Автор: Флеров В.Н.
Теги: питание приготовление пищи посуда электроника морской сборник издательство высшая школа прикладная электроника
Год: 1967
Текст
В. Н. ФЛЁРОВ
СБОРНИК
ЗАДАЧ
ПО ПРИКЛАДНОЙ
ЭЛЕКТРОХИМИИ
ДОПУЩЕНО
МИНИСТЕРСТВОМ ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР
В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ХИМИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»
Москва 1907
УДК 641.13 (076.1)
Валерий Николаевич Флёров
СБОРНИК
ЗАДАЧ
ПО ПРИКЛАДНОЙ
ЭЛЕКТРОХИМИИ
•
Редактор А. В. Бородина
Художник В. М. Лукьянов
Художественный редактор Т. М. Скворцова
Технический редактор Э. М. Чижевский
Корректор М. Н. Мелейникова
Т-05280. Сдано в набор 25/XI-G5 г. Подп. к печати
18/Х-66 г. Формат 70Х1081/82. Объем 9,123 печ. л.
Усл. п. л. 12,775. Уч.-изд. л. 10,91
ХИМ-242. Тираж 16 000 экз.
Цена 38 коп. Зак. 999
Тематический план издательства «Высшая
школа» (вузы и техникумы) на 1966 г.
Позиция Хе 86
Москва, И-51, Неглинная ул.} д. 29/14}
Издательство «Высшая школа»
Отпечатано с матриц Ярославского
полиграф комбината
в Московской тип № 4 Главполнграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Б Переяславская. 46
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем сборнике задач сделана попытка изло-
жить основные принципы технологических расчетов в
области электрохимии. Примерами расчетов охвачено
большинство электрохимических производств; техноло-
гические расчеты проведены в основном для электрохи-
мических аппаратов, применяемых в практике.
Приводимые расчеты, однако, не могут быть меха-
нически перенесены на более детальные расчеты элект-
рохимических процессов. Задачи, собранные в книге,
иногда для упрощения расчетов даны с допущениями,
которые не всегда могут быть приемлемы при более
точных расчетах. В ряде случаев было решено отказать-
ся от применения готовых расчетных формул, которые,
хотя и уменьшают объем расчетов, часто используются
студентами чисто механически.
Значительное внимание уделено в сборнике техноло-
гическим расчетам, основывающимся на тех разделах
теоретической электрохимии, которые сравнительно редко
применяются в прикладных расчетах (термодинамика,
числа переноса подвижность ионов и т. п.).
3
В таблицах, приводимых в приложении, собраны
основные данные, необходимые для решения задач.
Сборник разбит на главы, соответствующие основным
отраслям электрохимических производств. В каждой
главе приводятся примеры основных расчетов, а также
даны задачи для самостоятельного решения.
Все расчеты проведены с инженерной точностью,
с помощью логарифмической линейки.
Автор выражает глубокую благодарность проф.
Л. И. Антропову, проф. В. В. Стендеру, доц. А. Ф. Ни-
кифорову, докт. техн, наук М. Я* Фиошину за ряд
ценных замечаний, сделанных ими при рецензировании
рукописи сборника.
Все замечания направлять по адресу: Москва, И-51,
Неглинная, 29/14, изд-во «Высшая школа».
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Символ Размерность
Активность элекiролита а г-ион]л, моль]л
Атомный вес А
Влажность абсолютного воздуха W мм рт. ст.
Время процесса т ч, мин, сек
Выход по веществу Вв %
Выход по току Вт %
Выход по энергии вэ %
Г рамм-эквивалент э
Давление газов в мм рт. ст., атм
Давление газов парциальное Pl мм рт. ст., атм
Длина L см, м
Доля в токообразовании h %
Количество тепла Qt ккал, кал
Количество электричества (ем- кость)
теоретическое Отеор а-ч
фактическое Сфакт а-ч
Количество электронов, участ-
вующих в реакции Z
Концентрация электролита С г-зкв/л, моль]л,
г-ион/л
5
Символ
Размерность
Коэффициент активности 7/ —
Коэффициент использования ак-
тивного вещества ^псп %
Коэффициент электропровод-
ности температурный а —
Масса вещества g е, кг, т
Машинное время работы элек-
тролизера f доли, %
Молекулярный вес м
Мощность N ет, кет
Напряжение V в
Напряжение разложения ^разл в
Объем V см3, л, м3
Отдача по току 7т %
Отдача по энергии 7э %
Плотность вещества d г {см3
Плотность тока D см3, а!дм2, а/м3
Поверхность S см2, дм2, м2
Поляризация (катодная и анод-
ная) в
Пористость П %
Потенциал электрода <Р в
Рассеивающая способность элек-
тролита PC %
Расстояние межэлектродное / мм, см
Расход вещества
теоретический £теор г, кг
фактический £факт г, кг
Саморазряд %
Сила тока / ма, а, ка
Скорость движения и мм{сек, м/ч
Содержание вещества в смеси Pi %
6
Символ
Размерность
Сопротивление
омическое R
удельное р
Степень разложения соли Кр
Темп выхода подвесок (из ав-
томата или полуавтомата) тп
Температура ЛГ
Тепловое напряжение разло-
жения Ет
Теплоемкость с
Теплосодержание i
Термодинамический потенциал
Г иббса АФ
Толщина (металла, осадка
п т. д.) &
Удельная емкость источника
тока
по массе Qg
по объему Qv
Удельная емкость вещества а
Удельная мощность
по массе Ng
по объему N&
Удельный расход вещества т
Удельный расход электроэнер-
гии Wg
Удельная энергия источника
тока
по массе Wg
по объему
Универсальная газовая посто-
янная /?г
ом
ом! см
%
мин
°C, °К
в
кал!г-°C
ккал]кг
кал!моль
мк, мм, см
а»ч[кг
ач]л
а*ч!г
вт!кг
вт/л
г/а-ч
квт-ч!т
вт*ч!кг
вт • ч]л
дЖ'°С-моль
7
Символ Равмерность
Число переноса П/ доли
Число Фарадея Число электрохимических ап- F к, а-ч
паратов Шаг подвески (в автомате или п
полуавтомате) In см, м
Эквивалент электрохимический <7 г]а-ч, мг/ю
Электродвижущая сила (э. д« с) Электропроводность Е в
удельная X ом^-см"1
эквивалентная Л ом‘1-см2-г-экв'‘1
Энтальпия ЛЯ кал/моль
Энтропия S9 кал J°C-моль
ГЛАВА I
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ,
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В РАСЧЕТАХ
Электрохимическим эквивалентом q называется тео-
ретическое количество вещества, которое должно участ-
вовать в электрохимическом процессе при прохождении
через электролизер (или элемент) единицы количества
электричества. Электрохимический эквивалент обычно
выражают вг!а*ч шшмг/к. Вычисление его основано на
законах Фарадея, согласно которым
Л1 _ М
zF z26,8 ’
(1)
где М — вес моля вещества (или А — вес грамм-атома
вещества); z— число электронов в реакции; оно соответ-
ствует количеству фарадеев электричества, участвующе-
му в электрохимическом преобразовании одного моля
(грамм-атома) вещества; F — число Фарадея, равное
26,8 а-ч (или 96500 к).
Если q выражается в мг/к, то формула приобретает вид:
ЮРОМ
г 96 500
мг!к.
(!')
9
Расчеты количества реагирующего вещества по его
электрохимическому эквиваленту применимы для всех
видов электрохимических процессов — катодных и анод-
ных: для выделения на катоде металлов и газов, для
растворения анодного металла и выделения на аноде
продуктов электрохимического окисления, для электро-
химических процессов, протекающих без образования
новой фазы и т. д.
Значение электрохимического эквивалента для одного
и того же вещества может быть различным в зависи-
мости от вида электрохимического процесса, в котором
данное вещество участвует. Например, для сернокислых
растворов медного купороса, где медь двухвалентна, ее
электрохимический эквивалент равен 1,185 г!а-ч, а для
медиоцианистых ванн, где медь одновалентна, электро-
химический эквивалент меди вдвое больше и равен
2,37 г!а-ч.
При электролизе NaCl с выделением на аноде хлора:
NaCl + Н2О—NaOH + Н2+ -|-С12 ± ё
число фарадеев электричеству расходуемых на каждый
моль реагирующего NaCl, равно 1, т. е. z = 1. При полу-
чении гипохлорита z = 2:
NaCl + Н2О—> NaClO + Н2 ± 2е
При электролитическом получении хлората z — 6:
NaCl + ЗН2О—> NaC103 + ЗН2 ± бё
Электрохимические эквиваленты NaCl для этих процес-
сов будут равны соответственно 2,18 г!а-ч, 1,09 г!а-ч
и 0,545 г!а-ч.
Термин «электрохимический эквивалент» иногда при-
меняется и для веществ, химически взаимодействующих
10
в ходе вторичного процесса с продуктами собственно
электрохимической реакции, или веществ, получающихся
при этом процессе. Расчет электрохимического эквива-
лента в этом случае не отличается какими-либо особен-
ностями, так как вещества реагируют при вторичном
процессе в эквивалентном отношении.
Пример: Суммарная реакция в свинцовых аккумуляторах:
разряд
Pb + РЬО2 + 2HaSO4 Z=2 2PbSO4 + 2НаО ± 2F
заряд
электрохимические эквиваленты серной кислоты и воды в данном
процессе:
s0 = = 3 66 г1
Г 26,8 ' ’
o = = 0,672zja-ч.
1г° Л 26,8
Для расчета теоретического количества вещества
йтеор, которое должно участвовать в электрохимическом
процессе, достаточно умножить электрохимический экви-
валент q этого вещества па количество протекшего элект-
ричества Q:
бтеор = (2)
В большинстве реальных электрохимических процес-
сов количество фактически реагирующего вещества отли-
чается от теоретической, расчетной величины. Это мо-
жет быть обусловлено параллельным протеканием других
электрохимических реакций (например, одновременное
выделение на катоде цинка и водорода при электролити-
ческой экстракции цинка), взаимодействием катодных и
анодных продуктов (например, реакция мигрирующей
щелочи с хлором в хлорных электролизерах), взаимо-
действием электродных веществ с электролитом (напри-
11
мер, саморастворение магниевых анодов в магниевых
источниках тока), появлением шунтирующих замыканий
между электродами и т. д.
Степень отклонения количества фактически прореаги-
ровавшего вещества £факт от величины gTeop, рассчитан-
ной по законам Фарадея, характеризуется выходом по
току Вт для электролизеров и коэффициентом исполь-
зования активного вещества /Сисп для химических источ-
ников тока. Эти величины обычно выражаются в про-
центах и, реже, в долях единицы:
Вт =-100 %; (3)
бтеор
£Г
Кисп = 100%. (4)
^факт
В ряде случаев удобнее произвести расчет этих па-
раметров через отношение теоретически необходимого
количества электричества Qieop к фактически затрачен-
ному при процессе ффаит:
Вт = -§^100%; (5)
Чфакт
К„сп= >^100%. (6)
хтеор
Количество электричества Q применительно к хими-
ческим источникам тока (ХИТ) принято именовать
емкостью. При расчете теоретической емкости источника
тока следует учитывать, что активные вещества в раз-
нополярных электродах закладываются обычно в неэкви-
валентных количествах. Эта неэквивалентность может
усугубляться различием в значениях /Сисп разнополярных
активных веществ. Вследствие этого фактическая ем-
12
кость ХИТ обычно ограничивается емкостью только
одного из его электродов, тогда как другой электрод
еще может сохранять свою работоспособность и после
полного разряда ХИТ. Поэтому величина /Снсп активно-
го вещества этого электрода, рассчитанная на фактиче-
скую емкость ХИТ, может быть сильно заниженной
по сравнению с возможным значением Кжп, полученным
в условиях полного разряда электрода.
Емкость ХИТ может значительно снижаться вслед-
ствие его саморазряда, который связан с непроизводи-
тельной затратой активных веществ и электролита в
период бездействия, ухудшением электрохимической ак-
тивности электродных веществ и т. д. Величину само-
разряда Gq обычно выражают в процентах снижения
первоначальной фактической (или номинальной) емкости
(?факт за определенный период т бездействия ХИТ
QyT~Q- Ю0%, (7)
4 Чфактт
где Q. — емкость ХИТ после хранения в бездействующем
состоянии в течение времени т (в сутках, месяцах,
годах).
Отношение количества активного вещества, заложен-
ного в источник тока, к фактической емкости последнего
называется удельным расходом активного вещества и вы-
ражается в г!а-ч.
Важными параметрами ХИТ являются их удельные
характеристики:
удельная емкость ХИТ равна отношению величины
фактической емкости к массе или объему ХИТ:
Qg а. ч/кг. (8)
Q, = ^a-4U, (9)
13
удельная энергия ХИТ равняется отношению энергии,
отданной им при разряде, к массе или объему ХИТ:
Wg = вт • ч/кг; (10)
8
ет-ч!л. (11)
V
Удельная емкость и энергия ХИТ связаны между
собой соотношениями:
^ = QgVcp; (12)
= (13)
где Vcp — среднее разрядное напряжение ХИТ, в.
Значения удельных емкости и энергии в значитель-
ной степени зависят от режима разряда, который влияет
как на величину отдаваемой емкости, так и на рабочее
напряжение источника тока. Поэтому для большей срав-
нимости удельных емкостных и энергетических характе-
ристик разных систем и типов ХИТ чаще пользуются
данными «нормального режима» разряда.
В некоторых случаях при эксплуатации важную роль
играет удельная мощность ХИТ N, т. е. мощность, ко-
торую можно получить с единицы массы или объема
ХИТ в течение определенного времени разряда:
Ng в 7Р>!>рУсР emlK3't (14)
(14')
W /разр*—сила тока, a; Vcp — разрядное напряжение, в;
g — масса ХИТ, кг; v — его объем, л. Степень обратимо-
14
сти аккумулятора может быть охарактеризована его
отдачами по току и по энергии.
Отдачей по току -fr называется выраженное в процен-
тах отношение разрядной емкости аккумулятора к ко-
личеству электричества, принятому им при заряде
Тт = 100%.
чзар
Отдача по энергии у, равна выраженному в процен-
тах отношению разрядной энергии аккумулятора к энер-
гии, затраченной при его заряде
ъ = ЮО% = {^Р^р.разр тразр WOo/o. (1б)
**зар *зар У ср. зар тзар
(15)
Отдачу по энергии можно выразить через отдачу по
току
и
Ъ = Т1_^Е. (17)
v ср.зар
Равновесным потенциалом электрода <?равп называется
потенциал неполяризованного (неработающего) электрода,
находящегося в обратимом равновесии с электролитом.
Для некоторых электродов величину <рравн можно оп-
ределить непосредственно из эксперимента, используя
обычную потенциометрическую схему (например, потен-
циал медного электрода в сернокислом растворе CuSO4
средней концентрации). В ряде случаев наличие побоч-
ных и вторичных процессов в электродной системе может
сильно маскировать истинное значение величины <рравн;
в таких системах экспериментально найденная величина
потенциала бездействующего электрода уже не будет
совпадать с <рравн (например, цинковый электрод в раст-
воре HaSO4, когда образуется пара Zn — Н2; несколько
15
пассивирующийся никелевый электрод в растворе NiSO4
и т. д.). Для таких электродов равновесный потенциал
может быть теоретически рассчитан по изменению термо-
динамических функций в ходе основной электродной
реакции или же исходя из известных величин нормаль-
ного потенциала электрода и активностей компонентов,
участвующих в электродной реакции. Наиболее прост
способ расчета равновесного потенциала по уравнению
Нернста, им обычно и пользуются в прикладных расчетах
<Ррав„ = ?о+-^-1п^-, (18)
2 F ^восст
где <р0 — нормальный электродный потенциал (находится
по справочным таблицам); — универсальная газовая
постоянная, дж/моль-°С', Т— температура, °К; z— чис-
ло электронов, участвующих в реакции; F — число Фа-
радея, к; аок и авосст — активность окисленной и восста-
новленной форм вещества.
Подставляя в уравнение соответствующие значения
коэффициентов и переводя натуральный логарифм в де-
сятичный, получим выражение
। 0,0002 Т , Oqk / ю\
Трави = То Н-------1g —• (19)
2 авосст
Например, для окислительно-восстановительной реакции
Сг2ОГ +14Н++6е^ 2Сг3+ + 7Н2О
равновесный потенциал равен:
п 1— д14
. . ОС I 0,0002 Г . Cr»°, Н*
Трави 4” 1.36 4" 1g • (20)
0 Сг«+ Н.О
Активность иона
aiи Т А
16
где 7/— коэффициент активности; CL — концентрация
иона, г-z/cwlOOO г растворителя. Без большой погреш-
ности можно брать Cz и в грамм-ионах на 1 л раствора.
Напряжением разложения Е?азл в ваннах и электро-
движущей силой (э. д. с) в ХИТ называют разность рав-
новесных электродных потенциалов системы (не путать
с напряжением разложения электролита!):
£разл = фГн - пн; (21)
£хит = ?-ВН* <21')
У ХИТ под термином э. д. с. чаще, впрочем, понимают
разность напряжений на клеммах неработающего ХИТ,
что может несколько не совпадать с расчетной разностью
электродных потенциалов по причинам, указанным выше.
Значение Еразл может быть использовано при расчетах
теоретического удельного расхода электроэнергии Ц/теор
и выхода по энергии Вэ:
«-„op = ; (22)
В,= ^100 = -^-, (23)
И'фак г у в
где Ув — напряжение на ванне, в; Вт — выход по току, ?6.
Фактический удельный расход электроэнергии
\V7 Ув ЮО ,
Й^Факт =——вт-ч!г.
<?вт
Напряжение на работающей ванне VB больше £разл
на величины катодной и анодной поляризации т]к и ?]а
и значения омических потерь напряжения в электролите,
электродах и на контактах:
= Еразл + Ola — ^к) + № + IR" + Д^конт, (24)
17
где R' и R"— омические сопротивления электролита
и электродов.
Аналогично уравнение и для зарядного напряжения
аккумулятора.
Разрядное напряжение ХИТ, наоборот, меньше Ерззл,
вернее э. д. с., на те составляющие, которые указаны в
уравнении (24):
Уразр = £-(*]_- Т)+) - 1R' - IR" - ДРконт. (25)
Для ХИТ обычно объединяют все отдельные факторы,
вызывающие смещение напряжения от значения э. д. с.,
общим термином «внутреннее сопротивление» — Явнутр.
Следовательно, /?внутр включает в себя как собственно
омическое сопротивление ХИТ, так и «сопротивление
поляризации».
Явнутр = 41 + Я' 4- Я" + Яконт. (26)
Практически 7?внутр определяют, замеряя рабочее напря-
жение ХИТ при двух (или более) нагрузках
Явнутр = -^^-. (27)
Ч — *2
Полученное значение /?внутр действительно только для
интервала нагрузок 1± —12, так как поляризация не имеет
прямолинейной зависимости от силы (плотности) тока.
Степень участия вещества в электрохимическом про-
цессе в электролизерах характеризуется степенью раз-
ложения вещества и выходом по веществу.
Степень разложения вещества показывает, какая доля
этого компонента электролита подверглась электрохи-
мическому разложению за время процесса
к == .gOTM-gKOH ! 00 % t (28)
£нач
18
где £пач н £кон — начальное и конечное количество ве-
щества в электролите.
Выход по веществу равен отношению количества про-
дукта, полеченного за врс/.ш процесса, к тому его ко-
личеству, которое можно получи ib при полном превра-
щении всего исходного вещества, введенного в ванну:
Ви = ----------100%, (29)
gz —-
где gx — количество полученного продукта; — количе-
ство исходного вещества; и q> — электрохимические
эквиваленты полученного и исходного веществ.
В ряде случаев степень разложения вещества и вы-
ход по веществу имеют численно равные значения.
Важную роль в электрохимических вычислениях иг-
рают расчеты, основанные на принципах термодинамики.
В прикладных расчетах наиболее употребительны три
термодинамические функции — термодинамический потен-
циал Гиббса, иначе называемый свободной энергией при
постоянном давлении Ф; энтальпия И и энтропия 5Э.
Изменение термодинамического потенциала при ка-
ком-либо процессе равно максимально-полезной работе
ДФ = Лмакс.
Если эта максимально-полезная работа совершается при
электрохимическом процессе, то знание величины Лмакс
позволяет рассчитать э. д. с. — разность равновесных
электродных потенциалов
Амане = — ДФ = zFE. (30)
Изменение термодинамического потенциала при элек-
трохимическом процессе равно сумме термодинамических
потенциалов конечных веществ за вычетом суммы ДФ
2*
19
для начальных веществ самопроизвольно протекающей
реакции.
