хлора; 6 - охлаждение, осушка и компрессирование водорода.
В промышленных электролизерах анод выполняется из графита, катод - из железа.
На железном катоде основной процесс - выделение водорода:
2 Н + + 2ē = Н 2
2 Н 2 О + 2ē = Н 2 + 2 OH -
Разряд ионов натрия невозможен, так как равновесный потенциал разряда иона натрия на железном катоде в нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия значительно выше (-2,71 В), чем у водорода (-0,415 В).
Основная реакция на графитовом аноде:
2 Сl - + 2ē = С1 2
Кроме этой реакции на аноде протекают побочные реакции:
2 OH - - 2ē = 0,5 О 2 + Н 2 O Н 2 O - 2ē = 0,5 О 2 + 2 Н +
Равновесный электродный потенциал разряда гидроксид-ионов в нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия равен +0,82 В, а ионов хлора +1,32 В. Следовательно, на аноде с малым перенапряжением должен бы в первую очередь выделяться кислород.
Как известно из теоретической электрохимии, параллельные электродные реакции проходят с такими частными плотностями тока, которые дают одинаковый потенциал электрода. Поэтому можно записать:
φ а = φ (С1 2) + ψ(С1 2) = φ (О 2) + ψ (О 2) (9.12)
Где: φ а - потенциал анода, В; φ (С1 2 ), φ (О 2 ) - равновесные потенциалы выделения хлора и кислорода определяются по формуле Нернста и зависят от концентрации (активности) ионов хлора или гидроксида, а также от температуры; ψ (С1 2 ), ψ (О 2) - перенапряжение хлора и кислорода; величина перенапряжения увеличивается с ростом плотности тока.
Перенапряжение для выделения хлора снижается с повышением температуры в большей мере, чем у кислорода. При повышении плотности тока процесс на аноде также сдвигается в сторону выделения хлора. Как видно из рис. 9.2, с повышением плотности тока потенциал выделения хлора возрастает в меньшей мере, чем у кислорода. На аноде могут разряжаться гипохлорит-ионы. В результате выделяется кислород:
3 СlO - + 3 Н 2 O - 6ē = ClO 3 - + 1,5 О 2 + 2 Сl - + 3 Н 2
Наличие гипохлоритных ионов вызвано частичным гидролизом хлора.
При диафрагменном электролизе вместе с хлором всегда выделяется кислород. Нормальный уровень выделения кислорода определяется установленным технологическим режимом (материалом анодов, плотностью тока, температурой, составом рассола и др.). Важнейшее условие при этом - нормальная кислотность анолита (раствор находящегося в анодном пространстве).
Рис. 9.2. Анодные поляризационные кривые на графите при 250 °С в 22.6 % (мас.) растворе хлорида натрия:
1- выделение хлора; 2 - выделение кислорода.
Наличие в электролите гипохлорит- и гипохлорат-ионов может вызвать протекание побочных реакций на катоде:
СlO 3 - + 3 Н 2 = 3 Н 2 O + Сl - СlO - + Н 2 = Н 2 O + Сl -
Повышение щелочности анолита увеличивает интенсивность выделения кислорода на аноде. Поэтому процесс электролиза в диафрагменных электролизерах строят таким образом, чтобы в максимальной степени снизить электролитический перенос иона гидроксида к аноду. Это удается достигнуть за счет применения фильтрующей диафрагмы.
Фильтрующую диафрагму выполняют в виде пористой перегородки, разделяющей катодное и анодное пространства. Она препятствует смешиванию продуктов электролиза. Через нее непрерывно проходит поток анолита из анодного пространства к катоду.
Протекаемость диафрагмы и степень превращения (ориентировочно) контролируют по концентрации гидроксида натрия в католите (электролите, находящемся в катодном пространстве). Практически у современных промышленных электролизеров предельному значению степени превращения соответствует концентрация гидроксида натрия в католите 140-150 г/л. Когда концентрация щелочи превышает его значение, ход электролиза отклоняется от нормы.
Данные, показывающие зависимость выхода по току от концентрации щелочи, приведены на рис. 9.3. Наблюдается снижение выхода по току при работе с католитом, имеющим концентрацию щелочи выше 150 г/л.
