III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОЛИЗА
Маляров Д.А.
Автор работы награжден дипломом победителя первой степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, в медицине получения живой (щелочной) и мертвой (кислой) воды, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза. В следствие чего, повышение эффективности электролиза важно и является актуальной темой исследования. Один из способов, описанных в научных исследованиях, повышения эффективности электролиза, является применение магнитного поля [2].

Цель: изучить, как магнит (магнитное поле) влияет на прохождение электролиза в воде и водном растворе. Объект исследования: электролиз в воде и водном растворе. Предмет исследования: влияние положения магнита (ориентация магнитного поля), которое может увеличить эффективность электролиза: ток, напряжение и массу полученного вещества.

Гипотеза: если принять, что магнитное поле влияет на электролиз, то необходимо выявить какие параметры будет меняться и на сколько эффективно.

Задачи:

1) изучить необходимую литературу по магнитным полям и их влияние на воду и водные растворы;

2) подготовить несколько абсолютно одинаковых опытов в соответствие с гипотезой, при это учитывать время воздействия, окружающие условия, физические данные магнита;

3) провести серию экспериментов;

4) обработать результаты, построить графики, предположить зависимости;

5) провести анализ экспериментальных данных, выявить при каких «магнитных» условиях изучался объект и контрольный образец;

6) вывести рекомендации по повышению эффективности электролиза под влиянием магнитного поля.

Использованы следующие методы: – теоретические: анализ литературы, синтез различных точек зрения, моделирование процесса воздействия магнита на воду и омагниченной воды при электролизе, сравнение, расчет по формулам; – эмпирические: наблюдение, эксперимент.

Глава 1. Теоретический аспект электролиза
  1.  
    1. Понятие электролиза

Электролиз (от электро- и греческого lysis — разложение, растворение, распад) — совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах, при прохождении через него электрического тока [3].

Электролиз — физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита [5].

1.2 Электролиз воды

Рассмотрим более детально процессы, протекающие при электролизе. На катоде, в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита, с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или атомы.

Два электрона, поступающие с катода, реагируют с двумя молекулами воды, образуя молекулу водорода Н2 и два иона гидроксила ОН-. Молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода (после того, как раствор вблизи катода насытится водородом), а ионы гидроксила остаются в растворе [4]:

- + 2Н2О → Н2 + 2ОН-. (1)

На аноде, в результате электролиза, происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется). Четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая разлагается с образованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода [6]:

2О → О2 + 4Н+ + 4е-. (2)

1.3 Применение электролиза воды

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6 – 99,9% Н2) в одну технологическую ступень.

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами:

  1. высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше;

  2. простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке;

  3. возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода;

  4. общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода;

  5. гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением;

  6. физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов. Кроме того, кислород может быть использован для газификации древесины, угля и т.д.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода, D2O, изотопная разновидность воды, в которой легкий атом водорода 1Н замещен его тяжелым изотопом 2Н — дейтерием D. Впервые открыта в природной воде Г. Юри и Э. Ф. Осборном (США) в 1932 году. Тяжелая вода содержится в природных водах и атмосферных осадках в отношении 1 атом D на 5000 — 7000 атомов Н. По физическим свойствам D2O заметно отличается от H2O (см. табл.1).

Тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.

Таблица 1 - Физические свойства воды

Свойства

H2O

D2O

Состав, %

водород................................................................ кислород..............................................................

11,19

88,91

20,24

79,76

Молярная масса, г/моль

18,02

20,03

Температура (при 1 атм), °С

кипения................................................................ плавления.............................................................

100

0

101,431

3,813

Плотность при 20°С, г/см3

0,9982

1,1056

1.4 Влияние внешних факторов на электролиз

Процесс электролиза, неодинаков во всех случаях, и зависит от ряда факторов – природы электролита, типа электролитической ванны, оптимизации самих электролизных процессов.