Пусть в элементе вида А[электролит)В протекает
реакция
а А + 6 В-> сС + dD ± ze,
где a.b.c.d — стехиометрические коэффициенты. Тогда
ДФ = (сДФс + б/ЛФо ) — (яАФа + 6ЛФв );
Е = — 4,18 —Дф =-------—,
z 96 500 г 23 060
где ДФ — выражено в калориях на моль, а Е — в вольтах.
Условимся в дальнейшем обозначать отношение =
= 23060 через FT,
Изменение энтальпии Д/7 при реакции численно рав-
но тепловому эффекту реакции при постоянном давлении,
отнесенному к одному молю реагирующего вещест-
ва, — QT (взятому с обратным знаком):
ДЯ = -СТ. (31)
Зная энтальпию отдельных соединений, участвующих
в электрохимической реакции, можно рассчитать ее те-
пловой эффект, использовав тот же принцип, который
был указан выше для расчета изменения термодинами-
ческого потенциала при реакции
ДЯ = 5дЯк0„ —2дянач. (32)
Критерием, позволяющим судить о направлении тер-
модинамических процессов в изолированных системах,
является энтропия 5Э.
20
Для об ческие фуь симостыо: фатимого процесса все эти три термодпиами- 1кции связаны между собой следующей зави- Ф = И — TS3, (33)
где Т — те Соглась :мпература, °К. ю уравнению Гиббса— Гельмгольца Дф = ДД + Т (34)
Можно вы; ^еть, что Д5 = ——, (35) дТ ’
но = d(—zFrE) =_zp dE_ (36) дТ дТ т дТ
поэтому bS^zF,.^, (37)
т. е.» зная определить химическо! ДЗЭ при электрохимической реакции, можно > температурный коэффициент э. д. с. электро- й системы (и наоборот) ^zFTE = \H — zFrT—-, (38) г dT v ’ Е==-~7Г+Т1¥' (39) z FT a I
Волыни протекать высокой с( яство электрохимических процессов должно в узком температурном интервале, т. е. при эалансированности прихода и расхода тепла.
21
Составление теплового баланса для таких электрохими-
ческих систем предполагает прежде всего правильное
определение количества тепла, выделяемого в электро-
лизере при прохождении электрического тока.
Как известно, количество тепла QT, выделяющееся
при прохождении электрического тока («джоулево теп-
ло»), равно:
QT - 0,239/V4 кал, (40)
где I — сила тока, а\ V — напряжение, в; т — время, сек.
Если т выразить в часах, то уравнение примет вид:
Q, = 0,239-330 W- - 860/IA кал. (41)
При электрохимических процессах в тепло может пе-
реходить, однако, не все количество затраченной элек-
троэнергии, а только часть ее, за вычетом энергии, по-
шедшей на химические превращения в системе
QT = 0,239//- —Q?, (42)
где Qt—тепловой эффект химического процесса (процес-
сов), отнесенный к количеству веществ, реагирующих
в электролизере при прохождении тока / в течение вре-
мени
Если в системе идет один химический процесс при
Вг = 100%, то
Q"=--QTn, (43)
где QT — тепловой эффект реакции, кал/моль] п — число
реагирующих молей вещества;
' = ~ («)
где z — число электронов, участвующих в реакции.
22
Тогда
(45)
Подставляя в уравнение (42) значение От из уравнения
(45) и проведя соответствующие преобразования, получим!
QT = 0,239/V. - /. = 0,239/. (v - *
—0,239/. fv 23060 г) кал'
(46)
Если QT и QT выразить в килокалориях и килокалориях
на моль соответственно, ат — в часах, тогда получим
QT -= 0,8601т iV — ) ккал.
1 \ zo,Uo z J
(47)
Если Вт не равен 100% и его снижение не обусло-
влено параллельным протеканием какого-либо другого
электрохимического процесса, а вызвано взаимодействи-
ем катодных и анодных продуктов или реагированием
их на электродах другой полярности с образованием
исходных веществ, то
QT = 0,860/. (1Z —ккал
\ ZtO , ио Z/
(48)
где Вт выражен в долях единицы.
При параллельном протекании нескольких электро-
химических процессов необходимо учитывать затраты
энергии на все химические процессы, идущие в системе
ккал, ^49)
23
где QT, Вт, z' относятся к одному электрохимическому
процессу; Qr, Вг, г" — к другому и т. д.
Вместо теплового эффекта реакции в уравнение мо-
жно подставить численно равную ему величину расчет-
ного изменения энтальпии А//, чем обычно и пользуются
при расчетах.
Уравнение теплового баланса можно видоизменить,
введя понятие так называемого «теплового напряжения
разложения» — ETt
= 23J36?" = 23,06? в’ (50)
Тогда
QT = 0,8607т (V — Ет В, — Ет Вг — . . .) ккал. (51)
«Тепловое напряжение разложения» включает в себя
как действительную величину напряжения разложения,
так и поправку на температурный коэффициент э. д. с.—
^ = Ь'разл-Т^-. (52)
al
ГЛАВА II
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
1. Электродный ламель щелочного аккумулятора,
в который запрессовано g = 7,5 г положительной окисно-
никелевой активной массы, состоящей из смеси Ni (ОН)2,
графита и растворов Ва (ОН)2 и NaOH, обладает разряд-
ной емкостью ффакт = 0.96 а-ч.
Рассчитать коэффициент использования /(исп гидро-
окиси никеля (II), если активная масса электрода содер-
жит 72,6% Ni(OH)2 (р = 0,726).
Решение
1) Основная электрохимическая реакция в электроде
Ni (ОН)2 + ОН* — е * NiOOH + Н2О
разряд
Изменение валентности никеля в такой реакции равно единице. По
этому электрохимический эквивалент гидроокиси никеля (II)
_ MNi(OH)2 92,7 _ 3 46 , „
<?Ni(OII)s------------П26Т ~ ’ 1 ‘
2) Количество Ni(OH)2, заложенное в ламель
^Ni(OH)2 = З'Р = 7,5’0,726 = 5,45 а.
25
3) Теоретическая емкость ламе ля
Стеор = .foKOH), = М5 = j >575
^Ni(OH)2 3,46
4) Определяем Кисп
Лисп = - >кт юо = Agg юо = 6i,o%.
2. Отрицательный электрод щелочного аккумулятора
с кадмиево-железной активной массой, содержащей
38,8% «общего» кадмия и 39,2% «общего» железа,
должен иметь фактическую разрядную емкость 2,5 а-ч.
Какова должна быть навеска активной массы на
электрод, если при таком составе массы коэффициент
использования Кисп кадмия равен 60%, а железа 31 %?
Какова доля каждого металла в тскообразовании?
Решение
1) Токообразующие реакции в электроде:
разряд
Cd 4- 2ОН- у" —* Cd(OH)2+2e
заряд
разряд _
Fe + 2ОН- <-----—» Fe(OH)2-f-2e
заряд
2) Электрохимические эквиваленты активных веществ (в пере-
счете на металл):
<?cd = -Al = . 112'4 . = 2,10 г!а-ч,
4Cd zF 2-26,8 ’
<7р. = Ае. = 55,85 = j 042 j
Чре zF 2-26,8 ‘
где ЛСс1 и ЛРе — атомные веса Cd и Fe; z—изменение валентности.
3) Определяем удельную емкость а активных веществ.
26
а) теоретическое значение а для отдельных компонентов:
аг. = --------=--------- = 0,476 а-ч1г\
Cd <7cd 2,10 ‘ ’
ар =---------- = —-— =0,96 а,'Ч1г\
Fe <?Fe 1,042 '
б) фактическая величина а для смеси:
асм = AaCd + AaFe = aCd pCd Кцсп + aFe /’Fe ^исп =
= 0,476*0,388«0,60 + 0,960-0,392.0,31 =0,111 +0,117 = 0,228 а-ч/г,
где Да — удельная емкость компонентов смеси в расчете на 1 г ак-
тивной массы; р — доля электродного компонента в массе.
4) Необходимая навеска активной массы на электрод
g = -$а-1 = -AL- = 10,95 г.
асм 0,228
5) Доля участия электродных компонентов в гокообразующем
процессе:
^Cd ~
= 21111 =0,487;
°см 0,228
AFe= 1 — Acd = 1 — 0,487 = 0,513,
3. Кадмиево-железная активная масса для электро-
дов щелочных аккумуляторов изготовлена смешением
100 кг CdO, 118 кг Fe3O4 и 6,5 кг солярового масла.
Сколько такой массы необходимо заложить в отрица-
тельный электрод, который должен иметь ффакт = 30а •«,
если при подобном составе массы/Сисп кадмия равен 62%,
а Кксп железа — 30%? Какова доля отдельных компонен-
тов активной массы в токообразующем процессе?
27
Решение
1) Электрохимические эквиваленты для активных компонентов
электродной массы равны:
„ MCd0 _ 128,4 9ап,,„„.
^О= — -Ж8 = 2,40 г]а-ч,
„ ^Fe3O4 231,5
nzF — 3.2.26,8 — 1,44 г1а‘ч>
где и—число атомов металла в молекуле активного вещества; г —
изменение валентности каждого атома металла в формированном элек-
троде (см. задачу 2).
2) Определим удельную емкость а активных веществ. Теорети-
ческое значение ее для отдельных компонентов смеси:
°CdO = = -2740“ = 01417 a-4^
’Feл = -9-"0;- = ТТГ = 01694 а"Чг-
Фактическая величина а для активной массы слагается из емко-
стей, отдаваемых отдельными компонентами 1 г массы:
°м = Л °CdO + ДаРе3О.4 =’CdoPCdO/(„ci? °Fe->°‘ РРе3О4 ^исп°41
(значения Кисп численно равны независимо от того, рассчитывают
его на металл или на его окисел).
100 100
Рао- Ю0+ 118 +6,5 ~ 224,5 -0,445’
118
₽FcaOd = 224,5’ = 015251
ом = 0,417.0,445-0,62+ 0,694-0,525-0,30 = 0,115+ 0,109 =
= 0,224 а-ч1г.
28
3) Необходимое количество активной массы на электрод
_ _0факт _ 134 г
ам 0,224 - 134 2-
4) Доля кадмия и железа в токообразовании:
АстСсЮ 0,115
ДСс1 — “ 0,224 “°,513’
AFe = 1 —0,513 = 0,487.
4. Плотность раствора серной кислоты в заряженном
свинцовом аккумуляторе d3 должна равняться 1,28 (кон-
центрация 36,87% по массе); в разряженном аккумуля-
торе dp = 1,10 (концентрация 14,35%). Сколько электро-
лита должно быть залито в полностью разряженный ак-
кумулятор с фактической емкостью (?факт =120 а-ч,
чтобы изменение плотности его электролита в процессе
заряда — разряда находилось в указанных пределах?
Каков будет при этом коэффициент использования H2SO4?
Решение
1) Суммарная электрохимическая реакция в аккумуляторе:
разряд
Pb + РЬО2 + 2H2SO4 -------> 2PbSO4 + 2Н2О ± 2F
заряд
Согласно суммарной реакции, при прохождении одного фарадея
(1F) электричества в ходе заряда аккумулятора будет израсходован
1 моль Н2О и выделится 1 моль H2SO4. Отсюда электрохимические
эквиваленты этих веществ:
МН,О 18,0
^Н2О — ZF ~ 1.26,8“ 0,672 г1а'Ч>
_ 98,1
^Н^О.- zF ~ 1-26,8 “ 3,66 г/а-ч,
29
2) Рассчитаем изменение содержания компонентов в электролите
аккумулятора в ходе его заряда. Израсходуется воды
^н.о •= ^н2о^факт ~ 0,672* 120 = 80,5 г;
выделится серной кислоты
£h2SO4 = ^н25О4Ффакт = 3,66* 120 = 440 г,
3) Обозначим массу электролита в разряженном аккумуляторе
41. Тогда количество H2SO4 в электролите разряженного аккумуля-
тора будет
. А 14’35
°H2sch “ 7,1 100 •
а содержание Н2О
85,65
&н2о — 100 *
В электролите заряженного аккумулятора содержание H2SC)4
равно
^H2SO4= (^1 0,1435 4~ г*
а количество Н2О
^н2о = (^1 0,8565 £н2о) г*
Состав электролита заряженного аккумулятора отвечает соотно-
шению
6HZSO4 А о, 1435 + 440 Ph2SO4 36,87
6н2о “А10,8565- 80,5 ~ рн о ~ 63,13 *
Отсюда Ai = 1365 г.
Объем электролита разряженного аккумулятора
Масса электролита заряженного аккумулятора
Ла = Л - gH 0 + gHaS04 = 1365 - 80,5 + 440 = 1724,5 а.
80
Объем электролша разряженного аккумулятора
1724’5 1ОЛА
°3='d7 =Т28“= 1346 МЛ'
4) Определяем коэффициент использования серной кислоты, рас-
считываемый как отношение количества кислоты, участвующей в элек-
трохимическом процессе, к общему количеству кислоты в электролите
заряженного аккумулятора:
^HasoA 100 _ 440_______
Л! 0,1435 + £h2so4 1365-0,1435+440
100 = 69,2 %.
5. Сухой воздушно-марганцево-цинковый элемент ем-
костью Q — 150 а-ч, ограничителем емкости которого
является положительный электрод, содержит положи-
тельной агломератной массы = 521 г. Исходная угле-
марганцевая смесь состоит из 35% марганцевой руды
(содержащей 90% МпО2), 45% графита и 20% активи-
рованного угля. На 100 г угле-марганцевой смеси берет-
ся 15,0 г нашатыря NH4C1 и на 100 г полученной сухой
смеси — 35,0 г электролита.
Каковы доли участия МпО2 и кислорода воздуха в
токообразующем процессе элемента, если коэффициент
использования МпО2 равен 60%? Каков удельный расход
агломератной массы на единицу снимаемой емкости?
Решение
1) Процентное содержание МпО2 в положительной активной массе
_ 35 100 100 _ л ,
Р — 90 100 ‘ 115 ’ 135 20’3%*
2) Количество МпО2 в одном элементе
20,3
£мпо.. = £мР = 521 ЮО = 105,8 г.
3) Емкость, получаемая с элемента за счет раскисления МпО2
^Мпо/^исп
1 ?МпО. *
31
электрохимический эквивалент МпО2 равен
У^М11О_,
?MnO2= zP
Отсюд 1
86,94
— 1-26,8 — 3,24 г1и'4-
105,8-60
Q' ~ 3,24-100 = 19,6 а'п-
4) Доля МпО2 в токообразующем процессе
Qi 19,6
ЛМпО, =-^- = -(50- 100 = 13,05%.
5) Доля емкости, получаемая за счет кислорода воздуха
До^ = ЮО — ДМп0 = 100— 13,05 = 86,95%.
6) Удельный расход агломератной массы
521
т =“150 = 3’47
6. Галетная батарея типа 54 АСМЦГ-5П, состоящая
из п = 43 последовательно соединенных марганцево-цин-
ковых элементов, имеет номинальную емкость 0=5,0 а-ч.
Рассчитать коэффициент использования МпО2, если на
изготовление положительных электродов батареи расхо-
дуется 3870 г активной массы = 3870 г), получаемой
добавкой 13 в. ч. электролита к 100 в. ч. сухой смеси. По-
следняя готовится смешением 100 в. ч. угле-марганце-
вой смеси с 10 в. ч. нашатыря NH4C1. Угле-марганцевая
смесь состоит из 84% марганцевой руды (содержащей
90% МпО2), 14,5% графита и 1,5% сажи. Каков удельный
расход угле-марганцевой смеси на 1 а-ч номинальной
емкости батареи?
Решение
1) Процентное содержание МпО2 в положительной активной массе
84 100 100
р = 90 100 • п0 • пз = 60,8%.
32
2) Количество МпО2 в одном элементе батареи
3870 60,8
£мпОг~ п р~ 43 ’100 -54-7 г-
3) Коэффициент использования МпО2
Кисп = -^МПОг- 100 = 5,°437’24 100 = 29,6%.
бМпО2 °4’7
4) Удельный расход угле-маргапцевой смеси
3870-100.100
"г= 113-110-5,0 — 623г/о-<г.
В расчете на один элемент:
т 623 л
- = —= 14,5 г1а-ч.
^i=
7. Рабочая поверхность S цинкового электрода мед-
ноокисного элемента типа МОЭ-250 (номинальная ем-
кость Q = 250 а-ч) равна 260 см2. Цинковые электроды
снабжены «индикаторными окнами» — углублениями с
заданной толщиной металла, которые должны разъедать-
ся после отдачи элементом определенной емкости.
Рассчитать толщину индикаторных окон — указателей
отдачи 75 и 100% номинальной емкости элемента.
Решение
1) Основная электродная реакция
Zn + 4ОН-------> Zn(OH)2- + 27
2) Количество цинка, растворяющегося при отдаче элементом но-
минальной емкости
g = qZnQ = 1,22-250 = 305 г.
3) Объем цинкового электрода, электрохимически растворяюще-
гося при отдаче номинальной емкости
g 305
vZn =-^z7 = 7,14 = 42,7 см3‘
33
4) Толщина индикаторного окна, соответствующего 100% номи-
нальной емкости элемента
и7п 42,7
oj = ' 5 - = ~164 см = 1,64 мм.
5) Толщина цинка в индикаторном окне— указателе отдачи 75%
емкости
о2 = 0,75 = 0,75-1,64 = 1,23 льи.
8. В батарейном колодце установлена батарея из
и — 20 последовательно соединенных воздушно-цннковых
элементов, разряжающихся непрерывным током I = 0,5 а.
Какой объем кислорода расходуется за час работаю-
щей батареей? Через какое время будет израсходовано
10% кислорода, содержащегося в атмосфере герметиче-
ски закрытого батарейного колодца? Газовый объем ко-
лодца = 3,0 Л13.
Решение
1) Суммарная реакция в элементе
О2 + 2Zn + 4КОН + 2Н2О------> 2K2Zn(OH)4 ± 4F
2) Электрохимический эквивалент кислорода
22400 22400
zF = 4-26,8= 209 мл!а'4’
где 22 400 мл—объем, занимаемый 1 молем газа в нормальных усло-
виях (0сС, 760 мм рт. ст.).
3) Часовой расход кислорода батареей элементов
0,5-1.209.20
ио2= 1^0 п =-----[ООО-----= 2109 л!ч-
4) Парциальный объем кислорода в батарейном колодце
V1 = укро = 3000-0,21 = 630 л,
где Pq — содержание кислорода в воздухе.
84
5) Время, за которое израсходуется ’/io кислорода в батарей-
ном колодце
^0,1 630-0,1
т- t>o, - 2109 — 30,1 ч.
9. Положительная активная масса для цинк-иодатно-
го элемента Z^H2SO4j КЮ3(С) состоит (без связую-
щего) из 57,1/о КЮ3, 40,8?о графита и 2,Г?о сажи.
Электролитом служит 8,0 и. серная кислота (С”р'^0 =
= 392 ?/л) с добавками.
Какой объем электролита требуется для последова-
тельно соединенной батареи номинальной емкостью Q
= 1,5 а-ч, состоящей из 102 элементов, если «полезный»
коэффициент использования кислоты равен 55?о? Како-
вы будут конечные концентрации H2SO4, ZnSO4, 12 и
K2SO4 в электролите, если 6% H2SO4 (/<Н0Т)тратится на
химическое взаимодействие с цинком (объем электроли-
та в ходе разряда считать неизменным)? Каково должно
быть количество сухой положительной активной массы
для батареи элементов при коэффициенте использования
КЮ3, равном 58%?
Решение
1) Суммарная реакция в элементе
5Zn + 2КЮ3 + 6H2SO4---------> 5ZnSO4 + I2 + K2SO4 + 6H2O ± 10F
2) Электрохимические эквиваленты:
2MKIO, 2-214,0
<?KIO,— zF ~ 10-26,8 — •-бч г/«-ч;
6ЛЧзо4 6-98,1 _ ,
<?HJSO4— zF ~ 10-26,8 —2-20 гЛ'ч‘>
5zVgnSO, _ 5-161,4
<7znSO — zF ' ~ 10-26,8 “3,01 ^a'n'
35
253,8
4l2~ zF ~ 10-26,8 ~ °O46 г/а-ч;
A,K2SO4 174,3 „ ,
£k2so,— zf — 10-26,8 — °>65 г1а‘ч-
3) Необходимое количество положительной активной массы на ба-
тарею
^KIO.Q 1,60-1,5
^'1 = /<КЮ, -rt= 0,58-0,571 102 — 740 г.
4) Необходимы!! обьем электролита на батарею
2,2 *1,5
— ydLsOj ^нач 0 55*392 = 1,56л = 1560 мл.
