Wydział Metali Nieżelaznych Kraków, 2002.06.04

Inżynieria Materiałowa

Rok: II. Grupa: 9

Sprawozdanie

Kulometria i wydajność prądowa elektrolizy

Piotr Włoch

Wprowadzenie

Ilościowy związek pomiędzy masą produktów elektrolizy oraz czasem i prądem elektrolizy opisują prawa Faraday'a. Zależność tą można przedstawić równaniem:

(1)

gdzie:

(Do wydzielenia jednego gramorównoważnika produktu elektrolizy potrzeba F = 96500 C).

W praktyce obserwuje się często wydzielanie mniejszej ilości produktów niż wyliczona. Przyczyną tego mogą być:

• nieuwzględnienie w wyliczeniach reakcji ubocznych,

• tak zwane zwarcia i ucieczki prądowe.

Stosunek masy wydzielonej m' do masy wyliczonej nazywa się wydajnością prądową elektrolizy
.

Istnieje szereg reakcji elektrodowych przebiegających praktycznie ze 100%-wą wydajnością. Wykorzystuje się je w powiązaniu z równaniem

do wyznaczenia ilości przepływających w obwodzie ładunków elektrycznych. Metodę tę nazywamy kulometrią, a aparaty kulometrami. Do najdokładniejszych należą kulometry srebrowe, oraz miedziowe.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest kulometryczne cechowanie amperomierza oraz wyznaczenie zależności wydajności prądowej katodowego osadzania cynku oraz zużycia energii w tym procesie od gęstości prądu.

Wykonanie pomiarów

Pomiary wykonywaliśmy w układzie przedstawionym poniżej:

1. Kulometryczne cechowanie amperomierza

W niniejszym ćwiczeniu stosuje się kulometr miedzowy, a jako elektrolit roztwór CuSO₄ z dodatkami H₂SO₄ i C₂H₄OH. W układzie tym można przyjąć, że proces przebiega z wydajnością 100%.

Wyniki pomiarów

Powierzchnia katody	Czas trwania pomiaru	Masa Cu			Natężenie prądu		Gęstość prądu (katoda)
					przed pom.	po pom.			amperomierz	kulometr
S	t	m1	m2		I1	I2	iK
26.04	1200	22.4934	22.6154	0.1220	0.30	0.3090	0.0011
26.88	1200	23.5340	23.7336	0.1996	0.50	0.5055	0.0186
26.04	900	22.6088	22.8340	0.2252	0.75	0.7605	0.0288
26.88	600	23.7336	23.9353	0.2017	1.00	1.0217	0.0372
26.04	600	22.8340	23.0838	0.2498	1.25	1.2654	0.0480
26.88	600	23.9353	24.2329	0.2976	1.50	1.5075	0.0558

2. Wydajność katodowa prądu w procesie elektrolizy siarczanu cynku

Elektrolizer

Wyniki pomiarów

L.p	Natężenie prądu		Katodowa gęstość prądu (iK)	Czas elektrolizy	Masa katody		Masa wydzielon. cynku	Gęstość prądu (iZn)	Objętość wydzięlon. wodoru ( )
		amperom. I1			kulometr I2						przed	po
		[A]	[A]	[A/cm^2]	[min]	[g]	[g]	[g]	[A/cm^2]	[ml]
1	0.30	0.3090	0.1870	20	9.4143	9.5532	0.1289	0.187	7.5
2	0.50	0.5055	0.0306	20	9.3878	9.5729	0.1850	0.0306	9.0
3	0.75	0.7605	0.0460	15	9.5430	9.7382	0.1952	0.046	11.0
4	1.00	1.0217	0.0618	10	9.6036	9.7906	0.1870	0.0618	10.5
5	1.25	1.2654	0.0766	10	9.7360	9.9600	0.2240	0.0766	11.5
6	1.50	1.5075	0.0912	10	9.7674	10.0282	0.2608	0.0912	14.7

Katoda: φ = 0.98 [cm], l = 5,12 [cm], S = 16.517 [cm²]

L.p	Ilość moli H2 10^4	Wydajność prądowa ηZn	Wydajność prądowa ηH	Wydajność prądowa sumaryczna ηZn + ηH	Napięcie na zaciskach elektrolizera	Zużycie energii na 1kg Zn
				[%]	[%]	[%]	[V]	[kWh/kg]
1	2.65	114	71	185	3.0	10.4
2	3.19	91	51	142	3.1	10.0
3	3.55	85	50	135	3.3	11.4
4	3.73	92	60	152	3.5	11.2
5	4.1	88	52	140	3.5	11.7
6	5.27	85	56	141	3.6	12.5

Wnioski

W punkcie 1 kulometrycznie cechowaliśmy amperomierz. Otrzymane wyniki pomiarów wskazują, iż używany przez nas amperomierz był przyrządem dość dokładnym (nie obarczał wyników pomiarów dużymi błędami). Dowodzą tego niewiele różniące się wyniki pomiarów amperomierzem i te wyliczone z prawa elektrolizy. Również charakterystyka I₂ = f(I₁) pokazuje to samo (przy zachowaniu tej samej skali X-Y wykres jest linią prostą nachyloną pod kątem 45^o).

W punkcie 2 badaliśmy wydajność prądową elektrolizy siarczanu cynku. Z pomiarów wynika, że koszt elektrolizy jest tym niższy im niższe jest napięcie i im wyższa wydajność prądowa. Widoczne jest także to, iż przebieg procesu wyraźnie zależy od warunków przeprowadzania elektrolizy. Niższa niż 100% η ukazuje nam, że mamy straty w procesie. Mogą one wiązane być z nieuwzględnieniem reakcji ubocznych, oraz ze zwarciami i ucieczkami prądowymi.

---