Рис. 9.3. Зависимость выхода по току от концентрации гидроксида натрия в католите
Повышенные температуры электролиза и конденсации хлорида натрия в электролите понижают растворимость хлора, что сокращает вероятность протекания побочных реакций, а следовательно, увеличивает выход потоку. Кроме того, повышение температуры увеличивает электропроводность электролита, благодаря чему снижается напряжение на ванне. Таким образом, уменьшается расход электроэнергии, поэтому электролиз растворов хлорида натрия проводят при температурах 70 - 80 °С.
Промышленные электролизеры с фильтрующей перегородкой широко применяются в промышленности.
Схема современного диафрагменного электролизера представлена на рис. 9.4. Корпус электролизера ^ 7 разделен на две полости: анодное 4 и катодное 5 пространства. В анодном пространстве размещены аноды из графита. Анодное и катодное пространства разделены диафрагмой, основанием для крепления которой служит катод 3 . Диафрагма покрывает катод со стороны, обращенной к аноду. В анодное пространство подают рассол - насыщенный раствор поваренной соли.
Уровень анолита выше верхней границы диафрагмы. В газовом пространстве над уровнем анолита собирается хлор, образовавшийся на аноде. Отсюда хлор отводится в коллектор. Анолит вследствие разности уровней жидкости в анодном и катодном пространствах протекает сквозь диафрагму.
На катоде восстанавливается водород, а анолит, перетекающий к катоду, меняет состав и обогащается гидроксид-ионами. Католит содержит поваренную соль, гидроксид натрия и небольшую примесь хлората натрия. Он отводится из катодного пространства через сливную трубку 9 ; ее устройство позволяет регулировать уровень раствора в электролизере. В газовом пространстве над уровнем католита собирается водород, направляемый затем в коллектор.
К
атолит, вышедший из электролизера, иначе называемый электролитическим щелоком, содержит гидроксид натрия 110-120 г/л и хлорид натрия 170-180 г/л.
Рис. 9.4. Схема диафрагменного электролизер:
1- анод; 2 - диафрагма; 3 - катод; 4 - анодное пространство; 5 – катодное пространство; 6 - капельница; 7- корпус электролизера; 8 - крышка; 9 -сливная трубка для католита
Отношение концентрации гидроксида натрия к концентрации хлорида натрия в католите определяется важным показателем технологического режима - степенью превращения (Х) хлорида натрия при электролизе. Так называют отношение числа молей хлорида натрия, превратившихся в гидроксид натрия, к числу молей хлорида натрия, поступивших на электролиз.
Степень превращения вычисляют по формуле:
Х = 1,46 · C NaOH / (9.13)
Процессы, протекающие в электролизерах, и их технические показатели во многом зависят от функционирования диафрагмы. Чтобы диафрагма могла выполнять свои функции, она должна удовлетворять следующим требованиям:
Быть достаточно плотной и прочной, чтобы обеспечивать полное разделение газовых продуктов и исключать смещение анолита и католита;
Иметь низкое электрическое сопротивление, чтобы избежать потери напряжения в диафрагме;
Обладать достаточно низким гидравлическим сопротивлением;
Быть химически стойкой к кислотам и щелочам, чтобы диафрагма работала продолжительный срок;
Иметь близкие свойства и однородность на всех участках.
Лучший материал для диафрагмы - хризолитовый асбест.
Основное требование к материалу анода - наибольшее перенапряжение выделению кислорода, чем хлора.
Еще не найден материал, абсолютно стойкий к процессам совместного электрохимического выделения хлора и кислорода. На практике стремятся к тому, чтобы применяемые материалы разрушались с относительно небольшой скоростью.
Предпочтение отдается материалам с низким удельным электросопротивлением, так как чем ниже сопротивление, тем ниже падение напряжения в аноде и тем равномернее распределение по нему плотности тока. Практически можно использовать платину, графит и магнетит. Лучшая по всем показателям (кроме стоимости) - платина. В промышленности аноды изготавливают исключительно из искусственного графита.
^ Ртутный метод электролиза водного раствора хлорида натрия содержит те же стадии, что и диафрагменный, за исключением выпаривания (рис. 9.5). Приготовление и очистка рассола в этом производстве имеют особенности и по технологической схеме отличаются от соответствующей стадии диафрагменного производства. Это связано с особыми требованиями к анолиту, возвращаемому на электролиз.