5) Копией!рация IHSOj в отработанном электролите
гк.ж _ Г1:ач [ 100 - (Кисп + кпот)) w 100 - (55 + 6) _
HI.-SO.-H-LSO,.-------uo--------------------------100----------
= 153 г/л
0) Колччесню ZnSO4, образовавшегося:
а) ври разряде
g/nSO, = <7znSO,<?'’ -= 3,01-1,5-102 = 461 г;
б) при химическом взаимодействии цинка с серной кислотой
g =С?;До ,т -'И/"ч°' -=392 • 1,56—L - ,.16|-4 =бо,3г
eznso4 ii.so. ->т Л!)1 jO юэ 9811
7) Общее количество образовавшегося ZnSO4
SznSO; =461 + 60,3 = 521,3 г.
8) Концентрация ZnSO4 в отработанном электролите
^ZnSOt 521,3
cznso4 =: = *1756” = 334 г^л-
36
9) Концентрация 12
. Qu
С, =—~-----
К v3
0,946-1,5.102
1,56
= 92,8 г/л.
10) Концентрация K2SO4
0,65-1,5-102
CK2so,“ 1,56 = 63,8 г/л.
10. Фактический коэффициент использования свинца
в активных массах свинцового аккумулятора составил
на десятом цикле (при полном заряде и разряде элект-
родов) в положительном электроде /<1'1сп =55%, в отри-
цательном электроде /<('рп = 65%. При этом возможная
фактическая емкость отрицательного электрода пример-
но на 30% (Д = 1,30) превосходила емкость положитель-
ного электрода, которая на этом цикле была равна но-
минальной емкости аккумулятора. Положительная актив-
ная паста содержит р\Ю[У -= 85,0% «свинцового порошка»,
отрицательная активная паста — р"пор = 82,1 %. В «свин-
цовом порошке» 58% РЬО, остальное— металлический
свинец.
Какое количество положительной и отрицательной
паст потребно для изготовления аккумуляторной батареи
из 6 последовательно соединенных аккумуляторов номи-
нальной емкостью Q= 125 а-ч,если потери пасты в про-
цессе изготовления составляют 1,5%’(К,10Г = 1,015)?
Какой объем электролита и какой концентрации дол-
жен быть залит в новую батарею если электролит пол-
ностью заряженного аккумулятора должен иметь плот-
ность 1,28; а в разряженном аккумуляторе—1,10 г/см3
(аккумулятор!;! выпускаются в разряженном состоянии
при разряжениссти электродов ^80?о от их фактиче-
ской емкости на десятом цикле)?
37
Решение
1) Суммарная реакция в аккумуляторе
р.1 фяд
Pb + РЬО. -I- 21I ,SO4 2PbSO4 + 2Н ,0 ± 2F.
3.1 ряд
2) Процентное содержание свинца в пересчете на металлический
в «свинцовом порошке»
207,2
Ррь = 42 + 58‘ "22372 = 95’8%’
где 207,2 — атомный вес свинца; 223,2 — молекулярный вес РЬО.
3) Электрохимический эквивалент свинца Qpb = 3,87 г[а-ч. Вели-
чина 7рь одинакова для положительного и отрицательного электро-
дов, так как в обоих электродах изменение валентности свинца оди-
наково.
4) Количество положительной активной пасты, требующееся для
одной батареи из 6 аккумуляторов (/г — 6)
?PbQ 3,87-125
£+= pi/ к' ^пот'г= 0,958-0,85-0,55 1.015-6 = 6580 г.
Ppb." пор х исп
5) Необходимое количество отрицательной активной пасты
<7рь<2л 3,87-125-1,30
8~ = Рп„" к" ^"от'г = 0,958-0,821-0,65 1.015-6 = 7480 г.
^РЬ/'пор *'ИСП
6) При заряде полностью сформированной разряженной батареи
образуется H2SO4
AfH so 98,1
= ^h2so4 Qn ~ р Q п= 26,8 ^5-6 = 2750 г,
поглотится Н2О
18
Хо = 125-6 = 504 г.
“ /0,0
(не учитываем разложение воды при выделении Н2 и О2 на электродах).
Обозначим массу электролита разряженной аккумуляторной бата-
реи Д4. Тогда количество H2SO4 после заряда
#H2SO4 = °’1435
38
количество Н2О после заряда
^н.о = 0,8565/4! — v2,
где 0,1435 и 0,8565 —доли II2SO4 и ILO в растворе серной кислоты
ПЛ01НОС1ЫО 1,10
Определим массу электролита Л4 заряженной батареи из соотно-
шения
£h2SO, 0.1435/1!-1- 2750 36,87
£lLO = 0,8565/h— 504 = 63,13 ’
где 36,87 и 63,13 —с держание H2SOi и Н2О в кислоте (d3 = 1,28).
Отсюда Л4 -- 8530 г.
Объем электролита разряженного аккумулятора
Л _8530
— dP ~ 1,10 -7'7ол-
Масса электролита заряженной батареи равна
Л2 = Л + лд — х2 = 8530 + 2750 — 504 = 10 776 г.
Объем электролита заряженной батареи
Количество H2SO4 в электролите после заряда
х3 10 776-0,3687 = 3976 г.
Количество НЮ в электролите после заряда
лд = Л.2 — Ад = 10 776 — 3976 -= 6800 г.
7) Емкость, которую необходимо затратить для заряда электро
дов новой батареи (без учета выхода по току):
а) для положительных электродов
Qi = 125 0,8 = 100 а-ч\
б) для отрицательных электродов
Q2 = 125-0,8.1,30 = 130 а-ч.
При прохождении первых 100 а-ч (когда заряжаются оба электрода)
протекает реакция:
2PbSOi + 2Н2О--------> Pb + РЬО2 + 2H2SO4 ± 2F
39
При этом выделится II2SO4
М11 .so. 98,1
Л'5= —у-— Qxn = -2-£-у- 100.6 = 2200 г,
поглотится Н2О
AfH о 18
х6 =----рт— Qiti = - 20 100-6 = 403 г.
При протекании следующих 30 а-ч (когда заряжается только отри-
цательный электрод) в аккумуляторах идет реакция
PbSO4 + Н2О--------> РЬ+4- О2 + H2SO4 ± 2F
При этом выделится H2SO4
98,1
х7 = 2~2q з 30-6 = 329 г;
разложится Н2О
А 8 = ~2^26 8 30 • 6 = 60,5 г.
Всего выделится H2SO4
х9 = х5 + а'7 = 2200 + 329 = 2529 г,
будет удалено Н2О
А'ю = Xq -|~ A'g = 403 ~f~ 60,5 == 463,5 а
(в расчете не учитываем разложение воды при выделении Н2 и О2 на
электродах).
8) В кислоте, заливаемой в новую батарею, должно содержать-
ся серной кислоты
хп = х3 — х9 = 3976 — 2529 = 1447 г,
воды
х12 = х4 + Хю = 6800 + 463,5 = 7263,5 г.
40
Концентрация исходной кислоты, заливаемой в новую батарею
,гп 1447
IHeSQJ,,,. = 100 = 7263,5 ^-447 100 = 16,6 %,
что соогве1С1вуег плошосги 1,117 г/см'\
Объем исходного электролита
х12 + ап 7263,5 + 1447
Упач- d ~ 1,117.1000
11. Составить баланс потребности в материалах для
изготовления активных масс 100 кадмий-никелевых ак-
кумуляторов номинальной емкостью QHOM = 50a-«z.
Исходные вещества: гидроокись никеля (II) с содер-
жанием «общего» никеля pNi=58%; «восстановленное»
железо, содержащее 71% «общего» железа; окись кад-
мия с содержанием «общего» кадмия 87%.
Состав положительной активной массы: 75.5% гид-
роокиси никеля (II); 18,8% графита; 1,9% Ва(ОН)2-8Н2О;
3,8% раствора NaOH плотностью 1,10.
Состав отрицательной активной массы: 70% окиси
кадмия, 26% «восстановленного» железа, 4% солярово-
го масла.
Превышение фактической емкости аккумуляторов над
номинальной 10?о (Л\ = 1,10). Избыток фактической ем-
кости кадмиевого электрода над емкостью окисно-нике-
левого электрода 20% (/<2= 1,20). Коэффициенты ис-
пользования активных веществ при полном заряде и
разряде электродов: /<исп никеля 60?6; /Снсп кадмия 65%;
/<исп железа 18%. Потери активных масс при изготов-
лении электродов 1,2% (^от = 1,012).
Решение
1) Ампер-часовая емкость всей пар]ни аккумуляторов (равная
суммарной емкости окиспо-никелевых электродов)
<2факг " Сном КгП = 50.1,1.100 = 5500 а-ч,
где п — количество аккумуляторов.
41
2) Электрохимические эквиваленты активных веществ:
</ч,= - 'V'L = 5_8:7_ =-2,19 г/а ч;
/N| /• 26,8
112,4
</с,! 2-26,8; — 2’ 10 г!а'ч’>
55,85
qFe ==2-2Ь,8== 1,042 г1а'4'
3) Необходимое количество положительной активной массы на
партию аккумуляторов
7 ' 2 19
------ <гфакЛпот= 0 58:0>755 5500-1,012 =
' Ni ' Ni (ОН)2
= 27800 г = 27,8 кг,
в том числе тдроокисн никеля (II)
75 5
27,8 —j^j— = 21,0 кг,
графи i а
18,8
27,8 “Joo- — 5,2 кг,
гидроокиси бария
1,9
27,8 уэд - - 0,533 кг,
рас 1 вора NaOII плотнос!ыо 1,10
3,8
27,8 1^= 1 ,056 кг,
твердого NaOH
8,99
1,056 —j-QQ— = 0,095 кг,
где 8,99% — содержанке NaOII в растворе.
42
4) Фактическая емкость отрицательных электродов всей аккуму-
ляторной партии
Q,|,.,Kr= 4,К, ^- 5500-1,20 - 6600 а-ч
5) Удельная емкость отрицательной активной массы
= д aCd + д ’fc = P'Cd Р’СЛ Рре Рр" =
= • g1} 0,87.0,70.0,65 + ) q42 0.71.0,26-0,18 = 0,2205 а-ч/г,
где р'— содержание металла в соответствующем активном веществе;
р" — содержание данного активного вещества в смеси.
6) Удельный расход отрицательной активной массы
1 _ 1
т- = "аТ ~ 0?2205 = 4 ’5 4 г/а'"
7) Потребное количество отрицательной активной массы
£_ = /и_(?факт 7<пот = 4,54-6600.1,012 - 30 30J г = 30,3 кг,
в том числе окиси кадмия
70
30,3- Удо = 21,21 кг,
«восстановленного» железа
26
30,3 jQQ = 7,88 кг,
солярового масла
4
30,3 ioo= 1,21 кг.
12. Гидроокись никеля (II), идущую для приготовле-
ния положительной активной массы щелочных аккуму-
ЗВ* 43
ляторов, получают взаимодействием растворов NiSO4 и
NaOH
При этом
= 186 г! л)
= 352 г/л). В конце процесса в
NiSO4 + 2NaOH Ni(OH)2 + Na2SO4
раствор NiSO4 плотностью 1,18 (CNiso4 =
постепенно приливают к раствору NaOH
плотностью 1,30 (Ск.юн ~
образовавшейся пульпе должен сохраняться избыток
NaOH (CN l0H^ 9 г/л).
Рассчитать суточный расход растворов NiSO4 и NaOH,
необходимый для обеспечения выпуска щелочных ак-
кумуляторов общей емкостью 0,5-106 а-ч/сутки. Коэф-
фициент использования никеля в положительных элект-
родах АГИСП = 55°6. Потери активного вещества на всех
технологических операциях 2,0?6 (/СПот = 1,02). Для прос-
тоты расчета принять, что объем конечного раствора
равен сумме объемов растворов NaOH и NiSO4. Какова
объемная концентрация Ni(OH)2 и Na2SO4 в полученной
пульпе? Каковы удельные расходы NaOH и NiSO4 на
1 а-ч емкости аккумуляторов?
Решение
1) Электрохимический эквивалент Ni(OH)2
_ MN'i(OH); 92,7
%ОН)2 - - 1.26,8 ~3’46г/й’4-
2) Удельный расход Ni(OH)2 на 1 а-ч емкости аккумулятора
^Ni(OHh 3,46
“мои» = ' К Кпт = ТЗГ 1.°2 = 6,42 г]а-ч.
Мциг1)2 Лисп и, Ou
3) Количество Ni(OH)2, необходимое для обеспечения суточной
производительности
gi =mNi(OH) Q = 6’42'50°000 = 3210000 г = 321° кг-
44
4) Суточный расход твердого NiSO4 (безводного)
= =3210 1^ = 5360 к г,
ywNi(OH)2 92,7
где М — молекулярные веса соответствующих соединений.
5) Необходимый объем раствора NiSO4
Ui =___________5360000 = 28800 л
1 - "“186
CNiSO.
6) Суточный расход твердого NaOH (100%-ного) для реакции
£з=?1 -4-N,'0H-=3210 44г=2770 кг
Ni(OII)2
7) Стехиометрнчески необходимый объем раствора NaOH
реакции
ДЛЯ
v2 =___—______= j..770 003 = 7870 Л.
CNaOH 352
8) Объем конечной суспензии без избыточной щелочности
т’з = + ^2 = 28 800 + 7870 — 36 670 л
9) Объем раствора NaOH, нужный для придания суспензии
быточнон щелочности
из C’n.iOH
и4 =
113-
36 670-9
с — с' “ 352—9 “ 962 Л'
CNaOll CNaOH
где CNa0H — концентрация NaOH в суспензии
10) Суточный расход раствора щелочи
vb = v2 + у4 = 7870 + 962 = 8832 л.
11) Общий расход твердого NaOH (100%-ного)
352-8832
^4 —CNaO1i v5 — 1000 ~3110 кг.
12) Объем подщелоченной суспензии, получаемой за сутки
ив = щ 4- V5 = 28 800 4- 8832 - 37 632 л
46
13) Содержание Ni(OH)2 в суспензии
3 210 000
37 632 — 85,2 г1л'
14) Концентрация Na2SO4 в суспензии
3210000-142,06
37 632-92,7 = 131 г/л.
г —
cNi(OH)2 - v6
5 360 000
500 000 = Ю,72 г/а-ч;
3 110 000
= 6,22 elа-ч.
_ Si ^Na.SO,
Na2SO4 — ye MNi(QHb
15) Удельные расходы:
а) безводного NiSO4
g'2
mNiSO4— Q — '
б) 100%-ного NaOH
_ g4__________
mNaOH — q — 500 000
13. Провести конструктивный расчет кадмий-никеле-
вого аккумулятора типа КН-50 (номинальной емкостью
Qhom = 50 а-ч). При восьмичасовом режиме разряда
электродная плотность тока D должна составлять при-
мерно 8,0 ма/см2. Крайними электродами аккумулятора
являются положительные пластины. Кажущаяся плот-
ность спрессованной отрицательной активной массы d_=
= 4,2 г!см\ положительной активной массы d+ = 1,9 г/см'
(состав активных масс — см. задачу И).
Решение
1) Дктивная поверхность отрицательных электродов
Q 50-1000
51 “ т D “ 8-8,0 “ 782 см ’
где т—время разряда, ч.
В электрохимическом процессе участвуют обе стороны электро
дов. Поэтому их площадь S2 составит
Si 782
$2 — 2 — 2 — 391 С'И2.
46
2) Из конструктивных соображений (чтобы аккумулятор имел
достаточную ширину), принимаем четыре отрицательных электрода
в аккумуляторе; высота электрода по тем же соображениям должна
быть на ’/з больше его ширины.
Отсюда площадь одного электрода равна
S2 391 _ „ „
S3 = -j" = -4- = 97,7 см2.
Если ширина электрода а, то высота его равна 1,33 а. Зная
площадь электрода, находим его размеры:
S3z=u-l,33a= 1,33 а2 = 97,7;
а = 8,57 см\
высота электрода b равна
3) Объем спрессованной отрицательной активной массы на один
аккумулятор (без учета потерь):
30 300
V1== nd-Лпот ~ 100-4,2-1,012 “ 71,3 СЛ‘Л
(значения g_, п, Лпот взяты из задачи 11).
4) Толщина отрицательных электродных брикетов
и, 71,3
о_ = у- = 39] " = 0,182 см = 1,82 мм.
5) Положительных электродов аккумулятора на один больше,
чем отрицательных, т. е. /г( =5. По площади одиночные положи-
тельные и отрицательные электроды равны. Находим площадь всех
положительных электродов
S4 = S3 п+ = 97,7• 5 = 488 см2.
6) Объем спрессованной положительной активной массы
g, 27 800
Vi~nd,Kn0T ~ 100-1 9-1,012 -144.5 6™'1
(значения g±, п, Киот взяты из задачи 11); g± в задаче 11 рассчи-
тано с учетом потерь; в данном случае потери не принимаются во
внимание, поэтому в знаменатель вводится поправочный коэффи-
циент /Спот-
47
7) Толщина положительных электродных брикетов
144,5
б, = --лqд— = 0,296 см = 2,96 мм.
т Чоо
Примечание. При автоматизированном процессе получения
электродных брикетов определенной толщины расчет обычно ведется,
исходя из емкости, отдаваемой ламелем стандартной толщины и оп-
ределенной длины. При этом способе расчета у всех аккумуляторов
одинаковая электродная плотность тока т-часового режима разряда,
а избыток емкости электрода одной полярности над электродом про-
тивоположной полярности зависит от количества однополярных элект-
родных пластин в аккумуляторе, так как от этого зависит соотно-
шение активных масс.
Объем электролита щелочных аккумуляторов рассчитывают, ис-
ходя из необходимого межэлектродного зазора, наличия свободных
пространств в аккумуляторе и пористости электродных масс. При
расчете габаритов аккумуляторного сосуда учитывается необходи-
мость некоторого газового пространства над электролитом и шламо-
вого пространства под электродным блоком.
14. Емкость свежезаряженного щелочного аккумуля-
тора типа КН-60 равнялась 68,3 а-ч. После месячного
бездействия в заряженном состоянии емкость того же
аккумулятора составила 53,4 а-ч.
Определить саморазряд аккумулятора.
Решение
Qo~ 68,3 — 53,4
Gq= Qo'c = 68,3-1 100 = 21,8%/месяц.
15. Габариты серебряно-цинкового аккумулятора ти-
па СЦ-50 равны 64X49X 165 мм, масса £ = 0,84 кг. При
разряде током 5,0 а аккумулятор проработал т=12 ч
20 мин, из них 1 ч 25 мин (z = 1 ч 25 мин) при на-
пряжении и — 1,75 в, остальное время при гГр =
= 1,51 в. Каковы удельные характеристики аккумулятора?
48
Решение
1) Разрядная емкость аккумулятора
/ 20 \
Q = /t = 5,0 12+ -gp 1 = 61,7 а-ч.
2) Отданная энергия
U7 = Ql/cp = Q (+ и;р +++ ) =
(1 • ои -ь _____
12-60 + 20 1>75 +
(12-60 + 20)—(1-60-1-25) , с,
-------------------------- 1,51
12-60-1-20
= 61,7-1,536 = 94,8 вт-ч.
3) Объем аккумулятора
v = 6,4-4,9-16,5 = 517 см3 =0,517 л.
4) Удельная емкость:
по массе
Q 61,7
Qg = =73,4 а-ч1кг\
по объему
О 61,7
Qv = ~ = 0,517 = 119,3 а-ч1л.
5) Удельная энергия:
по массе
W 94,8
^ = — = -Q-gj- = 113 вт-4/кг-,
по объему
W 94,8
— и = 0 517 —163,5 вт-ч1л.
16. Хлор-серебряно-магниевая батарея разряжается
током 1,1 а на 1 см3 объема батареи при среднем
49
напряжении 1,35 в. Какова удельная объемная мощность
разряда батареи?
Решение
N v = Dv Vcp = 1,1-1,35 = 1,485 вт • ч/слР— 1,485кв//г • ч/л.
17. Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-70
заряжалась током 6,5 а в течение 14 ч при среднем на-
пряжении 6,8 и. При разряде током 7,0 а батарея от-
дала свою емкость за 10 ч 30 мин при среднем напря-
жении 5,95 в. Какова отдача батареи по току и энер-
гии?
Решение
1) Отдача по току
/р 1 р тр,пр 7,0-10,5
тт = 4-E-L-P 100= —7100 = 80,8%.
|Т /зар^з.|р 0,0-14 ’ 'и
2) Отдача по энер! пи
1/СР е п-
7э = 7т _J22L_=80,8 = 70,7%.
1Э ,Т L'CP 6,8
k,p
18. При заряде 6-часовым режимом (током 15 а) же-
лезо-никелевого акку мулягора тина ЖН-60, органичи-
телем емкости которого является скпсно-пикелевый
электрод, за первые 3 ч процесса выделилось v' = 5,1 л
газа (объем приведен к нормальным условиям с вычетом
паров воды) с парциальным давлением кислорода Р'^ =
= 0,192 атм и водорода Рн _ 0,8и8 атм В последую-
щие 3 ч заряда выделилось v" = 11,2 л газа с Ро =
= 0,395 атм и Р\{ = 0,605 атм.