Различают технический и прикладной электролиз, а электролитические процессы классифицируются следующим образом:

  1. получение металлических сплавов;

  2. получение гальванических покрытий;

  3. получение неорганических веществ (хлора, водорода, кислорода, щелочей и т.д.);

  4. получение органических веществ;

  5. очистка металлов (медь, серебро);

  6. получение металлов (магний, цинк, литий, натрий, калий, алюминий, медь и т.д.);

  7. обработка поверхностей металлов (электрополировка, азотирование, борирование, очистка);

  8. нанесение пленок при помощи электрофореза;

  9. электродиализ и обессоливание воды.

1.5 Электролиз в растворе медного купороса

Молекулы медного купороса CuSO4 диссоциируют при растворении на положительные ионы Cu++ и отрицательные ионы .

Кроме ионов Cu++ и раствор содержит также водородные и гидроксильные () ионы воды.

Ионы меди Cu++ разряжаются легче, чем ионы водорода H+, поэтому при прохождении тока на катоде будет происходить выделение меди:

+ 2 e = Сu.

Ионы труднее разряжаются, чем ионы. Поэтому при прохождении тока у анода разряжаются ионы гидроксила и выделяется кислород: 2 - 2 е=H2O + O, 2О→О2.

Ионы с ионами образуют у анода раствор серной кислоты:

+ 2 H2

Иначе протекает процесс, если анод изготовлен из меди. В этом случае разряд ионов происходит только у катода. У анода же, наоборот, ионы металла переходят в раствор.

Объяснить это можно тем, что атомы меди Cu теряют электрон легче, чем ионы, в этом случае вместо выделения кислорода будет происходить переход с анода в раствор ионов , т.е. Cu – 2 е = .

Следовательно, электролиз CuSO4 при медном аноде сводится к переносу меди с анода на катод. В то же время количество медного купороса останется неизменным в растворе.

При расчетах следует принять, что для меди μ=63,5×10-3 кг/моль и в соединении медь двухвалентна – Z = 2.

1.6 Закономерности, описывающие электролиз

Законы Фарадея количественно описывают закономерности, наблюдающиеся при электролизе [7]:

m = κ·I·Δt (3)

где κ — электрохимический эквивалент (кг/Кл),

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

(4)

где – число Фарадея, (5)

– сила тока (А),

– промежуток времени, в течении которого происходил процесс (с),

F– число Фарадея (96500 Кл/моль),

e – заряд электрона (1,6·10-19 Кл),

– число Авогадро (6,02·1023 моль-1),

– молярная масса (г/моль),

z – валентность химического элемента,

m = μ·ν,

– количество вещества (моль),

Коэффициент пропорциональности, равный 1,5, свидетельствует о том, что получившийся газ – это смесь из водорода и кислорода, находящихся в разных количествах:

Н2О → Н2 + О2.

Глава 2. Экспериментальная часть 2.1 Экспериментальная установка

Для осуществления эксперимента необходимо создать электролизер, схема которого представлена на рис. 1. электролизер собран из двух нержавеющих проводников, к которым подводится напряжение. Измерение силы тока и напряжения осуществляется с помощью мультиметров. В качестве источника питания использовался блок питания с различными режимами работы.

Рис. 1 - Электролизер для дистиллированной воды

Рис. 2. Электролизер для раствора медного купороса

2.2. Изменение силы тока во времени в процессе электролиза

Зависимость силы тока от времени подчиняется экспоненциальному закону:

(6)

где I0 — сила тока в момент коммутации цепи, А;

t — время электролиза, с;

k — коэффициент, который зависит от природы реакции, площади рабочего электрода (S), коэффициента диффузии (Д) электроактивного вещества, скорости перемешивания, определяющей толщину диффузионного слоя (δ) и объема раствора

Выход по току при проведении электрохимической реакции будет количественным, когда ток уменьшится до нуля, т.е. при бесконечно большом значении времени t. На практике электролиз считают законченным, когда ток достигает примерно 0,1% от значения I0.