Анолит после электролиза содержит 260-270 г/л хлорида натрия, около 0,6 г/л растворенного хлора, около 5 мг/л кальция, магния, тяжелых металлов, примеси графитовой пыли.
Рис. 9.5. Структурная схема электролиза водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом:
1- подготовка и очистка рассола; 2- электролиз: 3 - дехлорирование и очистка анолита; 4 - охлаждение, сушка и компрессирование хлора: 5 - охлаждение, сушка и компрессирование водорода.
Для удаления хлора из анолита последовательно применяют подкисление, вакуумирование, отдувку воздухом, разрушение остатков хлора восстановителями. Подкисляют анолит соляной кислотой. Вакуумирование проводят при давлении 400-450 мм.рт.ст.
Реакции, протекающие на аноде в электролизерах с ртутным катодом, аналогичны реакциям, рассмотренным для диафрагменных электролизеров.
Катодный процесс в электролизерах с ртутным катодом коренным образом отличается от такового в диафрагменном электролизере, в котором на стальном катоде разряжаются ионы водорода.
В ртутных электролизерах выделение водорода на катоде является побочным и вредным процессом. Его развитие сдерживается счет того, что на ртутном катоде или на катоде из амальгамы натрия водород выделяется с большим перенапряжением.
Характерная поляризационная кривая этого процесса приведена на рис. 9.6. На рисунке видно, что интенсивное выделение водорода наступает при потенциалах катода, более отрицательных, нежели – 1.9 В. Однако при меньшем отрицательном потенциале на ртутном катоде возникает другая электродная реакция - образование ртутной амальгамы натрия, на которую и затрачивается основная часть тока.
Металлический натрий в момент выделения реагирует с ртутью, образуя интерметаллическое соединение NaHg n (растворенное в ртути амальгама натрия). При этом работа, необходимая для восстановления иона натрия, снижается на величину энергии, выделяемой при образовании амальгамы. Потенциал образования амальгамы натрия φ к = -1.80 В.
Изменение потенциала выделения веществ в электрохимическом процессе за счет возникновения вторичной реакции на электроде называется деполяризацией. За счет деполяризации возможно выделение натрия на ртутном катоде в виде амальгамы по реакции:
Na + + n Hg + ē = NaHg n
Этот процесс проходит практически без перенапряжения.
Основная побочная реакция на катоде:
2
H + + 2e - = H 2
Рис. 9.6. Поляризационная кривая
Выделения водорода на ртути
На катоде проходят и другие побочные процессы. Амальгама натрия реагирует с хлором, растворенным в анолите, по уравнениям:
NaHg n + Сl 2 = Na + + CI - + nHg Hg + Cl 2 = Hg 2+ + 2 Cl -
Под действием воды амальгама разлагается, выделяя щелочь:
NaHg n + 2 Н 2 O = Н 2 + Na + + 2 ОН - + n Hg
Реакция в разлагателе состоит из двух сопряженных реакций:
2 Н 2 O + е - = Н 2 + 2 ОН - NaHg n – е - = Na + + n Hg
Электролитический процесс в электролизере с ртутным катодом проходит в две стадии. На первой стадии, подвергая электролизу водный раствор хлорида натрия, получают хлор и крепкую амальгаму натрия. Амальгама, полученная после электролиза, содержит 0.3-0.5 % натрия. На второй стадии амальгаму обрабатывают очищенной водой. Часть амальгамы разлагается с образованием гидроксида натрия и водорода. Слабую амальгаму ртутным насосом повторно подают на электролиз.
Проведение процесса в две стадии позволяет получить в электролизерах с ртутным катодом раствор гидроксида натрия с очень малыми примесями хлорида натрия.
Схема электролизера с ртутным катодом представлена на рис. 9.7. Он состоит из трех основных частей: электролитической ванны 9 , разлагателя 12 и ртутного насоса 10.
Рис. 9.7. Схема электролизера с ртутным катодом:
1 - амальгама; 2 - выходной карман электролизера; 3 - крышка электролизера; 4 - анод; 5 - анодный токопровод и его уплотнение; 6 - анолит; 7 - пространство для сбора хлора; 8 - входной карман электролизера; 9 - электролитическая ванна; 10 - ртутный насос; 11 - насадка разлагателя; 12 - разлагатель; 13- раствор гидроксида натрия.