Рассчитать отдачу аккумулятора по теку за первые
и последующие 3 ч заряда, а также общую отдачу по
50
току глубину разряда электродов принять одинаковой
по циклам).
Решение
1) Так как ограничителем емкости аккумулятора является оки-
сно-никелевый электрод, то отдачу по току рассчитываем по коли-
честву кислорода, выделяющегося на этом электроде.
Электрохимический эквивалент кислорода
22 400
% = -4-2М’=209 мл1а-4'
2) Количество кислорода, выделившееся за первые 3 ч
v-i = v' P'Q = 5,1-0,192 = 0,978 л.
3) Отдача по току за этот период заряда
/т-Л- 978
15*3 909
' =-------100 =-----------f[f- Г 100 = 89,6%.
•т /т 15 • 3
4) Количество кислорода, выделившегося за последние 3 ч за-
ряда
v ==v" Р" = 11,2-0,395 = 4,42 л,
о2
5) Отдача по току за последние 3 ч заряда
4420
15-3 900
” =----------2ЦУ 100 = 53 2%.
6) Средняя отдача по току
7т + 7-
7т — 2
89,6 4-53,2
2
= 71,4%.
19. Рассчитать э. д. с. свинцового аккумулятора
РЬ | H2SO41РЬО2 по значениям равновесных потенциалов
его электродов при 4- 25^С и плотности раствора H2SO4:
а) 1,20 г!см3, б) 1,12 г!см3.
61
Решение
1) Электродная реакция на отрицательном электроде
Pb + SO*- PbSO4 + 2ё
на положительном электроде
РЬО2 + SO*- + 4Н+ PbSO4 + 2НаЭ—2~
2) Определяем э. д. с. аккумулятора:
£ = <р+ -
, RT , [Ок.]
ф фо т гр п [Восст.] ’
_ - . 1 67-1- °’059 la °SO‘'_ °Н+ •
ф+ = + 1,67 + —— 1g — -----------;
2 ан2о
п „г °,°59 ,
ф- = —0,35——— lgaS02- I
0 059
£ = ?+-?. = 2,02+ ^ф9 1g Л------------=
2 “н2О
°SO2- аН+
= 2,02 + 0,059 1g--;
ан2о
так как
aS02- °2Н+ =<3H2SOt>
4
поэтому
Е = 2,02 + 0,059 1g /'н^°. .
аН2о
52
При плотности раствора серной кислоты 1,20 моляльность его
равна 3,84, коэффициент активности 7 =0,166 [1]; при плотности
раствора 1,12 моляльность равна 2,1 а 7, =0,125. Активность во-
ды в этих растворах аН20 равна, соо!ветственно, 0,790 и 0,907.
Тогда npndH2SO4 = 1,20
3,84-0,166
= 2,02 + 0,059 1g —Q-79Q------ 2>^15 в.
При dHSO = 112
2,1-0,125
£2 = 2,02 + 0,059 1g •—0~9^— = 1,988 в.
20. Рабочая поверхность S однополярных пластин
одиночного свинцового аккумулятора батареи ЗМТ-7
равна 130 см2. В межэлектродном пространстве с I =
= 3,0 мм установлены деревянный сепаратор толщиной
/2 = 1,0 мм и стекловойлочный толщиной /3 = 0,5 мм.
Объемная пористость П: а) у деревянных сепарато-
ров ~ 70%; б) у стекловойлсчных ~88%. Коэффициент
извилистости пор К у деревянных сепараторов и у стек-
ловойлочных соответственно 1,5 и 1,15.
Рассчитать падение напряжения в электролите меж-
электродного пространства одиночнс го аккумулятора
при разряде его током 2,8 а: а) в начале процесса, ког-
да плотность электролита — раствора серной кислоты
dHSO = и б) в конце разряда, когда dHS0 = 1,12.
Удельная электропроводность электролита:
х = 0,707 ом~1>см~1; к = 0,607 олг^слг1.
1,28 1,12
Решение
Сопротивление электролита складывается из сопротивления
электролита /?эл в свободных зазорах между электродами и сепара-
торами и сопротивления электролита в порах сепараторов — дере-
вянного /?д и стекловойлочного RCT.
53
1) Сопротивление электролита в заряженном аккумуляторе
= /?эл 4- Rx ,!- R„ =
1 /> , 1 ltKl , 1 l3K-2
~ \2S ' s + \28 ’ ' ^,28 ’ Srl* "
1 /0,30 — 0,15 0,10-1,5 r 0,05-l,15\
= 0,707 130 + 130-0,70 130-0,88 y= 0,00467 ом,
где lv = I — (Z2 + Аз) — толщина межэлектродпого слоя электролита,
не занятого сепараторами.
2) Падение напряжения в электролите в начале разряда
Д Vj = = 2,8-0,00467.1000 = 13,1 мв.
3) Сопротивление электролита плотностью 1,12
1 / 0,15 0,10-1,5 0,05-1,15\ _
0,607 130 + 130-0,70 + 130-0,88 00545 ом,
4) Падение напряжения в электролите в конце разряда
A V2 = //?2 = 2,8-0,00545-1000 = 15,3 мв
(в расчете не учитывалось падение напряжения в электролите внут-
ри пор активного вещества).
21. Каково внутреннее сопротивление аккумулятора
типа КН-100 в середине его разряда, если в этот мо-
мент его напряжение при 20-часовом режиме разряда
равно 1,22 в, а при 2-часовом режиме 1,09 в?
Решение
1) Сила тока разряда при 20-часовом режиме
Q 100
/20 = х — 20 “ 5,0 а’
при 2-часовом режиме
100
/2 = ~2~ = 50 а.
54
2) Внутреннее сопротивление
22. Э. д. с. медноокисного элемента, электролит ко-
торого (5 и. NaOH) насыщен цинкатом, равна 0,89 в.
Определить термодинамическим расчетом, какая из
указанных элементных реакций является э. д. с.-опре-
деляющей:
a) Zn + 2Си(ОН)2 ZnO + Си2О + 2Н2О
б) Zn 4- 2CuO ZnO -I- Cu2O
в) Zn + Си (OH)2 ZnO Си 4~ Н2О
г) Zn 4- СиО ZnO 4- Си
д) Zn 4- Си2О ZnO + 2Си
Решение
Произведем расчет э. д. с. для каждой реакции. Э. д. с. галь-
ванического элемента может быть рассчитана мере* изменение тер-
модинамического потенциала Гиббса при э. д. с -определяющей реак-
ции (см. гл I):
А Ф
А Ф =-- S Л Фкои —SA Фра,,.
Изменение термодинамического похитила Гиббса при реакции (а)
А Фа = А Ф2по + А ФСп.о 2 А Фц.о — А Ф/п — 2 А Фс,1(он)_> ==
—76,05 — 34,98 — 2-56,69 -[ 0-f-2-85,353,81 ккал\
53810
£а“ 2". 23060 = 1’17с;
55
при реакции (б)
Д ф6 = А Ф2п0 + Л ФС|.2о ““ ^zn — 2 А ФСи0 =
= _ 76,05 — 34,98 +0 -1- 2-30,4 = -50,23 ккал\
50 230
Е(> “ 2-23 060 “ 1 ’°9 в;
при реакции (в)
Д фв = А Ф2п0 + А ФСн + А Фц2о— А Ф2п — А ФСи(он)2 =
= — 76,05 — 0 — 56,69 + 0 + 85,3 = — 47,44 ккал\
47 440
Е* ~ 2-23 060 “ 1,03 б;
при реакции (г)
А Фг = А Ф2п0 + А ФСп — А Ф2п — А ФСиО =
= — 76,05 + 0 — 0 + 30,4 = — 45,65 ккал\
45 650
£г — 2-23060 — °>" в>
при реакции (д)
А Фд = А Ф2пО + 2 А ФСи — А Ф2п — А ФСи2О =
= — 76,05 + 0 — 0 + 34,98 = — 41,07 ккал-,
41 070 n on
“ 2-23060 “ °’89 в'
Практически полное совпадение расчетной величины Ед с экспе-
риментальным значением э. д с. медноокисного элемента указывает,
что э. д. с.-определяющей реакцией в этой системе является реак-
ция (д).
23. Рассчитать изменение при + 25°С термодинами-
ческих функций ДФ, ДЯ и Д5Э при реакции
Zn + HgO -> ZnO + Hg
Б6
по электрохимическим параметрам окисно-ртутного (ОР)
элемента Zn (ZnO) КОН HgO(Hg), в котором
K2Zn(OH)4
протекает эта реакция.
Э. д. с. ОР-элемента Е = 1,353 в, температурный коэф-
фициент э. д. с. ~ = +0,04 мвГС [2]. Сравнить полу-
ченные данные со значениями, рассчитанными по таб-
личным величинам термодинамических функций компо-
нентов реакции.
Решение
1) Изменение термодинамических функции, рассчитанное по эк-
спериментальным параметрам ОР-элемента:
- 2-23 060-1,353
А Фх = — г Ft Е=-------------------= — 62,4 ккал/моль;
1000
, dE 2-23060-0,04 ,
А 5Э = zFi =-------------pqqq------= 1,845 кал/моль
1,845
A Hi = А Фх + ТА £э = — 62,4 + 298 iqqq " = — 61,85 ккал/моль.
2) Изменение термодинамических функций, рассчитанное по
табличным величинам:
д ф2 = д ф2гО + д Фн„ — Д Ф2п — Д ФНйО =
= — 76,05 + 0 — 0 + 13,99 = — 62,06 ккал/моль;
А Н2 = A #ZllO + AHZn — =
= — 83,17 + 0 — 0 + 21 ,68 = — 61 ,49 ккал/моль;
А 5э = 5ZnO + 5Hg ““ 5Zn“ 5HgO =
= + 10,5 + 18,5 — 9,95— 17,2 = 1,85 кал/'С-моль.
Близкое совпадение термодинамических функций, рассчитанных
из экспериментальных и табличных данных, подтверждает, что
выбранная элементная реакция действительно является э. д. с.-оп-
ределяющей.
57
24. Серебряно-цинковый аккумулятор типа СЦ-40 раз-
ряжается током 100 а. Серебряный электрод аккумуля-
тора, имеющий емкость 50 а-ч при 10-часовом режиме
разряда, был заряжен на 65% (в расчете на реакцию
Ag AgO). Разряд аккумулятора при таком режиме
идет одноступенчато, при среднем напряжении Vpa3p =
- 1,35 в.
Рассчитать конечную температуру такого аккумуля-
тора после 20 мин разряда, если начальная температу-
ра + 20°С, масса аккумулятора g = 840 г, а его сред-
няя теплоемкость с -= 0,30 кал'г С. Потери тепла в ок-
ружающую среду принять равными 10?о от количества
выделяющегося тепла.
Решение
1) Доля серебра в виде AgO в заряженном серебряном элект-
роде (при расчете на полное окисление металлического серебра)
= (65 — 50) 2 = 30%,
70% серебра (р2) электрода находятся в форме Ag2O (50%—степень
заряженносги электрода при его полном окислении до Ag2O).
2) Для упрощения расчета примем, что при разряде серебря-
ного электрода в первую очередь электрохимически восстанавли-
вается вся окись серебра по реакции
AgO-> Ag
после чего только и начинается электродная реакция перехода
Ag2O-> Ag
Это упрощение не изменит конечного результата расчета.
Первая стадия разряда:
Zn + AgO-> ZnO + Ag
Изменение энтальпии при этой реакции
Л /Л = д //7п0 п- д нЛе - \н7п - \н.^0 =
= — 83,17 4- О — О + 3,15 = — 80,02 ккал/моль.
58
Тепловое напряжение разложения для этой стадии
, 80 020
£т = - гГг = 2-23 060 - 1-/35 в-
3) Количество электричества, полученного за счет реакции
AgO-> Ag
pi z 30-2
= Q1° P2 + P1Z = 50 70 + 30-2 = 23 °’"'
где — полная емкость аккумулятора при 10-часовом режиме раз-
ряда; pi и р2 — содержание AgO и Ag2O в активной мас-
се, %; z—изменение валентности AgO.
4) Вторая (условная) стадия разряда аккумулятора:
Zn + Ag2O -> ZnO + 2Ag
Изменение энтальпии при этой реакции
А Н2 = A HZn0 + 2 A HAg - Atf Zn - AH?k20 -
= — 83,174-0 — 0-|-7,3 = — 75,87 кка 7/моль.
Тепловое напряжение разложения на этом этапе разряда
75 870
2-23 060 “ 1,645 в
5) Количество электричества, полученного за счет реакции
Zn-|-Ag2O-> ZnO -J- 2Ag
20
Q2 = I т — Qt = 100 — 23 = 10,3 0'4.
6) Количество тепла, выделившегося при разряде аккумулятора
Qr = 860 [Q, ( Е'т - Иразр ) + Q» ( Е\ - Vpa3p )] =
= 860 [ 23 (1,735 —1,35) +10,3 (1,645 — 1,35) ] = 10 210 кал.
Примечание. При разряде химического источника тока,
когда электрохимическая реакция протекает самопроизвольно, урав-
нение (51), выведенное в гл. I для расчета джоулевого тепла, ви-
доизменяется. В этом случае необходимо вычитать рабочее напря-
жение из теплового напряжения разложения, а не наоборот.
59
7) Потери тепла в окружающую среду
Д QT = 0,1-QT = 0,1 • 10 210 = 1021 кал.
= 36,5°С.
8) Повышение температуры аккумулятора в течение разряда
QT —Д<2Т 10 210 — 1021
ДГ= gc = 840-0,30
9) Конечная температура аккумулятора
ТК011 = 20 + 36,5 = 56,5°С.
25. Какое количество тепла выделится за 10 мин раз-
ряда в 15-элементной батарее Mg | NaCl | AgCI, разря-
жающейся током 0,80 а, если среднее разрядное напря-
жение l/разр на один элемент батареи составляет 1,35 в?
При разряде 60% прореагировавшего магния
расходуется на собственно электрохимический процесс
Mg + 2AgCl -> MgCl2 + 2Ag
a 40% (p2) на химическое взаимодействие с электролитом
Mg + H2O->MgO + H2
Решение
1) Изменение энтальпии при реакции электрохимического про-
цесса
Д Я, = Д WMgC)2 + Д Н' + 2 Д ЯА„ - Д - 2 ДЯАйС1 =
= — 153,4 — 34,0-J-0 — 0 + 2-30 36 --= — 126,68 ккал. ’
где А Н'— изменение энтальпии при растворении MgCl2.
2) Тепловое напряжение разложения при электрохимической
реакции
_Д2Л __126680__
£т~— zFt - 2-23 060 -z-'oe-
3) Изменение энтальпии при реакции коррозии магния
А Н2 = A Т А — A — АННгО
= — 143,84 + 0 — 0 + 68,32 = — 75,52 ккал/моль.
60
4) Количество тепла, выделившегося за 10 мин разряда при
собственно электрохимическом процессе
, 10
QT = 860 / т (Ет-Уразр) и = 860-0,8 -gy (2,75— 1,35) 15 =
= 2410 кал,
где и — количество элементов в батарее.
5) Емкость, отданная элементами батареи при разряде
10
Q = /th=0,80 -gg- 15 = 2,0 а-ч.
6) Количество магния, израсходованного на химическое взаимо-
действие с электролитом
Q Ръ 2,0 40
g = гр • — = 2.26)8 • 5Q- = 0,0249 г-атом.
7) Количество тепла, выделяющееся в батарее при реакции
магния с электролитом
Q"= — 4tf2g = 75520-0,0249 = 1880 кал.
8) Суммарное количество выделившегося при разряде тепла
QT = q' + (£ = 2410 + 1880 = 4290 кап
26. Заряд серебряно-цинкового аккумулятора током
/ = 10 а до достижения конечного напряжения 2,10 в
длился т = 11 40 мин, из них 4 ч 10 мин (тх = 250 мин)
на первой зарядной ступени при среднем напряжении
= 1,65 в, остальное время на второй ступени при v2 =
= 1,96 в. Количество электричества, принятого при за-
ряде аккумулятором, соответствует коэффициенту ис-
пользования серебра в положительном электроде Л%Сц =
= 65% (в расчете на изменение валентности, равное
двум); в конце заряда положительная электродная мас-
са содержит еще pt 5% серебра в металлической фор-
ме. Отдачи по току у обоих электродов можно считать
равными 100%.
61
Рассчитать количество джоулева тепла, выделяю-
щегося при заряде такого аккумулятора.
Решение
1) На первой зарядной ступени идет реакция
a) ZnO + 2Ag->Zn + Ag2O
2) Изменение энтальпии при этой реакции
А Н'= A HZli0 + 2 А ЯА„ - ДЯгп - АЯд„гО «=
= — 83,17 + 0 —04- 7,3 = —75,87 ккал
(конечными веществами при расчете изменения термодинамических
функций считаются продукты самопроизвольного протекания реак-
ции; в данном случае ZnO и Ag).
3) Тепловое напряжение разложения
р'_ А 75870
Ет-~ 2рт - 2-23060 - 1-640 3-
4) Количество тепла, выделяющегося в аккумуляторе в ходе
первой зарядной ступени
, , 250
(^=0,860/?! =0,860-10 -ад (1,65— 1,645) =0,18 ккал.
5) На второй зарядной ступени для удобства расчета примем
возможность параллельного протекания наряду с реакцией (а) толь-
ко двух реакций:
б) ZnO+ Ag-----> Zn + AgO
в) ZnO + Ag2O------► Zn -1-2 AgO
6) Изменение энтальпии при реакции (б)
ДЯ"=ДЯ2пО + ±НА„ - ДЯ2п - ДЯА{?О =
= _ 83,17 + 0 — 0 + 3,15 = — 80,02 ккал;
при реакции (в)
ДЯ"' = ДЯгп0 + АЯ;^О - ДЯ7п - 2ДЯЛ,,О =
= — 83,17 —7,3 —0 + 2-3,15 = —84,17 ккал.
62
7) Тепловое напряжение разложения для реакции (б)
ои
£т = 2-23060 = 1 •735 в>
для реакции (в)
84170
£т — 2-23060 1,825 в'
8) Суммарная зарядная емкость, принятая аккумулятором
/ 40 \
Q = 'I= Н + -эд- 10= 116,7 а-ч.
9) Количество серебра в положительных электродах аккумуля-
тора в пересчете на металлическое
____Q?i 116,7-2,012
gAS~ Kucn “ 0,65 -361г-
10) Заряженный серебряный электрод содержит неокисленного
металлического серебра
gt = g pt = 361 -0,05 = 18,0 г.
Ag
11) Коэффициент использования серебра за вычетом неучаство-
вавшей в процессе металлической компоненты
^исп 65
^исп- (1—Pj) ~ 0,95 ~ 68,4'°-
12) Количество серебра в положительной электродной массе,
окисленного до AgO
g2=
<cn2-100L _\_68,4-2-100
100 \gAg / 100
(361 — 18) = 126 г
(при умножении Кисп на 2 находим коэффициент использования се-
ребра в расчете на изменение его валентности, равное единице.
Превышение полученного значения над 100% соответствует процент-
ному содержанию AgO в массе).
63
13) Количество серебра, находящегося в серебряном электроде
в форме Ag2O
£з = - fei + £2) = 361 - (18 + 126) = 217 г,
в том числе количество Ag2O, образующегося на первой зарядной
ступени
250
^ = /TiQ2=10 -go 4,025 = 167 г,
где q2 = 4,025 г!а-ч — электрохимический эквивалент серебра в рас-
чете на то, что валентность серебра изме-
няется на единицу.
Количество серебра, превращающегося в Ag2O на второй зарядной
ступени
g'3 =£3-^ = 217- 167 = 50 г.
Количество Ag2O, находящегося в заряженном серебряном элек-
троде (g3), превышает количество Ag2O, образующегося в ходе пер-
вой зарядной ступени (g3). Это свидетельствует, что вся окись се-
ребра AgO, сформированная в ходе второй зарядной ступени, мог-
ла образоваться по реакции (б). И хотя реакция (в), несомненно,
протекает в электроде, однако, учитывая закон Гесса о независи-
мости теплового эффекта реакции от ее промежуточных стадий, воз-
можно в данном случае провести тепловые расчеты только по реак-
циям (а) и (б). Не скажется на суммарном тепловом эффекте и то,
что при расчете не учитывается внутриэлектродная реакция взаимо-
действия AgO с оставшимся металлическим серебром
AgO + Ag-------> Ag2O
которая протекает на второй стадии заряда.
14) Количество тепла, выделившегося на второй зарядной ступе-
ни за счет реакции (а)
Qt= 0,860 — (V2-Et) =0,860 ^025 (1,96— 1,645) = 3,36^ал.
