Обсуждение результатов
В ходе данной лабораторной работы был исследован процесс электролиза водного раствора хлорида натрия NaCl концентрацией 50г/л в мембранном электролизере с проточным электролитом.
Суммарная реакция, протекающая в электролизере, может быть выражена следующим уравнением:
2NaCl + 2H2O → Cl2 + 2NaOH + H2 [2, стр. 141]
Исходя из состава рассола, на катоде возможен лишь один процесс – восстановление воды:
К: 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН-
На аноде при этом возможны два процесса – восстановления хлора и кислорода:
А: 2Сl- - 2e = Cl2 φр = + 1,32 В
2H2O – 4e = O2 + 4H+ φр = + 0,88 В
Как видно из значений равновесных потенциалов анодного процесса, термодинамически более выгоден процесс выделения кислорода, однако этот процесс в данном случае нежелателен. Чтобы основным процессом было выделение хлора, подбирают материал анода, имеющий высокое перенапряжение для выделения кислорода, и низкое – для хлора (это платина, графит, ОРТА- электроды)
На аноде основным побочным процессом является выделение кислорода. Кроме этого, выделяющийся на аноде хлор может подвергаться гидролизу с образованием хлорноватистой и соляной кислот по реакции:
Сl2 + H2O = HClO + HCl
на эту реакцию тратится часть хлора, выход по току для которого всегда меньше 100%. Образовавшаяся хлорноватистая кислота HClO – сильный окислитель, но слабый электролит, и дальнейших преобразований не претерпевает. Однако при попадании в анодное пространство щелочи между ними происходит обменная реакция с образованием гипохлорита натрия:
NaOH + HClO = NaClO + H2O
возможно и прямое взаимодействие щелочи с растворенным хлором:
2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O
образовавшийся на аноде гипохлорит может окисляться до хлората
6ClO- + 3H2O – 6e = 2ClO3 + ½ Cl- + 3/2 O2 + 6H+ φр = +0,51В
Образовавшиеся гипохлорид и хлорат попадая в катодную зону, могут восстанавлеваться:
К: ClO- + H2O + 2e = Cl- + 2OH-
ClO3- + 3H2O + 6e = Cl- + 6OH-
обе реакции полезны, так как в конечном итоге повышают качество получаемой щелочи.
Кроме электрохимических превращений, хлорат в анодной зоне может получаться химическим путем [3]:
2 НClO + ClO- = ClO3- + 2H+ + 2Cl-
Попадающая из катодного пространства щелочь на аноде окисляется:
4ОН- - 4е = О2 + 2Н2О
Этот процесс энергетически более выгоден, чем образование кислорода из воды.
Выход по току как для хлора, так и для щелочи, достигает в данной работе только 53 и 44% соответственно. Это происходит именно из-за большого количества побочных реакций.
Вывод
В ходе проделанной работы я ознакомился с процессом электролиза NaCl в мембранном электролизере, а также выяснил причины снижения выходов по току для щелочи и хлора.