В электролитическую ванну 9 непрерывно поступают насыщенный раствор хлорида натрия и слабая амальгама. Из электролизера отводятся хлор совместно с водяными парами и крепкая амальгама Отдельно от амальгамы отводят обедненный в результате электролиза раствор хлорида натрия с растворенным в нем хлором.
В разлагатель 12 непрерывно подают крепкую амальгаму и очищенную воду. Отводятся водород с водяными парами, раствор гидроксида натрия в воде и слабая амальгама.
Ртутные электролизеры рассчитаны на работу с высокой плотностью тока (5000-10 000 А/м 2). С повышением плотности улучшается выход потоку. Кроме того, снижается (при одной и той же токовой нагрузке) расчетная поверхность катода, следовательно, уменьшается необходимое количество ртути.
В настоящее время распространены горизонтальные электролизеры. Они представляют собой наклонный желоб прямоугольного сечения, по дну которого самотеком течет амальгама. Желоб покрыт крышкой 3 , на которой укреплены графитовые плоские анодные плиты 4 . Расстояние между электродами 3-5 мм. Плиты располагают так тесно, чтобы площадь рабочей поверхности анодов приближалась к площади поверхности катода. Каждая анодная плита имеет токоподвод, выведенный через крышку электролизера. В месте прохода токоподвода через крышку имеется уплотнение 5 , препятствующее выходу хлора в атмосферу.
В процессе электролиза графит разрушается. В результате увеличивается межэлектродное расстояние и растет напряжение электролиза. Поэтому в современных конструкциях аноды снабжают устройством, позволяющим регулировать межэлектродное расстояние.
Для этого применяют устройства двух различных типов. Первый тип рассчитан на опускание каждого анода в отдельности, второй - на опускание одновременно целой группы анодов.
Поверх слоя амальгамы в электолизере в том же направлении движется анолит ^ 6 .
Над слоем анолита образуется газовое пространство 7 . В нем собирается выделившийся хлор. Хлор и анолит отводятся из электролизера либо совместно, либо раздельно.
Вторая стадия электрохимического процесса проходит в разлагателе. Горизонтальные разлагатели имеют вид стального, герметично закрытого желоба, устанавливаемого с уклоном. На дне разлагателя укладывают графитовые плиты 12 . Поток амальгамы самотеком движется по его дну. Противотоком к амальгаме движется раствор едкого натра и отводится вместе с водородом в конце разлагателя.
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 9.2
9-1. Какие существуют промышленные способы электролиза водного раствора хлорида натрия?
9-2. Назовите основные стадии диафрагменного способа электролиза.
9-3 . Какая реакция протекает на катоде при диафрагменном способе электролиза? Какие побочные реакции могут протекать на катоде при диафрагменном способе электролиза?
9-4 . Какое основное вещество выделяется на аноде при диафрагменном способе электролиза? Какое побочное вещество выделяется на аноде при диафрагменном способе электролиза?
9-5. В чем заключаются особенности электролиза водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом? Какова роль диафрагмы в диафрагменном электролизере?
^ ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 9.2
9-1. Вытекающий из диафрагменного хлорного электролизера щелок содержит 130 кг/м 3 щелочи. Ванна работает с нагрузкой 25 кА, выходом по току для CI 2 и NaOH 96 %, а для водорода 98 %. Рассчитайте: а) суточную производительность ванны по хлору и водороду (по массе и объему) и по щелочи; б) объем щелока, вытекающего за 1 ч из ванны. Условия нормальные.
9-2. Сколько часов должен работать электролизер БГК-17-25 для получения хлора объемом 800 м 3 , если выход по току составляет 96 %, сила тока 30 кА? Условия нормальные.
9-3. Рассчитайте теоретическое значение (В) напряжения разложения при электролизе водного раствора хлорида натрия. Концентрация анолита 270 кг/м 3 , католита 120 кг/м 3 .
9-4. Рассчитайте коэффициент использования энергии для электролизера, снабженного железным катодом, где теоретическое напряжение разложения 2.16 В, а практическое 3.55 В при электролизе водного раствора хлорида натрия. Выход по току 93 %.
9-5. Определите выход по току для электролизера БГК-17-50, где в течение суток при силе тока 40 кА было получено 9821 м 3 электролитического щелока, содержащего 140 кг/м 3 едкого натра.