15) Количество тепла, выделившегося за счет реакции (б)
„ go / п \ 126
QT = 0,860 ] = 0,860 -уоу (1,96- 1,735) = 12,и^л.
64
16) Суммарное количество выделившегося тепла
Qt = Qt + Qt + Qt = °>18 + 3,36 + 12,1 = 15,64 ккал.
Примечав и е. Расчет количества джоулевого тепла, выделив-
шегося при заряде аккумулятора, дан для большей наглядности в
развернутой форме. Более коротким путем является подсчет по фор-
муле
От = 0,860 / т (V'cp — Вт Ет — Вт £т) ккал,
где Vcp — среднее напряжение при заряде, в; т—полное время
заряда, ч\
Вт и Вт — доли тока, затраченные на образование Ag2O и AgO
соответственно.
27. Рассчитать количество джоулевого тепла, выде-
ляющегося за 30 мин зарядного процесса в ванне совме-
стного формирования электродов свинцовых аккумуля-
торов в начале и в конце формирования при односту-
пенчатом режиме заряда.
Токовая нагрузка на ванне /=200 а, напряжение в
начальной стадии процесса = 2,40 при этом
выход по току Вт = 95%. 5% (В'т) расходуется на
электролиз воды. Напряжение в конце процесса 2,65 в,
выход по току Вт = 10?6.
Решение
1) Процессы в ванне:
a) 2PbSO4+2H2O->Pb+PbO2+2H2SO4
б) Н,О->Н2 + 4“ о2
2) Изменение энтальпии при реакции (а)
ДН]= 2 Д/7 +2ДЯ — ДН —ДН — 2\Н —2\Н'=
PbSO4 H2O Pb PbO2 H»SO4
= — 2-219,5 —2 68,32—О + 66,12 + 2-193,91+ 2-17,0 — $7,7ккал.
где А//' — изменение энтальпии при образовании раствора H2SO4.
При реакции (б)
65
1
Д Н2= ЬН ~№--к-ЬН--=
1 Н20 Н2 2 о2
= — 68,32 — О — О = — 68,32 ккал.
3) Тепловое напряжение разложения для реакции (а)
для реакции (б)
68 320
£т = 2-23060 “ 1,48 б-
4) Количество тепла в ванне, выделяющегося за 30 мин в на-
чальной стадии зарядного процесса
Q; = 0,860 / т |вт (V, - Ет) + в; (Vi - f’)] =
30
=0,860-200 -эд- [0,95 (2,40 — 1,90) + 0,05 (2,40 — 1,48)]=
= 44,8 ккал
5) Количество тепла, выделяющегося за 30 мин в ванне в конеч-
ной стадии процесса
30 Г 1
QT = 0,860-200 — 0,10(2,65—1,90) +0,90(2,65— 1,48) =
= 97,0 ккал
28. Сравнить количество тепла, выделяющегося за
15 мин в открытых и герметичных кадмий-никелевых
аккумуляторах на разных стадиях их заряда током
1,0 а: а) при недозаряде обоих электродов (зарядное
напряжение И3 = 1,45 в\ считать полезное использо-
вание тока на обоих электродах 100°о-ным); б) при
полном заряде окисно-никелевого и недозаряде кадмие-
66
вого электродов (V3 = 1,48 в); в) в конце заряда —
полная заряженность обоих электродов при V3 = 1,85 в
для открытого аккумулятора и полный заряд для гер-
метичного аккумулятора с V3 = 1,48 в.
Решение
1) Суммарные токообразующие реакции в аккумуляторах на
стадии (а)
Cd (OH)2+2Ni(OH)2 -> Cd+2Ni(OH)3
(фактически в заряженном окисно-никелевом электроде образуется
fi-NiOOH однако из-за отсутствия для пего величин термодинами-
ческих функций принимаем величины для Ni(OH)3, что мало сказый-
вается на окончательных результатах).
Реакция на стадии (б) для открытых аккумуляторов
Cd(OH)2->Cd+ О2+Н2О
В герметичных аккумуляторах первоначально образующийся кадмий
снова окисляется кислородом, выделяющимся на окисно-никелевом
электроде, г е па этой стадии заряда не происходит химических
превращений электродных веществ.
Реакции на стадии (в):
для открытых аккумуляторов
Н2О-* Н2+ ~2~ О2
для герметичных аккумуляторов см. стадию (б)
2) Изменение энтальпии при реакции на стадии (а)
ДН=2ДН + ДН -ДИ — 2ДН =
Ni(OH)2 Cd(OH). Cd Ni(OH)3
= — 2-128,6 — 133,3 — 0 + 2-162,1 = — 66,3 ккал;
при реакции на стадии (б) в открытых аккумуляторах
ДН2= ДИ
Cd(OH)2
ДН -4" АН -ДН =
Cd 2 о2 Н2О
= — 133,3 — 0 — 0 + 68,3 = — 65,0 ккал;
67
при реакции на стадии (в) в открытых аккумуляторах
ДН3 = Д// —ДН — 4- ДЯЛ =- 68,3-0 — 0 = — 68,3 ккал.
Н2О Н2 О2
3) Тепловое напряжение разложения для стадии (а)
66 300
— 2-23060 = 1,44 в’
для стадии (б) в открытых аккумуляторах
65 000
£т = 2-23 060 = 1,41 в’
для стадии (в) в открытых аккумуляторах
,,, 68 300
Е< =' 2-23 060 “ 1 ’48 в'
Тепловое напряжение разложения для стадий (б) и (в) в
герметичных аккумуляторах равно нулю, так как па этом этапе
зоряда отсутствуют превращения электродных веществ.
4) Количество тепла, выделяющееся за 15 мин на стадии (а) в
открытых и герметичных аккумуляторах
Q = 860/т (V3— £') = 860-1,0-Ц- (1,45 — 1,44) = 2,1 кал.
5) Количество тепла, выделяющееся за 15 мин нз стадии (б) в
открытых аккумуляторах
Q' = 860-1,0 Л- (1,48— 1,41) = 15,05 кал,
Ь 60
в герметичных аккумуляторах
15
QT, = 860-1,0 -эд- 1,48 = 318 кал.
6) На стадии (в) за 15 мин выделится теплт в открытых аккуму-
ляторах
15
Q = 860 -1,0 -7777- (1,85 — 1,48) — 79,5 кал,
1 8 ои
в герметичных аккумуляторах
QT^ = QTg = 318 кал.
68
Примечание. Количество тепла, выделяющееся в открытых
аккумуляторах, несколько меньше расчетного, так как образующие-
ся газы уносяг с собой некоторое количество паров воды, на обра-
зование которых затрачивается теплота.
ЗАДАЧИ
29. Разрядная емкость окисно-никелевого электрода
щелочного аккумулятора должна равняться 1,5 а-ч.
Положительная активная масса, из которой изготавли-
вается электрод, содержит 45,6% никеля в пересчете
на металлический; коэффициент использования никеля
при разряде равен 60%.
Какое количество активной массы необходимо зало-
жить в электрод? Напишите основную электродную
реакцию.
30. Окисно-никелевый электрод щелочного аккуму-
лятора содержит 16,2 г активной массы. В составе ак-
тивной массы 47,2?о никеля в пересчете на металличе-
ский. Коэффициент использования активного вещества
при разряде равен 63%.
Какой разрядной емкостью обладает электрод?
31. Электродная ламель, внутрь которой запрессова-
но 7,0 а железной активной массы с содержанием
69,8% «общего» железа, отдала емкость 1,18 а-ч.
Каков коэффициент использования железа? Напиши-
те основную электродную реакцию.
32. Отрицательный (железный) электрод щелочного
аккумулятора должен иметь разрядную емкость 3,2 а-ч.
Активная масса электрода содержит 70,2?^ «общего»
железа. Коэффициент использования железа при разря-
де электрода равен 25%.
Какое количество активной массы должно быть
затрачено на изготовление электрода (без учета по-
терь)?
39
33. Железный электрод щелочного аккумулятора
содержит 22,8 г активной массы. В ее состав входит
69,3% «общего» железа; коэффициент использования
железа при разряде электрода равен 23%.
Определить разрядную емкость электрода.
34. Отрицательный электрод щелочного аккумулято-
ра, содержащий 7,2 г чисто кадмиевой (без железа)
активной массы с 79,2% «общего» кадмия, обладает
разрядной емкостью 1,70 а-ч.
Каков коэффициент использования кадмия?
35. Кадмиевая активная масса (без добавки железа),
идущая для приготовления отрицательных электродов
щелочных аккумуляторов, содержит 78,5% «общего»
кадмия; коэффициент использования кадмия при разряде
равен ~ 65%.
Какое количество активной массы необходимо зало-
жить в электрод, чтобы получить с него разрядную
емкость 2,6 a-Q?
36. Отрицательный электрод щелочного аккумулято-
ра содержит 18,2 г чисто кадмиевой массы с 80,1%
«общего» кадмия; коэффициент использования кадмия
при разряде равен 63%.
Какова разрядная емкость электрода?
37. Отрицательный электрод щелочного аккумулято-
ра изготовлен из кадмиево-железной активной массы,
содержащей 57,8% «общего» кадмия и 21,3°6 «общего»
железа.
При таком составе массы коэффициент использова-
ния кадмия 65% , железа 18?6.
Какова доля каждого компонента в токообразовании?
Какой емкостью будет обладать электрод, содержащий
10,2 г активной массы?
38. В качестве положительной активной пасты для
электродов свинцового аккумулятора применена масс<
70
следующего состава: 100 кг «свинцового порошка» (со-
стоящего на 60% из РЬО, остальное — металлический
свинец); 10 л воды и 7,5 л раствор H2SO4 плотно-
стью 1,32.
Какое количество пасты необходимо для изготовле-
ния положительных электродов для 100 аккумуляторов
емкостью каждый 120 а-ч, если /<НС41 свинца в активной
массе электродов равен 60%, потери пасты при изготов-
лении 0,7%. Каков удельный расход свинцового порошка
на 1 а-ч емкости аккумуляторов?
Напишите основную электродную реакцию.
39. Отрицательная паста для электродов свинцовых
аккумуляторов имеет следующий состав: 100 кг «свин-
цового порошка» (на 60% окисленного до РЬО), 13 л
воды, 5 л раствора H2SO4 плотностью 1,32, «расшири-
тель» — 3,5 к \
Какое количество пасты должно быть заложено в
отрицательные электроды, чтобы последние обладали
фактической емкостью 140 а-ч (/<исп свинца 65%)?
Напишите электродную реакцию.
40. Ограничителем емкости серебряно-цинкового (СЦ)
аккумулятора, имеющего фактическую разрядную ем-
кость 8,0 а-ч, является серебряный электрод. Коэффи-
циент использования серебра при разряде электрода
равен 60% (в расчете на изменение валентности рав-
ное двум).
Какую навеску серебряного порошка необходимо
взять для изготовления электрода?
41. Серебряный электрод СЦ-аккумулятора весит
4,3 г (без токоотвода). Коэффициент использования се-
ребра (в расчете на изменение валентности, равное
двум) составляет 60%.
Какой разрядной емкостью обладает электрод?
42. Серебряный электрод СЦ-аккумулятора, содержа-
71
щий 6,27 г металлического серебра (без токоотвода),
отдал емкос1ь 1,98 а-ч.
Чему равен коэффициент использования серебра в
расчет на изменение валентности, равное 1 и 2. Напи-
шите соответствующие электродные реакции.
43. Порошковый цинковый электрод СЦ-аккумулято-
ра содержит 5,67 г отрицательной активной массы (не-
подсушенной); фактическая емкость электрода2,22 а-ч.
Активная масса изготовлялась смешением 100 в. ч. су-
хой смеси с 20 в. ч. связующего. Сухая смесь в свою
очередь была приготовлена из 25% цинковой пыли (со-
держащей 10% окиси цинка) и 75% окиси цинка.
Рассчитайте коэффициент использования цинка в элект-
роде. Напишите основную электродную реакцию.
44. Фактическая емкость порошкового цинкового
электрода СЦ-аккумулятора равна 3,5 а-ч. Коэффициент
использования цинка в электроде » 65%. Потери актив-
ной массы при изготовлении электродов 2%.
Какое количество цинковой пыли, окиси цинка и
связующего должно быть затрачено для изготовления
партии в 1000 электродов? Состав активней массы —
см. задачу 43.
45. Сухой марганцево-цинковый элемент, ограничите
лем емкости которого является положительный элект-
род, имеет емкость 18,5 а-ч. На изготовление одного
элемента расходуется положительной активной массы
225 г (без учета потерь). Положительная активная мас-
са готовится смешением углемарганцевой смеси с на-
шатырем NH4C1 и электролитом. Углемарганцевая смесь
содержит 81,5% активированного пиролюзита (имеющего
71,2% МпО2), 15,2?6 графита и 3,3?6 сажи. На 100 г
углемарганцевой смеси добавляется 14 г нашатыря NH4C1
(сухая смесь); на 100 г сухой смеси — 27 г электролита
(связующее).
72
Каковы коэффициент использования МпО2 и удель-
ный расход jглемарганцсвой смеси? Напишите основную
токообразующую реакцию в электроде.
46. В окиспортутном элементе типа ОР-4 положи-
тельная активная масса равна 16,0 г, она состоит из
95% HgO и 5% графита.
Каков коэффициент использования окиси ртути в
расчете на номинальную емкость элемента, равную
2,6 а-ч (ограничитель емкости элемента — окиснортут-
ный электрод)? Напишите электродную реакцию.
47. Фактическая емкость медноокисного элемента
типа МОЭ-250 составляет около 270 а-ч. На изготовле-
ние его положительного электрода (ограничителя емко-
сти элемента) идет активная масса, приготовляющаяся
смешением 100 в. ч. окиси меди (содержащей около
92% СиО) и II в. ч. связующего.
Какова должна быть навеска активной массы на
электрод элемента, если коэффициент использования СиО
на нормальном режиме разряда равен примерно 97%?
Каков должен быть в элементе объем электролита —
раствора едкого натра плотностью 1,20 (216 г/л NaOH),
если коэффициент использования щелочи равен 70%?
Запишите основную токообразующую реакцию в эле-
менте.
48. В резервном свинцовом элементе с хлорной кис-
лотой РЬ | НС1О41 РЬО2 на 1 а-ч фактичэской емкости
расходуется около 20 г 50%-ного раствора НС1О4.
Каков коэффициент использования НС1О4?
Суммарная элементная реакция
РЬ + РЬО2 4- 4НС1О4 -> 2РЬ(СЮ4)2-|-2Н2О
49. В одном из типов резервного свинцово-цинкового
элемента Zn | H2SO41РЬО2 электролитом служит 36% -ный
73
раствор серной кислоты (467 г!л H2SO4) со специальными
добавками.
Рассчитать необходимый объем электролита для
элемента емкостью 8,5 а-ч, если коэффициент исполь-
зования H2SO4 при разряде равен 44?6.
Суммарная элементная реакция
Zn+PbO24-2H2SO4->ZnSO4 + PbSO4-!-2H2O
50. Резервная 18-элементная последовательно соеди-
ненная батарея Mg | NaCl | CuCl имеет емкость 1,5 а-ч.
Средний коэффициент использования однохлористой меди
при разряде батареи равен 6О?6.
Какое количество CuCl (без учета потерь) необходимо
для изготовления положительных электродов батареи?
Суммарная элементная реакция
Mg+2Си С1 MgC 12 + 2Cu
51. В резервном магниевом элементе смешанной де-
поляризации Mg | NaCl в качестве положительной
активной массы использована смесь из 23,3 в. ч. AgCl
и 76,7 в. ч. K2S2O8 (без учета связующего). На бата-
рею из 15 последовательно соединенных элементов из-
расходовано 232 г смеси AgCl и K2S2Ob.
Каков коэффициент использования K2S2O8, если фак-
тическая емкость батареи составляет 2,65 а-ч, а коэф-
фициент использования AgCl при разряде равен 98%?
Какова доля AgCl и K2S2O8 в токообразовании?
Токообразующая реакция в элементе;
(4" + Ш ) Mg + П AgC1 + 'П Кг$2°8 ~>
-> MgC|2 + т MgSO4 + т Кг5О4 + п Ag
74
где п и т — коэффициенты, зависящие от содержания
AgCl и K2S2O8 в активной массе и от ре-
жима разряда.
52. В разработанном Кирком и Фрайем [3] сухом
магниевом элементе в качестве положительного актив-
ного вещества использован метадинптробензол (ДНБ)
CeH4(NO2)2. С 2 в. ч. ДНБ смешивалась 1 в. ч. электро-
проводной добавки (графит + сажа). На 100 в. ч. такой
смеси добавлялось 3 в. ч. ВаСгО4. Агломератная масса
изготовлялась смешением 2 в. ч. полученной сухой сме-
си с 3 в. ч. электролита.
Рассчитать коэффициент использования ДНБ в эле-
менте, если его агломератная масса—47 г, а отданная
емкость — 18 а-ч.
Электрохимическая схема элемента:
Mg | MgBr21 C0H4(NO2)2(C)
Полная элементная реакция
6Mg+C6H4(NO2)2+8H2O->6Mg(OH)2+CcH4(NH2)2
53. А. В сухом магниевом элементе вида
Mg | MgBr21 (Ch3)2n-^2J>-N0*
доля активного вещества НДМА в агломератной массе
составляет 26%.
Рассчитать необходимое количество агломератной мас-
сы (без учета потерь) для элемента емкостью 25 а-ч, если
коэффициент использования НДМА при нормальном ре-
жиме разряда равен 87%.
* Паранитрозодиметиланилин (НДМА).
75
Элементная реакция
2Mg+(CH3)2N • CGH4NO 4-3H2O->
-> 2Mg(OH)2 -I- (CH3)2N.CGHtNH2
Б. To же для элемента вида
Mg|MgBr2| HON-
-NOH*
с элементной реакцией
3Mg+CGH4(NOH)2+4H2O->3Mg(OH)2+CcH4(NH2)2
Коэффициент использования парахинондиоксима
равен 93%.
54. В опытном магниевом элементе «сухого» типа
Mg | MgBr21 МпО2 доля расхода магния на собственно
электрохимический процесс составляет около 55% его
общего расхода (при непрерывном разряде элемента).
Остальные 45% расхода металла (без учета неиспользо-
ванной части электрода) обусловлены химическим взаи-
модействием магния с электролитом, которое сопровож-
дается выделением водорода.
Какой приведенный объем водорода выделится за
сутки из 20-элементной последовательно соединенной
батареи, разряжающейся непрерывным током 200 ма?
* Парахинондиоксим.
76
Реакция разряда
Mg+2MnO2+2H2O->Mg(OH)2+2MnOOH
Реакция коррозии
Mg+2H2O->Mg(OH)2+ f Н2
55. Рассчитать количество активных масс, необхо-
димых для изготовления 100 железо-никелевых аккуму-
ляторов номинальной емкостью 120 а-ч.
Железная активная масса содержит 70,2% «общего»
железа; фактический коэффициент использования же-
леза в отрицательных электродах при их полном разряде
25%.
Положительная активная масса содержит 46% «об-
щего» никеля; расчетный коэффициент использования
никеля в положительных электродах 60%.
Ограничителем емкости аккумулятора должен быть
положительный электрод, фактическая емкость которого
должна превышать приблизительно на 10% номиналь-
ную емкость аккумулятора.
Фактическая емкость железного электрода должна
быть примерно на 70% больше емкости положительного
электрода. Потери активной массы при изготовлении
1,0%.
Каковы значения коэффициентов использования ни-
келя и железа в расчете на номинальную емкость акку-
мулятора? Напишите суммарную реакцию в аккумуля-
торе.
56. Твердоэлектролитный элемент Ag | AgCl | К1С14(С) [4]
имеет начальную толщину электролита (AgCl) 13 мк, и
рабочую поверхность каждого из электродовS = 0,24 см2.
Удельная электропроводность AgCl при 25ГС равна
77
3* 10~94-2-10“8 om~'-cm’} (для расчета принять 8-Ю"9).
Э.д.с, системы 1,133 в.
Считая, что разница между рабочим напряжением
Vpa6 элемента и его э.д.с. полностью обусловлена оми-
ческими потерями в электролите, рассчитать Граб эле-
мента в начале его разряда и после периода разряда
током 7 = 0,56 мка в течение 2000 ч. Плотность AgCl
d = 5,56 г!см3.
Элементная реакция
2Ag 4 KICl4->2AgCl + KICl2
57. Гарантийный максимум саморазряда свинцового
аккумулятора составляет 21% за месяц. Какой мини-
мальной емкостью может обладать свинцовый аккуму-
лятор типа СТ-70, фактической емкостью 74 а-ч после
месяца бездействия в заряженном состоянии?