Для нахождения зависимости i(t) использовалась экспериментальная установка, изображенная на рис.1. В ходе трех испытаний значение напряжения устанавливалось равным 1,16 В; 3,18 В соответственно. Полученная зависимость отражена на рис. 3, 4.

Проверка гипотезы

Для дистиллированной воды получены следующие зависимости i(t)

Рис. 3. Зависимость i(t) при U=1,16 В

Рис. 4. Зависимость i(t) при U=3,18 В

Для полученной зависимости на рис. 4

i(t) = 1,0254e-7*10^(4t) (7)R² = 0,8148

С помощью аппроксимации в программе MS Office Excel 2007 были проверены выбранные функции, — величина достоверности аппроксимации. Чем ближе это число к 1, тем достовернее функция описывает зависимость (для самых грубых расчётов не должна быть меньше 0,95).

Таблица 2.

Магнитное поле

Uв(В)

Iср(мA)

Rcp(Oм)

t(мин)

mв-ва(г)

Без магнитов

6

28.21

212.7

14

 

Север

6

30.58

196.2

14

 

Юг

6

25.33

237.1

14

 

Рис. 5. Электролиз в растворе медного купороса

При одинаковом входящем напряжении наибольшая сила тока наблюдалась в случае с СМ, наименьшая – с ЮМ.

Больше всего вещества выделилось при прохождении электролиза под воздействием СМ, меньше всего под воздействием ЮМ.

Наибольшее реактивное сопротивление наблюдалось:

В начале – электролиз с использованием ЮМ

В конце – электролиз с использованием СМ

2.2.1 Зависимость силы тока от напряжения при электролизе

Для нахождения зависимости I(U) использовалась экспериментальная установка, изображенная на рис.18. Изменением расстояния между пластинами (d) и напряжения в пределах от 0 В до 18 В, наблюдали изменения силы тока.

Протекание электрического тока через электрическую ванну приводит к сдвигу потенциалов от их равновесных значений, отвечающему определенной плотности тока, т.е. к поляризации электродов. Если к электродам приложить небольшую разность потенциалов от внешнего источника тока, а затем постепенно ее увеличивать, то можно зафиксировать изменение силы тока в цепи в зависимости от приложенного напряжения (рис. 6,7).

Рис. 6. Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Рис. 7. Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Заключение

Данная работа посвящена исследованию повышения эффективности электролизных установок, что является актуальным для водородной энергетики.

Выполнены все этапы и задачи исследования: проанализирована необходимая литература по химии, физике, физической химии, электролизу, статьи по исследованию воды с разными физическими эффектами.

Для исследования были изготовлены экспериментальные установки, разделяющие воду на водород и кислород электролизом, на которых производились исследования, рассматривались различные зависимости протекания процесса.

В результате эксперимента наблюдается увеличение значения силы тока, а подсчет затраченного времени показывает, что при использовании магнитного поля электролиз идет быстрее. В дальнейшем планируем проверить гипотезу для разных растворов при различном расстоянии, температурных и магнитных условиях, формы электродов.

При электролизе в воде идут необратимые процессы, влияющие на получаемые зависимости. Во-первых, растворение веществ конструкции. Для предотвращения этого материал установки должен быть нейтрален к растворению и окислению.

Список литературы

1.Классен В.И. Омагничивание водных систем. Л. 1982., 296 с.

2. И. Е. Стась Влияние постоянного магнитного поля

3. Прохорова А.М. Большая Советская Энциклопедия / А.М. Прохорова. - М.: Советская Энциклопедия, 1978. - т. 30, с. 62.

4. Кессених В.Н. Распространение радиоволн / В.Н. Кессених. - М.: Гос. Издат. Техн. - теорет. литературы, 1952. - 488 с.

5. Энциклопедический справочник. Естественные науки / под. ред. А.А. Кудрицкого. - М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2003. - т. 1. - С. 303 - 319.

6. Горохов А.А. Общая химия: Курс лекций / А.А. Горохов. - 2-е изд. перераб. и доп. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 113 с.

7. Мякишев Г.Я. Физика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М.: Просвещение, 2008. - 366 с.