9-6. В диафрагменном способе получения едкого натра процесс электролиза заканчивают, когда массовая доля едкого натра в растворе достигает 10 %. Рассчитайте, какая массовая доля хлорида натрия подверглась электролизу, если первоначальная концентрация рассола была 310 кг/м 3 , а плотность 1.197 т/м 3 .
9-7. Определите степень превращения для католита, содержащего 120 кг/м 3 едкого натра, если первоначальное содержание хлорида натрия составило 293 кг/м 3 . Потерями в производстве пренебречь.
9-8. Определите дополнительный расход электроэнергии на получение водорода массой 1 т, вызываемый перенапряжением выделения газа h = 0.2 В.
9-9. Вычислите расход энергии на получение хлора массой 1 т в электролизере БГК-17-50, если сила тока на зажимах 25 кА, напряжение 3.6 В, выход по току 96 %.
9-10. Определите выход по току для электролизера фирмы «Хукер», в котором получается 225 м 3 /ч католита, содержащего 135 кг/м 3 едкого натра. Электролизер работает с нагрузкой 40 кА.
9-11. Определите недельную потребность предприятия в железнодорожных цистернах грузоподъемностью 50 т для перевозки жидкого хлора, если на предприятии действуют 3 серии электролизеров БГК-17-50, по 68 штук в каждой серии. Нагрузка электролизера 50 кА, выход по току 96 %.
9-12. Рассчитайте теоретический расход электроэнергии для получения едкого натра массой 1 т и хлора массой 1 т в диафрагменном электролизере, если теоретическое напряжение разложения раствора хлорида натрия равно 2.2 В.
9-13. Вычислите расход энергии на производство 1 т едкого натра в электролизере с ртутным катодом типа «Сольве» V-200, если напряжение на электродах составляет 4.56 В, выход по току 96 %, сила тока 190 кА.
9-14. В цехе электролиза имеется 66 ванн с ртутными катодами. От источника постоянного тока на них подается напряжение 250 В при силе тока 30 кА. Определите производительность такого цеха в сутки по щелоку с концентрацией едкого натра 140 кг/м 3 и хлору при выходе по току 96 %; напряжение на каждой ванне и расход энергии на 1 т хлора и 1 т едкого натра (в отдельности).
9-15. По днищу ртутного электролизера, имеющего длину 10 м, ширину 1,5 м, протекает ртуть слоем 5 мм. При входе в электролизер массовая доля натрия в ртути равна 0.01 %, а на выходе 0.2 %. Выход по току 95 %. Катодная плотность тока 5000 А/м 2 . Определите массу 40 %-ного раствора едкого натра, которую можно получить с 1 м 2 ртутного катода, и линейную скорость течения ртути. Изменением плотности ртути при образовании амальгамы пренебречь.
9-16. Определите выход по энергии для ртутного, электролизера Р-101, если здесь: потенциал анода -1.42 В; потенциал катода 1.84 В; напряжение на ванне 3.55 В; выход по току 93.7 %.
9-17. Рассчитайте объемную скорость циркуляции ртути в хлорном электролизере, если в поступающей ртути массовая доля натрия равна 0.015 %, а в выходящей из электролизера 0.21 %. Выход по току натрия равен 97 %, нагрузка электролизера 25 кА.
9-18. В горизонтальном разлагателе, куда поступает в час 23 т амальгамы натрия, выделился водород объемом 56 м 3 . Определите массовую долю натрия в амальгаме (при н. у.).
9-19 . Проектная годовая мощность одного из предприятий по производству соляной кислоты составляет 80 тыс. т продукта с массовой долей хлороводорода 34 %. Обеспечит ли это предприятие хлором и водородом цех с 84 ваннами типа Р-ЗО, работающий по графику предприятия? Выход по току 96 %, нагрузка одного электролизера 30 кА. Выход кислоты составляет 95 % от теоретического.
9-20. Диафрагменный хлорный электролизер имеет следующие показатели работы: выход по току хлора 95 %; выход по току водорода 99 %; нагрузка 20 кА. Какую массу соляной кислоты с массовой долей хлороводорода 35 % можно получить из всего произведенного хлора за 30 дней работы электролизера? Какой объем водорода в м 3 должен произвести электролизер для получения этой массы кислоты, если объемная доля водорода на 5 % больше против стехиометрии?