58. Свежезаряженный железо-никелевый аккумулятор
имеет емкость 25 а-ч. Ограничителем его емкости
является окисноникелевый электрод. Фактическая ем-
кость железного электрода на 50% превосходит емкость
положительного электрода. После месячного бездействия
в заряженном состоянии аккумулятор отдал при разряде
15 а-ч. В этом случае ограничителем емкости аккуму-
лятора уже служил железный электрод.
Принимая, что глубина разряда обоих электродов не
меняется после периода бездействия и что саморазряд
положительного электрода за это время равен 20%, рас-
считать приведенный объем газа, выделившегося из ак-
кумулятора при его месячном бездействии (не учитывать
саморазряд железного электрода за счет взаимодействия
его активной массы с растворенным кислородом). Каковы
парциальные объемы выделившихся кислорода и водо-
рода? Написать реакции саморазряда на обоих электро-
дах.
59. Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-70
имеет габариты 194x257x230 мм и массу 19,2 кг. При
разряде током 7,0 а батарея должна работать не менее
10 </; при этом среднее разрядное напряжение батареи
равно 6,0 в.
Каковы удельные емкость и энергия батареи на этом
режиме?
60. Щелочной аккумулятор типа ЖН-60, имеющий
габариты 45x349x 128 мм и массу 4,07 кг, отдал свою
емкость за 8 ч 52 мин при разряде током 7,5 а\ сред-
нее разрядное напряжение аккумулятора Vcp=l ,18 в.
Каковы удельные характеристики аккумулятора?
61. Сухой марганцево-цинковый элемент типа
1,6 ФМЦ-у-3,2 диаметром 34 и высотой 64 мм, имеет n а>
су 105 г. При разряде на сопротивление 10 ом элемент
проработал 34 ч при среднем напряжении Vcp--^ 1,10 в.
Каковы удельные характеристики элемента?
62. Батарея из 70 марганцево-цинковых элементов
типа 100 АМЦГ-у-2,0, габаритами 218x 138x73 мм
имеет массу 3,35 кг. При ее полном разряде на сопро-
тивление 7000 ом батарея имела среднее напряжение
Кср 78 в.
Каковы удельные характеристики батареи, если за
время разряда на катоде медного кулометра, последо-
вательно включенного в электрическую схему, выдели-
лось 2,43 г меди?
63. Батарея из 10 последовательно соединенных свин-
цово-кадмиевых резервных элементов Cd | H2SO41 РЬО2
имеет объем 1,03 л и массу 2,22 кг. Напряжение такой
батареи в начальной стадии разряда на сопротивление
0,6 ом состав/яло 18,5 в, после отдачи 1,0 а-минка 1 см3
объема батареи—17,0 вив конце разряда—10,0 в.
Какова удельная мощность батареи на этих стадиях
разряда?
79
64. Батарея свинцовых аккумуляторов типа ЗСТ-84
имеет номинальную разрядную емкость 84 а-ч.
Какова должна быть длительность ее заряда током
8,0 п, если отдача батареи по току в этом режиме
равна 80%?
65. При заряде 6-часовым режимом отформированно-
го кадмий-никелевого аккумулятора примерно 70% за-
рядной емкости принимается при среднем напряжении
1,45 в и около 30?о при 1,85 в.
Какова отдача по току и по энергии у аккумулятора
типа КН-100, заряжающегося током 25 а в течение
6 ч, если при последующем разряде током 12,5 а он
проработал 8 ч 22 мин при среднем напряжении
1,18 в?
66. Заряд железо-никелевого аккумулятора типа ЖН-60
проводился в течение 6 ч током 15 а при среднем за-
рядном напряжении 1,65 в.
Какова отдача аккумулятора по току и по энергии,
если его разряд током 7,5 а продолжается 8 ч 18 мин
при среднем разрядном напряжении 1,18 в?
67. Заряд серебряно-цннкового аккумулятора типа
СЦ-50 током 6,0 а длился 10 ч 20 мин, из них 3 ч 45 мин
при среднем напряжении Vcp = 1,62 в, остальное вре-
мя— на второй зарядной ступени при Izcp ~ 1,95 в.
При последующем разряде током 5,0 а аккумулятор
проработал 12 ч 20 мин, из них 1 ч 25 мин при
l/p = 1,75 в, остальное время при Vcp = 1,51 в.
Какова у аккумулятора отдача по току и по
энергии?
68. Отдача по току в серебряно-кадмиевом (СК) ак-
кумуляторе Cd | КОНравна примерно 100%, т. е.
такова же, как и в серебряио-цинкгвых ;СЦ) аккумуля-
торах.
80
Учитывая, что форма и ход потенциальных кривых
серебряного электрода примерно одинаковы в СК- и
СЦ-аккумуляторах и омические потери напряжения
и поляризации кадмиевого и цинкового электродов мало
отличаются по численной величине, рассчитать отдачу
по энергии у СК-аккумуляторэв, использовав данные
задачи 67 для СЦ-аккумулятороз. Равновесный потенциал
кадмиевого электрода примерно на 0,42 в положительнее
потенциала порошкового цинкового электрода.
69. Рассчитать величину равновесного потенциала
монолитного цинкового электрода в цинкатном растворе
5 н. NaOH()6lu, содержащем цинка 10 г'л при + 25°С.
Принять коэффициенты активности ионов гидроксила уон-
и ионов цинката 7Zn(OH)2- равными единице. Плотность
раствора 1,195 г'см\
Потенциалопределяющая реакция
Zn+4OH-^Zn(OH);“ + 2ё
70. Определить расчетную э. д. с. полностью заря-
женного и наполовину разряженного серебряно-кадмие-
вого (СК) аккумулятора исходя из значений потенциа-
лов его электродов.
А. Электрохимическая схема полностью заряженного
СК-аккумулятора:
Cd 110 н. КОН | AgO
Потенциалопределяющая реакция на серебряном
электроде
2AgO -hH2O4-2e^Ag2O+2OH-
на кадмиевом электроде
Cd I- 2ОН- CdO+Н 2О 4- 21
81
Б. Электрохимическая схема полуразряженного СК-
аккумулятора:
Cd | 10 и. KOH|Ag2O
Потенциалопределяющая реакция на серебряном
электроде
Ag2O+H2O+2e«±2Ag+2OH-
на кадмиевом электроде
Cd+2OH’^CdO+H2O+2e
71. Величина э. д. с. частично разряженного медно-
окисного элемента Zn |^п(он) | СиО, электролит кото-
рого содержит некоторое количество цинката, равна
0,90 в. Концентрация свободного NaOH в электролите
4,2 люль ЮОО г Н2О. Активность воды в нем 0,7. Рав-
новесный потенциал цинкового электрода в таком элек-
тролите — 1,30 в.
Рассчитать, пользуясь уравнением Нернста, величи-
ну э. д. с. элемента для каждой из приведенных ниже
реакций. Какая из этих реакций определяет равновесный
потенциал реального медноокисного электрода?
Возможные реакции в медноокисном электроде:
а) 2Си(ОН)2+2ё^Си2О+2ОН--ЬН2О
б) 2СиО+Н2О+2ё^Си2О4-2ОН"
в) Си (ОН)2 +2 е«±Си + 2ОН’
г) СиО+Н2О+2 е^Си+2ОН~
д) Си2О+НаО 4-2 е^2Си+2ОН"
72л Рассчитать падение напряжения в электролите
межэлектродного пространства щелочною аккумулятора
82
типа ЖН-22, имеющего 2 положительных пластины
габаритами 140x95 мм и 3 отрицательных пластины
габаритами 145x99,5 мм при разрядном токе 22 а.
Межэлектродное расстояние 1,2 мм. Электролит — раст-
вор КОН плотностью 1,20 (21,15%-ный раствор КОН)
с удельной электропроводностью х15 = 0,520 ом^-см"1.
73. Медноокисный элемент разряжается при элект-
родной плотности тока 50 ма см2. Удельная электропро-
водность калиевого электролита (7,0 н. КОНоб1Ц) при
18°С — х18 = 0,538 ом~{-см~1. Температурный коэффициент
1 / д ъ \
электропроводности а = — • I1 = 0,0225.
Каково падение напряжения в электролите элемента
при +18°Си —5СС при межэлектродном расстоянии:
а) 8 мм, б) 4 мм?
74. Каково внутреннее сопротивление медноокисного
элемента типа МОЭ-ЮОО: а) в начале его разряда, ког-
да при токе 1,0 а разрядное напряжение элемента равно
0,68в, а при токе 6,0 а — 0,63 в; б) после отдачи номиналь-
ной емкости, когда при тех же токах разрядные напря-
жения соответственно равны 0,62 и 0,53 в?
75. Резервная хлористо-медно-магниевая батарея,
состоящая из 15 последовательно соединенных элементов
Mg | NaCl | CuCl, электроды которых имеют рабочую по-
верхность 15x25 мм, разряжается током 0,35 а. Меж-
электродное пространство с о = 2 мм заполнено гигро-
скопическим веществом с объемной пористостью около
90% и коэффициентом извилистости пор 1,1.
Каково падение напряжения в электролите межэлек-
тродных пространств батареи: а) в начале ее разряда и
б) после 15 мин работы (с учетом постепенного насыще-
ния электролита хлористым магнием)? Межэлектродное
расстояние, температуру электролита и его объем в ходе
разряда считать для простоты расчета постоянными.
S3
Начальный электролит—3%-ный раствор NaCl ^0,52 г-экв'л
NaCl); ZNaci — 0,0413 ом~х-см~х\ 1,02. Производитель-
ный расход магния на собственно электрохимическую
реакцию 55(’о (остальные 45% расходуются на хими-
ческое взаимодействие магния с электролитом;; произво-
дительный расход CuCl ~ 100?6.
Реакции в элементе:
а) разряд
Mg4-2CuCl->MgCl2 ; 2Cu
б) химическое взаимодействие
Mg |-H2O->MgO+H2
Удельная электропроводность смешанного раствора
NaCl и MgC!> при 18 С
Концентрации КО vlllOHCHTOB хсм o.ir1 аг1 Концентрации компонентов хсм 0Л1-1 -елг*
NaCl г зкв я MgCl, % (ПО массе) NaCl г- мв 'л MgCL % (по массе)
0.52 14,6 0,150 0,52 24,3 0,138
0,52 19,4 0,1-18 0,52 29,1 0,110
76. У частично заряженного серебряно-цинкового
аккумулятора с электрохимической схемой
Zh I i<2zr(OH)t | АбгО
и э.д.с.-определяющей реакцией
Zn-!-Ag2O4±ZnO-|-2/\g
э.д.с. равна 1,59 в и —— — G 16.) мв С [5].
в;
Для полностью заряженного аккумулятора с э.д.с.-
опредсляющей реакцией
Zn | 2AgO^ZnO-| Ag.,0
dF
э.д.с. = 1,83 в и 0,057 мв С [5].
Рассчитать изменение термодинамических функций
ДФ, АН и Д5-, при вышеуказанных реакциях. Сравнить
полученные значения с величинами, рассчитанными п)
табличным данным для отдельных компонентов реакций.
77. Рассчитать изменение термодинамических функций
ДФ, ДЯ и АЗЭ при реакции
Pb + РЬО2 2H2SO42PbSO4+2Н2О
по электрохимическим параметрам свинцового аккумуля-
тора РЬ | H2SO41 РЬО2, в котором протекает эта реакция.
Электролит имеет плотность 1,195; э.д.с. = 2,04 в;
4С- = 1.36 мв,°С.
al
Сравнить полученные данные с величинами, рассчи-
танными с помощью табличных значений термодинами-
ческих функций отдельных компонентов реакции.
78. Определить термодинамическим расчетом — какие
из нижеперечисленных электрохимических реакций мо-
гут являться э.д.с.-определяющими в сухом маргаицсво-
цинковом элементе Zn I МпО2(С), значение э.д.с.
которого 1,45 в (в частично разряженном элементе).
Какие значения э.д.с. соответствуют каждой из указан-
ных электрохимических реакций:
a) Zn + MnO24-H2O^ZnO-4-Mn(OH)2
б) Zn+MnO24±ZnO-|-MnO
в) Zn4-2MnO2+3H2O^ZnO+2Mn(OH)3
83
г) Zn+2MnO24-H2O^Zn(OH)24 Mn2O3
д) ZnJ-2MnO2^ZnO+2Mn2O3
79. Серебряно-цинковый аккумулятор типа СЦ-40 раз-
ряжается током 15 а. Серебряный электрод аккумулято-
ра емкостью 50 а-ч при 10-часовом режиме заряжен на
65 ° о (в расчете на полное превращение Ag^AgO).
Разрядная кривая аккумулятора содержит две ступени:
одна — длительностью 35 мин при среднем напряжении
Кср = 1,74 в, другая — при Vcp = 1,48 в.
Рассчитать конечную температуру аккумулятора пос-
ле 3 ч разряда (/нач = 4- 20~С); масса аккумулятора
840 г, а его средняя теплоемкость 0,30 кал!г-°C. Потери
тепла в окружающую среду принять равными 5О°6 от
суммарного количества тепла, выделенного при разряде.
80. Какое количество тепла выделится за 10 мин
заряда током 10 а в одиночном серебряно-цинковом ак-
кумуляторе: а) на первой зарядной ступени, при сред-
нем рабочем напряжении Vcp= 1,65 в; суммарная реакция
на этой ступени
ZnO+2 Ag-> Zn+Ag2O
б) после полного заряда положительного и недозаряда
отрицательного электрода аккумулятора, при Уср=2,08 в\
суммарная реакция
ZnO->Zn+ О2
81. После периода бездействия на разрядной кривой
медноокисного элемента Zn |^1^щон)4| появляется
дополнительная ступень с напряжением более положи-
тельным, чем это характерно для установившегося про-
цесса разряда [5].
86
Рассчитать, какое количество тепла выделяется за
10 мин в медноокисном элементе в ходе его разряда
током 2,0 п: а) на верхней разрядной ступени при
среднем напряжении 0,75 в и б) на основной разрядной
ступени при 1/ср=0,61 в.
Верхней разрядной ступени соответствует электрохи-
мическая реакция
Zn+Cu2O->ZnO+2Cu
(электролит насыщен цинкатом).
Полная реакция на основной разрядной ступени
Zn+CuO->ZnO+Cu
82. Рассчитать количество тепла, выделяющегося за
30 мин зарядного процесса в ваннах: а) совместного фор-
мирования отрицательных и положительных электродов
свинцовых аккумуляторов при напряжении на ванну
Кар ="2,45 в и б) отдельного формирования положи-
тельных пластин (с холостыми электродами) при КаР =
= 2,65 в. Выход по току для основной электрохимичес-
кой реакции в обеих ваннах — 95% (5% затрачивается
на разложение воды). Сила тока на ванну 200 а.
Основные электрохимические реакции:
а) в первой ванне
2PbSO4+2H2O->Pb ]-PbO2+2H2SO4
б) во второй ванне
PbSO4+2Н2О РЬО2+Н 2SO4 + Н2
Реакция электролиза воды
Н2О->Н2-|—g- О2
87
83. Какое количество тепла выделяется за 30 мин
процесса при заряде аккумуляторов током 10 а после
полного заряда их электродов (т. е. при выделении Н2
и О2 на электродах) для: а) свинцовых аккумуляторов,
имеющих на этой стадии зарядное напряжение 1/зар
^2,65 в\ б) кадмий-никелевых аккумуляторов, V3ao= 1,85 в\
в) железо-никелевых аккумуляторов, V3ap == 1,70 в?
ГЛАВА III
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЗ ВЫДЕЛЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ
84. С хлорного электролизера диафрагменного типа
нагрузкой I = 22 ка за 24 ч получено v = 5450 л элек-
тролитической щелочи, содержащей 138 г!л NaOH.
Каково значение выхода по току для щелочи?
Решение
1) Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне
NaCl+H2O->NaOH+ Н2+ С12
2) Электрохимический эквивалент для NaOH
MNaOH 4О’° , ЛО ,
9№ЮН = = 1Л9 г1а'4-
3) Теоретическое количество NaOH, которое должно было бы
образоваться в ванне за сутки
£теор = <7Na0H /т = К 49 -22 -24 = 787 кг.
4) Фактически полученное количество NaOH
138-5450
£факт—Cv — ЮбО —
89
5) Выход по току для щелочи
АМик! 752
вг - - 1 100 7а7 100 = 95,5%.
<sieop
85. Щелока, выходящие из диафрагменного хлорного
электролизера, должны содержать 130 гл NaOH.
Электродная плотность тока в электролизере D--800 а м2\
выход ио том для щелочи Вт - 95%.
Какова должна быть иротекаемость рассола через
диафрагму электролизера (без учета изменения объема
раствора)?
Решение
1) Количество NaOH, подымаемое с 1 м2 электродной поверхно-
сти и примерно равной ей поверхности диафрагмы
gN.OH = ^NiOii О Вт - 1,49.800-0,95 = 1134 г/лС-.ч.
2) Прогекаемость рассола
g И34
X .он
Грас ~ = 12Q — 8,72 л!м--ч.
X юн
86. Объемная концентрация С12 в хлор-газе диафраг-
менного хлорного электролизера рс1 = 98,5?Ь, содержа-
ние СО2 ( рсо ) составляет 0,8%. Выходы по току Вт
для хлора и щелочи равны 95%. Рассчитать расход
анодного окислившее осн графита на 1 т 100%-ного NaOH
(без 5 чета механически выкрашивающегося графита и
наличия анодного скрапа) и долю анодного тока, идущую
на окисление графита (на образование СО2).
Решение
1) Реакция окисления I рифил! (не учитываем образование СО)
С -| 4011- - 4е----> СО, , -2 11.0
'40
2) Электрохимические эквиваленты
лс 12,0
qc^ zf* 4’26^ ~ 0,112 г/“-4
(пренебрегаем наличием примесей в графте);
22 100
qC0, = 4 .’26,8 --= 209 ч’
22 400
qCh =Г26~8 = 418 Ли/а'4’
40
^NaOll” 1-26,8 1,49 г/а'4-
3) Долю анодного тока, расходуемую на образование СО2 при
электрохимическом окислении графита, В( рассчитываем из отноше-
ния
Вт _ Гео2 ^С12 .
Вт Qco. Qc\2
Bl_ 018 98,5.
95 ~ 209 : 418 '
в; = 1,55 %
4) Расход анодпо-окислившегося графита в расчете на 1 tn
100%-ного NaOH
<7СВ' 0,112-1,55
gYp = ~~ к 1000 = ; <g q- 1000 =1.23 кг/nt
^NaOH т 1.М-УО
87. Катодно поляризованная ртуть протекает слоем
толщиной о = 4,0 мм по днищу хлорного ртутного элек-
тролизера, имеющего длину электродной части L =
= 8,0 м.
91
Какова должна быть скорость течения ртути, чтобы
при выходе из электролизера она содержала ркоп =
N.i
^-0,15°о металлического натрия? При входе в электро-
лизер ртуть содержит р™1 = 0,02% Na. Катодная плот-
ность тока DK = 5400 а'м2, выход по току Вт = 96°6.
Плотность ртути ~ 13,5 г/см3 (пренебречь изменением
плотности при образовании амальгамы).
Решение
1) Электрохимический эквивалент натрия находим в приложе-
нии 2: с = 0,858 г [а-ч.
Na
2) Выберем условно участок ртутного катода с поверхностью
S = 1 дм2. Масса ртутного слоя с такой поверхностью
g = SZd = 100-0,4-13,5 = 540 г.
Hg Hg
3) На участке ртутного катода с S = 1 дм2 за время прохожде-
ния его через ванну должно выделиться металлического Na
gN, •= £[lq (С “С) =540(0’0015- °’00(2) = "•702 г-
Это соответствует количеству протекшего электричества
gNa 0,702
~ 0,858-0,96 - °-852
4) Гок, приходящийся на принятую единицу поверхности ка-
тода — на 1 дм2
/1 = DKS = 5400-0,01 = 54 а.
5) Время протекания ртути через ванну
Q 0,852
т = -у- = ~г7~ = 0,0158 ч = 56,8 сек.
/1 54
92
6) Скорость протекания ртути
L 8,0
и = — = gg-g = 0,141 м/сек.
88. При электролизе раствора NaCl получаются в
эквивалентных количествах три продукта: хлор и менее
дефицитные щелочь и водород. Это заставляет изыскивать
такие способы производства, в которых получался бы толь-
ко хлор (при низком удельном расходе электроэнергии).
Среди таких способов наиболее интересны процессы,
позволяющие утилизировать «абгазный» хлористый во-
дород— побочный продукт при получении ряда хлор-
производных веществ.
Одним из подобных способов является электролиз
солянокислого раствора СиС12 [7]. Такой электролит
непрерывно просасывается через катод, изготовленный
из пористого графита; при этом ионы Си2+ восстанав-
ливаются до одновалентной меди, образующей комплек-
сные ионы типа СнС1з“. На аноде электролизера вы-
деляется хлор. Отработанный электролит подается на
окисление одновалентной меди кислородом воздуха и
донасыщение соляной кислотой, после чего возвращает-
ся в электролизные ванны.
Рассчитать выход по току и удельный расход элек-
троэнергии при получении хлора электролизом соляно-
кислого раствора СиС12, если суточный объем выходя-
щего отработанного электролита (католита) из электро-
лизера нагрузкой 1 4000 а составил v3 = 11,2 д? с
содержанием одновалентной меди 28,2 г!л в расчете на
CuCl (считать, что поступающий в ванну раствор не
содержит CuCl). Напряжение на ванне VB = 1,85 в.
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ванне
CuCl., + 2НС1---> H2Cu.'J8 + С12
93
пли
CuClo------► CuCl 4- Cl2
Так как выходы по току для С12 и CuCl практически одинако-
вы, то расчет выхода по току для хлора проводим по имеющимся
данным для CuCl
2) Суточное количество образовавшегося CuCl
£факт = = 28,2-11,2 = 316.0 кг.
3) Теоретическое количество CuCl которое должно образоваться
за сутки
3,70.4000-24
§теоР = <7СиС|/'= 10и0 = 355,5 кг,
где
МСпС1 99,0 „
qa,ci~ zF ~ 1-26,8 ~ 3,70 г!а'4'
4) Выход по юк у
£(Ьзкт 316,0
В ±факт_ 100 = ^=^100 = 89,0%.
£теор 355,5
5) Удельный расход электроэнергии
Тв 1,85-1000
Wr = q „ вт — 1 325-0,890
VCI2 1 89
= 1570 квт-ч/т С12.
89. Нагрузка на фильтрпрессную ванну для электро-
лиза воды, состоящую из 180 последовательных ячеек,
составляет 10 ка. Напряжение на ванну около 385 в.
Чистота производимого водорода =99,9% (без учета
паров воды), кислорода — 99,7% О2. Выход по току —
90,5%.
94
Рассчитать: а) объем насыщенных водяными парами
газов, получаемых с ванны за 1 ч (при давлении
7G0 мм pin. ст. и 4-20'С); б) удельный расход электро-
энергии на 1 ж3Н>(для приведенного объема); в) мощность
потребляемой электролизером электроэнергии.
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ванне
1
Н2О----> Н2 + 2 О-
2) Электрохимические эквиваленты для продуктов электролиза:
22 400
= 272б-8~418 мл/а-ч = 0,418 нмл/ка-ч\
22 400
б/О = 472б"~8 = 209 лм/п-ч = 0,209 нм-'/ка-ч
3) Нормальный объем водорода, получаемого за 1 ч с ванны
е0 = Q /тВтп = 0,418-10-1-0,965-180 = 727 нм\
11г
где п — количество электролитических ячеек в ванне.
4) Объем влажного водорода в реальных условиях
760 (273 +/) 1 727-760(273 4-20) 1____
VT - 273(В—ш) 'Р ~ 273(760—17,5) '0,999 =
= 800 л3/-;,
где В — давление, мм pm. ст.\ w = 17,5 ммрт. ст. — парциальное
давление насыщенных водяных паров при 20сС [8J.
5) Нормальный объем О2, получаемого за I ч с ванны
v'Q = qQ I’ BTn = 0,209-10-1-0,965-180 - 363,5 нм\
6) Объем влажного кислорода в реальных условиях
363,5-760.(273 + 20) 1
VT~ 273(760— 17,5) ' 0,997 = 401 41
95
7) Удельный расход электроэнергии на 1 нм3 Н2
IVt 10.385-1
W г = — =-------тот----= 5,30 кет • ч/нм2.
г’о / z /
8) Мощность, потребляемая электролизером
W =-./!/ = 10-385 = 3850 кет.
90. Раствор, подаваемый в анодное отделение верх-
ней ванны каскада, состоящего из а = 27 последователь-
но включенных электролизеров для получения персуль-
фата аммония, содержит 260 г/л H2SO4 и 213 г/л
(NH4)2SO4. Нагрузка на электролизер 2000 а. Выход по
току для персульфата Вт = 85% (15% анодного тока
расходуется на выделение О2). Концентрация (NH4)2S2O8
в выходящем анолите должна составлять около 250 г!л.
Рассчитать необходимую скорость вытекания анолита
из каскада и концентрацию компонентов в выходящем
анолите (считать объем поступающего и выходящего
растворов равными). Принять средние числа переноса:
п = 0,68, + = 0,08, п 2“ = 0,24 (участием S2C)2- в
Н+ ’ ’ NH4 » ’ so4 2 в
переносе тока пренебрегаем, так как эти ионы находят-
ся только в анолите).
Решение
1) Составляем анодный баланс:
а) разряд
2-0,85 SO^~ — 2- 0,85?->0,85S,O^~
0,15Н2О —2 • 0,15? ->-0,15 • -у О2 + 2 0,15Н+
б) перенос
2пн+Н+ -2nNH+ +«so2- SC)2-
4
96
в) суммарное уравнение анодного баланса
— 2 • 0,85 SO2-+ 0,855>О8~ — 0,15Н2О + 0,15О2 +
+ 2 • 0,15 Н+ — 2пн+Н+ — 2/(nh+ NH+ + /iso2- SO^“ + 2e =
2— 2— 1
= —2-0,85SO4 +0,85S,O8 — 0,15 H2O + 0,15-y O2 +
+ 2 • 0,15 H+ -2nH+H+ -2nNH+ NH4+ + (1 -nI]+ - nN1.+ ) SO* 2~+
+ 2 e = — 0,85 SO4~ + 0,15 SO^~ + 0,85 S2O|“ — 0,15 H,0 +
+ 0,15 -y °2 + 2 • 0,15 H+ — 2nH+ H+ — 2«nh+ NH4 —
— nH+ SO2- — nNH+ SO2" + 2e = — 0,85 SO2~ + 0,15 H ,SO4 +
+ 0,85S2O|~ —0,15 H2O +0,15 yO.-nH+H,SOj-
— «nh| (NH4)2SO4 + 2e"± 2 • 0,85NH4+ =
= — ^0,85 + nNH+j (NH4)2SO4 — (nH+—0,15) H>SO4+
+ 0,85 (NH4)2S2O8 — 0,15H2O +0,15-5- °г+2*
(при преобразованиях учитывали, что nH+ + nNn+ + = О-
Основываясь на полученном анодном балансе, проводим все ма-
териальные расчеты.
2) Количество электричества, проходящее за 1 ч через все ван-
ны каскада
54 000
Q = /та = 2000 • 1 • 27 = 54 000 а • ч, или • О-А—х- = 2015 Л
zo, о
97
3) Количество (NH4)2S2O8, образующееся за 1 ч в ваннах
каскада
228,2
£(NH4)2s2o8 == ^(Nii1)2s2o8 вт = 2015 0,85 — 195 700 г/ч,
где 228,2 — молекулярный вес (NH4)2S2O8.
4) Скорость вытекания анолига из каскада
£(NH4)2s2o8
t’a — р '
C(NH4)2S2O8
195 700
25Q = /83 л/ч.
5) Убыль концентрации H2SO4 в электролите
98,1
ЛГ _ <?5нло4 («Н+ - 0-15) 2015 —(0,68-0,15)
ДСн2зо4-------=----------------------------783--------- =
= 66,8 г/л.
6) Убыль концентрации (NH4)2SO4 в электролите
. _ Q5(NI1,).SO4 (°’85+'г1\щ)
flC(NH4),SO4---------------------------
La
132,1
2015 ----(0,85 + 0,08)
= ----------------------- = 158 г/л.
7) Концентрации компонентов в вытекающем анрлите
CHoSO4 = 260 —66,8= 193,2 г/л;
C(XH4)2so4 = 213 — 158 = 55 г/л.
91. При получении надсерной кислоты H2S2Os элек-
тролизом раствора серной кислоты применен каскад из
27 последовательно соединенных ванн нагрузкой / =
= 1000 а. Свежий электролит, поступающий первона-
98
чально в катодное отделение верхней ванны каскада,
содержит [H2SO4]KaT = 510 г/л. Католит, последователь-
но прошедший все ванны каскада, используется затем в
качестве анолита.
Какова должна быть скорость циркуляции католита
(и анолита), если концентрации H2S2O8 в вытекающем
анолите должна составлять 250 г/л, а выход по току
для персульфата Вт = 76%? Какая концентрация H2SO4
будет достигнута в электролите после прохождения его
через катодные и анодные пространства ванн каскада?
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ваннах
2H2SO4-> H2S2O8 + Н2
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:
МНАО, 194,1 „
?H2s2oe - zF ~ 2-26,8 ~ 3,62 г^а ’
Mn2so4 98,1
^h2so4— zF ~ 1-26,8 ~ 3,66 г^а ’ ч‘
3) Количество H2S2O8, образующееся за 1 ч в каскаде
£h2s2Os ’ ^H2s2o8 n®T ~ Ю00 • 1 • 3,62 • 27 • 0,76 = 74300 г.
4) Необходимая скорость циркуляции электролита
^H2S2OR 74 300
v~ {H2S2O8] = 250 - 297 л/''-
5) Убыль концентрации H2SO4 в ходе электролиза
А , lzq\lso/!Bt 1000 • 1 • 3,66 • 27 - 0,76
Д [H2SO4J — r) — — 253 г/л.
297
99
6) Концентрация H2SO4 в вытекающем анолите
[H2SO4]aH = [H2SO4]KaT — Д [H2SO4] = 510 — 253 = 257 г/л.
(Миграция ионов в этом расчете не должна приниматься во внима-
ние, так как один и тот же раствор проходит последовательно ка-
тодные и анодные отделения электролизеров.)
92. В электролизер непрерывного действия нагрузкой
7= 12 ка для получения хлората натрия NaC103 по-
дается раствор, содержащий NaCl 280 г/л, NaC108 55 г/л.
Концентрация NaC103 в выходящем электролите должна
составлять около 290 г/л.
Рассчитать: а) необходимую скорость подачи раство-
ра в ванну, если выход по току для хлората Вт = 85%;
б) содержание NaCl в электролите, вытекающем из ван-
ны; в) удельный расход электроэнергии на 1 т хлората
(в растворе), если напряжение на ванне VB = 4,0 в.
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ванне
NaCl + ЗН2О -> NaClO8 + ЗН2
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:
_ MNaCl 58,45 _
^NaCl “ ' zF ' = 6-26 ,8 “ 0,363 г1а ' Ч>
^NaCIO, 106,45
WlOa- zF - 6-26,8 - 0,662 г1а ‘ ч;
мнго 18,0 п ж
9нао- zF ~ 2-26,8 - 0,336 г1а ' ч‘
3) Часовая производительность ванны по NaClO3
g = /т<? , В' = 12 000- 1 .0,662.0,85 = 6750 г/ч.
6NaClO, ~NaClO, т г
100
4) Часовой расход воды на электролиз
gH о = /тдн о В* = 12 000 • 1 • 0,336 -1,0 = 4030 «4,0 кг{ч
(вода расходуется в эквивалентных количествах на основной и по-
бочный процессы, поэтому = 1,0).
5) Определим скорость вытекания раствора из ванны. При рас-
четах примем для упрощения, что объем раствора в ходе процесса
уменьшается на объем воды, израсходованной на электролиз.
Обозначим цкон — скорость вытекания раствора из ванны. Тогда
увеличение содержания NaClO3 в растворе
^NaClO3 ~ ^кон (укон + 1МаСЮз]пач,
6750 = Укон 290 — (^кон ~Ь 4) 55,
отсюда
^кои — 27,8 л111<
6) Необходимая скорость подачи вежего раствора в ванну
^нач = ^кон + п = 27,8 + 4,0 = 31.8 л/ч
7) Часовой расход NaCI на электролиз
а _ = /то В' = 12000 • 1 . 0,363 • 0,85 = 3700 г/ч.
sNaCI ^NaCl т
[NaCI]K0H —
8) Концентрация NaCI в выходящем электролите
[NaCI]„a4vlla4 —gNaC[ = 280 • 31,8 — 3700 = 187
цКон 27,8
9) Удельный расход электроэнергии
4,0-1000
= ?N.CIO R,~ = °’662 * 0,85 = 7120 К™1'111”1 NaC103-
93. При электролитическом получении хлората калии
КС1О3 в верхнюю ванну каскада из 15 ванн нагрузкой
/ = 1000 а подается смешанный электролит содержа-
101
щий 190 г!л NaCl, 120 г!л КС1,80 г!л КС1О3 ([КС1О3]пач) и
присадку бпхромата натрия. Раствор, выходящий из
последней ванны каскада, содержит [КСЮ31К011 -= 190 г/л
и [NaC103]K():l - 100 г л.
Каков выход по току для КС1О3 и NaClO3, если с
каскада получено за сутки <?К()11 = 1030 л раствора выше-
указанного состава? Какова концентрация NaCl и КС1
в выходящем электролите?
Решение
1) Реакции основных электрохимических процессов в ванне:
NaCl л- ЗН2О-> NaClO3 + ЗН2
КС1+ 31I.O-* ксю3 + зн2
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакций:
Л1ксю3 122,55
’kciOj = = 6Ж8 = °-763 г1а ' ч>
74.55
’ко = = 6^0 = °’464 г/а •
д = 0,662 г/а • ч\
1\таС1О3 ’ 1 ’
<7v,rt °’363 г1а
А аС I
<7Н 0 = 0,336 г]а ч.
3) Расход воды па электролиз за сутки
£цо = ЧюВт'г = 1000 ’ 24 ’ 0,336 ’ СО • 0,15= 121 000 г
(в расчете примем следующие допущения: неполное использование
тока па получение хлората обусловлено только электролитическим
разложением воды; уменьшение объема раствора при электролизе
равно объему воды, израсходованной на электрохимический процесс).
4) Объем рас вора, подаваемого за сутки в ванны каскада
^нач = ^коп + glk0 = ЮЗО + 121=1151 л.
102
5) Количесио КС1О3, полученного за сутки
IKCIO-U, г'ко,, - IKCIO.,],,,, п„ач = 190 • 1030 - 80 • 1151 -
=- 103 GOO г.
6) Выход по току для КС1О3
в'
4.-КТ _ 103 600
^теор ^KClOj
100 “ 1000 • 24 • 0,763- 1о 100 ~
__ 07 70/
-- О1 , / /0 •
7) Выход по току для NaC103
£факт [NaC103]K0H с?|<ои
a" IUU" I~q ’ и 1UU
ьтсор 1\\1С1О3
100 . 1030
1000-24-0,662-15 100
= 43,3%.
8) Расход 1{С1 на электролиз
Ag = /тп В' п =-- 1000 • 24 • 0,464 • 0,377 • 15 = 63000 г.
ёКС1 'KCI т
9) Расход NaCl на электролиз
Ag = Izq , В" 11 = 1000 • 24 • 0,363 • 0,433 • 15 = 56 600 г
6 NaCl 'NaCl т
10) Концентрация хлоридов в выходящем электролите:
[КС11,;о|, = [КС1]1|ачр1|ач-Д£кс1 _ 120-1151 - 63 000 _7 t'KOH 1030 г/Л'
[NaCl]K0H = [NaCl]Iia„v„a4 — AgXi,ci _ 190-1151—56 600 _ юзэ = 157,5 г/л.
94. На биполярном электролизере для производства
гипохлорита натрия NaClO, состоящем из 22 последо-
вательных ячеек, нагрузкой каждая / = 50 а, за 10 ч
непрерывной работы получено v3 = 960 л белильного ра-
створа с концентрацией NaClO 10,2 г/л. Исходный ра-
103
створ содержит NaCI 180 г!л. Напряжение V на элект-
ролизере составляет в среднем 108 в.
Рассчитать: а) выход по току для NaClO; б) удель-
ный расход электроэнергии на 1 кг NaClO; в) удельный
расход NaCI; г) коэффициент использования NaCI при
электролизе (считать объемы растворов при электролизе
неизменными, пренебрегая расходом воды на разложе-
ние и испарение).
Решение
1) Основной электрохимический процесс
NaCI+ Н2О-> NaClO+ Н2
2) Электрохимические эквиваленты
MNaCi 58,45
^NaCl “ zF 2-26,8 ~ ’09 г!а-ч\
^NaClO 74’45
?NaC10— zF ~ 2-26,8 — С39г/^-ч.
3) Теоретическое количество NaClO, которое можно получить
с электролизера за 10 ч работы
£теор = IT^NaC10 = ^9 •10•1,39 • 22 = 15 300 а.
4) Фактическое количество полученного NaClO
£факт = ^NaClO = 10,2 -960 = 9790 е.
5) Выход по току
£факт 9790
= 10°=151б0 1°0 = 64,°%-
6) Удельный расход электроэнергии
Ж 50-108-10
Wa- = —-----=-----Отой— = 5,52 квпг-ч1кг.
g £фэкт 9790 1
104
7) Удельный расход NaCl на 1 кг NaClO
u3CN.ri 960-0,180
=—= 17.7 zca.
8) Количество прореагировавшего NaCl
gNaC1 = /т^хХаС1/гВт = 50.10.1,09.22-0,64 = 7670 г.
9) Коэффициент использования NaCl (выход по веществу)
#NaCI 100 7670
95. В ванну периодического действия для получения
перхлората натрия NaClO4 нагрузкой / = 12 ка залито
Цт = 7,0 м3 раствора, содержащего !NaClO3]Iia4 = 700 г/л.
Процесс электролиза проводится до достижения
[NaClO3lK0II = 50 г!л со средним выходом по току Вг =
= 80 % и напряжением V = 6,0 в.
Рассчитать: а) длительность одного цикла работы
ванны; б) объем электролита в ванне в конце цикла ее
работы (считать, что изменение объема раствора пол-
ностью обусловлено электролитическим разложением
воды); в) концентрацию NaClO4 в конечном растворе;
г) удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO4
(в растворе); д) коэффициент использования NaClO3.
Решение
1) Реакция основного электрохимического процесса
NaClOj + Н >О = NaClO4 + Н2
2) Электрохимические эквиваленты основных компонентов реакции:
^NaClOl Ю6,4а
^NaClO. = = 2-26,8 = 1 ’98
MNaCIO« 122,45
^NaClO4 — zF — 2-26,8 — 2,28г/(;-ч;
Mll2o 18,0
9н.О~ zF ~ 2-26,8 — °>33(’ г/а-ч.
105
3) Для расхода воды при электролизе выход по току В’т близок
к 100%, Для нахождения количества воды gHzO, расходующейся при
электролизе, выразим количество протекшего электричества Q через
расход NaC103 и воды при электролизе
$ _ gNaC103 gH8O
^NaCIOe Вт ?Н2ОВт
Выражая расход NaC103 при электролизе через концентрацию
соли [NaC103] и объем электролита и, получаем уравнение
[NaC103] пач инач [NaC103]K0H (иНач £н2о) ^н2О
?NaC10J Вт 4н2ОВт
Подставляем числовые значения
700-7000 - 50 (7000 - £fH;O) gHiO 1000
1,98-0,80 = 0,336-1,0 *
отсюда находим £Ы2О = 975ка.
4) Объем электролита в ванне в конце цикла ее работы
^кон = ^нач £н о “7000 — 975 — 6025 л.
5) Количество NaClO3, реагирующего при электролизе (см.
уравнение в п. 3)
700-7000 — 50 (7000 — 975)
gNaC103 = Ю00 = 4600 KZ'
6) Коэффициент использования NaClO3 (выход по веществу)
gjsjaCIO 4600
“• - 100 = -ттл 100 - 93'9%-
7) Продолжительность цикла работы ванны
ffN.CIO, 4600000
т =------------г =-------------------= 242 ч.
^iNaCio, вт 12000-1,98-0,80
106
8) Концентрация NaC104 в конечном растворе
yk'OH
12 000.212-2,28-0,80
’ 6025
— 879 г/л.
9) Удельный расход электроэнергии на 1 кг NaClO4.
Wg =______К______ = = 3,29 квпг-ч.
?NaCIO4 Вт 2,28-0,80
96. Перманганат калия КМпО4 получается электро-
лизом щелочного раствора К2МпО4 путем окисления
иона MnCh на нерастворимых анодах. Анодный выход по
току Вт для КМпО4 при таком процессе составляет
около 50%.
Какое количество электролизеров нагрузкой / =
= 1400 а необходимо установить в цехе с годовой про-
изводительностью — 2000 т КМпО4, если потери
КМпО4 при его кристаллизации составляют 5% (/< =
= 0,95), а машинное время работы ванн равно 0,90?
Решение
1) Суммарная реакция основного электрохимического процесса
в ванне
К2МпО4 + Н2О —> КМпО4 + КОН + у Н2
2) Электрохимический эквивалент КМпО4
_ МКМпО, _ 158 _
^КМпО. — гр ~ 1-26,8 — 5,90 г/о-ч.
3) Годовая производительность одного электролизера
выхода по току Вт, машинного времени работы ванны f
КМпО4 при кристаллизации
г т. 1,4-24-365-5,90-0,50-0,95-0,90
В» = /т^вгк/ =-------------------------------=._ 3] о Л
с учетом
и потерь
1000
107
4) Необходимое количество ванн в цехе
2000
п =----—--------— 64,5 66 ванн
31,0
(устанавливается обычно четное число ванн из-за удобства расположе-
ния их в серию).
97. Искусственная двуокись марганца МпО2 может
быть получена электрохимическим окислением ионов
Мп2+ в ванне с нерастворимыми анодами и сернокислым
электролитом.
В электролизер периодического действия для полу-
чения МпО2 нагрузкой 1000 а залито ц1ач = 1,5 м3 раст-
вора, содержащего |MnSO4]Iia4 = 300 г/л, [H2SO4]lia4 =
= 180 г/л. Цикл работы ванны продолжается до
[MnSO4lKOH = 50 г/л. Средний выход по току ВтдляМпО2
около 80%.
Рассчитать: а) продолжительность рабочего цикла
ванны; б) количество МпО2, получаемого за этот период;
в) концентрацию H2SO4 в отработанном электролите
(принять, чю уменьшение объема раствора при электро-
лизе равно объему воды, принявшей участие в электро-
химическом процессе); г) выход по веществу.
Решение
1) Суммарная реакция основного электрохимического процесса
в ванне
MnSO4 + 2Н2О —> МпО2 + Н2 + H2SO4
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:
MM„so4 151,0
?Mnso4 — гр — 2-26,8 — 2,82г/а-ч;
^МпО2 86,9 _
‘?МпО2= гр — 2-26,8 — 1.62е/а-ч;
108
a1i<so4 98,1
^II2SO4 = zP = 2-26,8 ~ 1 ’83г/ач'
MH,O 18.0
?Н,О = zF - 1-26,8 -°-672<?7“-* * 4 5 * *-
3) Определим количество воды £HoO , реагирующей при элект-
ролизе. Для этого процесса выход по току близок к 100%. Согласно
условию задачи, 80% проходящего тока ( Вт) соответствует расходу
воды с 7Н^О = 0,672 г[а-ч, а 20% тока (Вг) расходуется на реакцию
н2о—>н2 + у О2,
в которой 9Нг0 = 0,336 г 1(1'4.
Количество протекшего электричества
£мп$о4 [MnSO4]Iia4 инач [MnSO4]KOH (уПач £н.о)
^MnSO4BT ^M11SO4BT
_______£н2о_________
^Н2ОВт + ?Н2ОВт
Подставляем соответствующие числовые значения и решаем уравнение
относительно 0
300-1500 —50(1500 —gHoO) gIL0 1000
2,82-0,80 = = 0,672-0,80 + 0,336-0,20 ;
£н2О ~ ЮЗ кг.
4) Количество реагирующего MnSO4
^Mnso4 = 300’ I500 — 50 (1500 — 103) = 380 100 г.
5) Длительность рабочего цикла ванны
^M.,so4 380100
т —-----------— =-------------------_ 169 ч.
1000-2,82-0,80
109
6) Количество МпО2, образовавшееся за рабочий цикл
, 1000.169-1,62.0,80
а = / хи В =---------------------г----------= 219 кг.
^МпОз 'МпО., т ЮОО
7) Количество H2SO4, образовавшейся за рабочий цикл
, 1000-169-1,83-0,80 л
#H2so4 ~ /*‘?H2so4 Вт — 1000 — 218 кг.
8) Концентрация H2SO4 в отработанном электролите
[Н2$О4]КО11 —
унач &Н2О
180-1,5 + 248
1,5 — 0,103
= 371 г/л.
8) Выход по веществу
£Mnso4 380 100
Вв = lMnSO4]„a„ +. 100 = М 100 = 84-5%.
98. Одним из способов получения свинцовых белил
2РЬСО3-РЬ(ОН)2 является анодное растворение металли-
ческого свинца в ацетатно-содовом электролите при
разделенных диафрагмой анодном и катодном простран-
ствах. Расход карбоната, удаляющегося с твердыми
продуктами из ванны, восполняется продувкой СО2 через
электролит.
Рассчитать среднесуточную производительность по
свинцовым белилам ванны нагрузкой / = 1200 а, если
выход по току Вт = 97?6. Каков удельный расход элект-
роэнергии на 1 т свинцовых белил (напряжение на
ванне Ув = 3.5 в)? Какой срок служат свинцовые аноды
толщиной о= 10 мм, если анодная плотность тока Da=
= 300 а м2 (аноды полностью погружены в электролит;
работают обе плоскости анодов)? Неиспользованные ос-
татки анодов (скрап) составляют 13°6 от их первона-
чальной массы; машинное время работы анодов f =
= 0,95; анодный выход по току равен катодному. Какой
объем (приведенный) СС\ нужно подавать в католит
1Ю
для восполнения расхода карбоната (считать использова-
ние СО2 100%-ным; не учитывать миграцию ионов ОН")?
Решение
1) Суммарная реакция электрохимического процесса
ЗРЬ + 6Н2О + 2Na2CO3 —> 2РЬСО3 - Pb (ОН)2 +ЗН2 + 4NaOH
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:
Qpb = 3,87 efci'4\
Мбел 775,6
^ = -^- = T^J = 4>83 г1а-ч.
3) Суточная производительность ванны по свинцовым белилам
(при непрерывной работе)
1200.24.4,83-0,97
£бел = /ЧбелВт =--------—--------г = 135 о/сутки.
4) Удельный расход электроэнергии
Vb 3,5-1000
Г_ =---------- = 747кеш-ч1г.
е <7белВт 4,83-0,97
5) Определим часовой расход углекислого газа. Продуваемый
углекислый газ нейтрализует образующуюся щелочь по реакции
СО2 + 2NaOH-----> Na2CO3 + Н2О
Следовательно, для нейтрализации 4 моль NaOH, образующихся
согласно суммарной реакции, потребуется 2 моль СО2. Отсюда ка-
жущийся электрохимический эквивалент СО2
2-22 400
Qrn = ----= 279 мл1а-ч.
6-26,8
Тогда подача СО2 в ванну составит
1200.1.279-0,97
усо2 “ ^со2вт— — 32э л]ч.
6) Вес 1 м2 анодов
gpb = Stapb 10 000-1,0-11,3= 113 000 г,
111
из них растворяющаяся часть
gpb= 113000 (1 —0,13) = 98 300 г.
Продолжительность службы анодов
, еРЪ 98 300
х = /<7рЬВг/ = (300-2) 3,87-0,97-0,95 = 46
где / — сила тока, приходящаяся па 1 л2 площади анодов, равна 2£)а.
99. Для изготовления прорезиненных тканей может
быть использован метод электрофореза, при котором
лента ткани непрерывно скользит вдоль поверхности
анода, погруженного в каучуковую эмульсию.
Какова должна быть скорость движения ленты ткани
шириной 90 см, если усредненная толщина нанесенного
слоя резины о равна 0,5 л/л, а удельный расход электро-
энергии Wg на 1 кг каучука составляет 0,10 квт-ч? Длина
анодной коробки L = 1,0 м (ее ширина равна ширине
ткани). Напряжение на аппарате V — 60 плотность тока
D = 500 а м2. Плотность резины принять d = 1,07. Какова
часовая производительность аппарата?
Решение
1) Определим продолжительность процесса нанесения каучука
на 1 Л!2 ткани. Ыа него нужно осадить каучука
gpc3 = Sld= 10 000-0,05-1,07 = 535 г.
Необходимо затратить электроэнергии для изготовления 1 м2 проре-
зиненной ткани
№ = gpesW'g' — 535-0,1 = 53,5 вп1'Ч1м2.
Мощность электроэнергии, oiнесенная к 1 м2 анодной поверхности
N = DV = 500-60 - 30 000 вт.
Время прохождения ленты ткани через всю анодную коробку
W 53,5
т = —— = ~т—~- 60 — 0,107 мин — 6,42 сен.
N 30 000
112
2) Скорость движения ткани
L 1,0
и = — = ---------= 9,34 mJ.мин.
т 0,107
3) Часовая производительность аппарата
Л = 9,34-60 — 560 м/ч,
или
560-0,9 = 504 м~/ч.
100. Для электрохимического обессоливания воды
использован трехкамерный электродиализа гор, катодное
пространство которого заполнено слабым раствором
NaOH, анодное пространство — слабым раствором H2SO4;
в среднюю камеру подается обессоливаемая вода, содер-
жащая 14 г!л соли (для простоты считать, что солевая
примесь полностью состоит из Na2SO4).
Какую амперную нагрузку должен нести электродиа-
лизатор, чтобы производить за 1 ч 20 л воды (v = 20л),
содержащей половину первоначального содержания соли?
Числа переноса: а) на границе католита и средней
камеры: /?ОН_ = 0,82; nNa+= 0,18; б) на границе аноли-
та и средней камеры: == 0,18; /гн+ = 0,82.
Решение
1) При прохождении 1F электричества из катодного пространства
в среднее мигрирует 0,82 г-иона ОН"; в обратном направлении пе-
рейдет 0,18 г-иона Nah; нз анодной камеры в среднюю при этом
перейдет 0,82 г-иона Н+ и в обратном направлении мигрирует
0,18-72 г-иона$<У~ (соответственно числам переноса для отдельных
ионов).
113
Суммарное изменение содержания компонентов в средней камере
после прохождения 1F электричества
+ 0,82ОН- — 0,18Na++ 0.82Н+— 0,18 • i/2 SO*” =
= + 0,82Н2О — 0,18 .i/2 Na2SO4
2) Убыль содержания Na2SO4 за 1 ч в среднем отделении
^Na2SO4= V^C = 20’7 = 140
или 1,97 г-экв Na2SO4.
3) Необходимая амперная нагрузка на электродиализатор
1,97
/ = -Q — = 10,95 F14 = 293 а.
101. Гексаметилендиамин H2N(CH2)6NH2 — исходный
продукт для получения некоторых синтетических веществ,
можно получить электрохимическим путем — катодным
восстановлением адипонитрила N = C(CH2)4C = N в со-
лянокислом растворе при разделении диафрагмой катод-
ного и анодного пространств ванны. При катодном про-
цессе адипонитрил может восстанавливаться до гекса-
метилендиамина (ГМД), гексаметиленимина (ГМИ) идо
аминокапронитрила (АКН):
a) N=C(CH2)4C = N + 8Н+4-8ё—> H2N(CH2)eNH2
гексаметилендиамин
б) N = C(CH2)4C = N4-8H++8e-> (CH2)6NH + NH3
гсксаметиленимин
в) N =С(СН,)4С = N + 4Н++ 4ё-> N = C(CH2)5NH2
аминокапронитрил
Из ванны нагрузкой / = 5000 а получено за 1 ч v3 =
= 29,5 л католита, содержащего 39 г/л ГМД, 32 г/л АКН,
8 г/л ГМИ и 9 г/л адипонитрила.
114
Какая доля катодного тока затрачена на каждую
из трех вышеперечисленных реакций? Какова степень
участия в катодном процессе адипонитрила, вводимого
в исходном католите (для упрощения расчета не прини-
мать во внимание возврат амииокапроиитрнла в процесс)?
Каков объем водорода, выделяемого за 1 ч в ванне?
Решение
1) Электрохимические эквиваленты компонентов реакций:
Л fг ’ Г 116
л — 1 1 - 9гмд zp _ Л,АКН _ ^АКН “ 2F ' п _ Л11МИ _ <7гми =0,511 8-26,8 112 : . = 1,045 г/и • ч\ 4-26,8 99 : = 0,462 г/а-ч. 8-26,8
2) Количества катодных продуктов, полученных за 1 ч в ванне:
а) £гмд “ ^ТМ С’э = 39-29,5 = 1150 г/ч\
б) ^АКН “ С АКИ1’* = 32-29,5 = 944 г,ч\
в) £гми ~ Сглш1’э = 8-29,5 = 233 г/ч.
3) Выходы по току для отдельных катодных продуктов:
а) для ГМД
, £факт ьггм'1
вт = —-—100 = —
£теор ^~б/[МД
100 =
1150
5000-1-0,541
10J = 42,5%;
б) для А КН
941
500U-1-1,015
100 = 18,0%;
в) для ГМ И
в;=
_ 236
5009-1-0,
— 100 - 10
• ,*>
115
4) Количество прореагировавшего адипонитрила (АН) в расчете
на 1 л вытекающего католига
М\н । г И
-------гЧ'МИ —------
А1лкн А1гми
108
99
Млн
ДСАН = СГМД --------
/МД
108
— 39----- -I- 32---- 8-------= 75,9 г/л.
116 1 112 99
Г Сдкн
108
112
5) Степень участия адипонитрила в катодном процессе (степень
разложения)
ДСХИ 75,9
Кп =-------1----- 100 = ———-— 100 - 89,4%.
АСдн + £дц 75,9 + 9,0
6) Выход по току для водорода
В^2 = 100—(в' -I- В" + В^) — 100 —(42,5 + 18,0 + 10,2) =
= 29,3%.
7) Объем водорода, выделяемого в ванне за 1 ч
и 5000-1-418-0,293
ун — /'7н овт = ----------/Л'Т/ЛХ-----— 0,613 нм21ч.
н- чн2о Т 1000-1000
102. На приготовление католита для ванн электро-
химического получения гексамстилсндиампна (см. зада-
чу 101) идет 10%-ная соляная кислота плотностью 1,047,
являющаяся отработанным анолитом тех же ванн.
Рассчитать, какую концентрацию НС1 и какой объем
должен иметь анолит, поступающий в ванну нагрузкой
I 5000 а, чтобы на гыхсде из ванны он содержал
10% НС1 (без \чета потерь воды и НО на испарение),
а объем выходящего анолита должен быть достаточен
для приготовления католита. Необходимая скорость no-
д'чи католита в ванну 30 .м/. Считать, что такой же
объем должен иметь и выходящий анолит (уан = укат).
116
Числа переноса в НС1: пн+ = 0,83; яс1_ = 0,17. Аноды
нерастворимые.
Решение
1) Составляем анодный баланс для ванны:
а) разряд
CI -~е —>уС18
б) перенос
+ /гС]_С1_ —
в) суммарный анодный баланс
-С1“ + 7 + -у С12 + nCI_ Cl" - пн+ Н+ =
= -/гн+НС1 + у С12+?
(при приведении подобных членов учитываем, что 1—/?с1_ = пн+)«
Согласно полученному анодному балансу, можно судить, что
при прохождении \F электричества в анолите произойдет убыль
пн+ моль НО.
2) Изменение за 1 ч содержания НС1 в анолиге ванны составит
/т 5000-1
— р Пн+^НС1 ~ о 0.83-36,5 — — 5650 г/ч.
Г ZO, О
3) Выходящий анолит должен иметь массу
^ан ~ уан = 30• 1,047 = 31,4 кг,
в том числе:
, , Ю
#НС1 — 31’4 |00 - 3’14
gHa0 =(31,4 — 3,14) = 28,26 кг.
117
4) Поступающий анолит должен содержать следующее количест-
во НС1 и IM):
Slid ~ - Snci — Л«н< 1 31ю !’ 5650 = - 8790 г<
£„,0 = 28 260 г.
5) Процентное содержание НС! в поступающем анолиге
|НСПна„ = gH^ — =-----------8790100 = 23,7%.
Slbo+Siici 28 260-1-8/90
Такая кислота имеет плотность dlia4 = 1,118 г/см3.
6) Объем поступающего анолита
г £н2О + £нс1 28 260-(-8790
= = М18 = 33’1 л'
103. При анодном окислении натриевой соли моно-
метилового эфира адипиновой кислоты
H3COOC(CH2)4COONa образуется диметиловый эфир се-
бациновой кислоты Н3СООС(СН2)8СООСН3, из которого
путем гидролиза можно получить себациновую кислоту
НООС(СН2)8СООН — исходный продукт в производстве
некоторых синтетических волокон.
Рассчитать выход по теку для диэфира, если за 8 ч
работы ванны нагрузкой I 7000 а получено £диэф =
= 92 кг диэфира. Каков удельный расход электроэнер-
гии в расчете на 1 т себациновой кислоты, если выход
по веществу при гидролизе Вц = 95%, а напряжение V
на электролизе составляет 9,5 в>
Суммарная реакция процесса электролиза
2H3COOC(CH2)4COONa+H2O->H3COOC(CH2)8COOCH3+
4-Na2CO3-|-CO2-|-H2.
Реакция гидролиза диэфира
Н3СООС(СН2)ьСООСН3+2Н2О->
НООС(СН2)8СООН+ 2СН3ОН
118
Решение
1) Электрохимический эквивалент диэфира
Мшэ 1> 230,4
<7диэф= — 2-26,8 =4,3 г1а'4-
2) Теоретическое количество диэфира, которое можно получить
с ванны за 8 ч процесса
£теор = <7диэф~ 4,3-7,0-8 = 240,5 кг„
3) Выход по току для диэфира
Вт=^1°°=Ш5- 100 = 38.2 %.
4) Выход себациновой кислоты из 8-часовой продукции ванны
Мс.к „ „„ 202,3
§С.к —^диэфд,
б) Удельный расход
/Гт
= “7------------
£с.К
104. Рассчитать,
ных, теоретическое
цесса, протекающего при электрохимическом получении
МпО2 из MnSO4:
MnSO4 + 2H2O^MnO2+H2SO4+H2
Решение
1) Для расчета £разл воспользуемся уравнением, связывающим
э. д. с. системы с изменением свободной энергии ДФ при основном
электрохимическом процессе
ДФ
£разл = — 2рт J
ДФ =2ДФКОП — 2ДФнач = ДФмп5О4 + 2ДФн2О “ ДФМпО2 —
- Дфн,5О4 “Афн,о = — 228,48 — 2 • 56,7-4- 111,44- 177,3 — 0 =
= —53,18 ккал\
1диэф В“ ~ 92 230,4 °-9°-76-7 кг-
электроэнергии на 1 пг себациновой кислоты
7000-9,5*8
= 6940 кет-чIпи
“ 76,7
ИСХОДЯ из
напряжение разложения для
термодинамичес ких
дан-
ппо-
119
(«конечными веществами» при расчете считаются те вещества, ко-
торые получаются при самопроизвольном протекании процесса, в
данном случае MnSO4 и Н2О).
53,18
£ра.|.1 = 2-23,06 1=1’!5в.
105. Рассчитать, основываясь на термодинамических
данных, теоретическое напряжение электрохимического
разложения воды при +80°С и 1 атм
н2о -> н2 + 4-о2
Решение
Изменение термодинамического потенциала Гиббса при реакции
ДФ298 — ^фн О Афн — 2 АФО ——56,69 ккал.
Напряжение разложения при + 25°С
_ ^Ф298 _ 56,69
^298 — — zpT — 2-23,06 -
Напряжение разложения при температуре Т
dE
—£298 др »
так как
dE Д£э
dT “ zFj ’
отсюда
Ет= ^298 + zpT
Изменение энтропии при реакции
ДЛ'э =SH2o - ( = 16-7-(з1.2+449’0) =
= — 39,0 кал.
J20
Напряжение разложения при + 353°К
39,0
^353 ~ 1,23 2.23 060 (80 25) = 1,183 в.
106. Как изменится напряжение электрохимического
разложения воды при + 80°С, если давление газов при
процессе (без учета парциального давления паров воды)
повысить с 1 до 10 атм?
Решение
Напряжение разложения при 1 атм и 80°С
Е353 = 1,183 в'(см. задачу 105).
Зависимость э. д. с. кислородно-водородной системы от давления
газов выражается следующим уравнением, полученным на основании
уравнения Нернста
„ „1 0,0002 Т , 4-„ _
^разл ?Ог ’’’На ^разл "Ь 2 ® ^О,
3
= 1,183+0,0001 (273+80) 1g 10 2 = 1,236 в.
107. Рассчитать по термодинамическим данным тео-
ретическое напряжение разложения водного раствора
NaCl при 90°С для электрохимического процесса в ди-
афрагменном хлорном электролизере. Реакция:
NaCl+H2O->MaOH++ С12 + + Н2
Температурный коэффициент э. д. с. для электрохи-
мической системы Н2|ОН~ i :С1"|С12 равен —0,0004 в/°С.
Решение
1) Изменение энтальпии при реакции
^^298 = (-^NaCl + + А^Н2О “ NaOH +
+ AH")-4-^ci2-4-AHh2 =
= (—98,24-0,46) — 68,3—(—102,0—10,3)—0—0=—53,74 ккал/молЬ,
121
где Л/7' и ДА/"— изменения энтальпии при растворении NaCI и NaOH.
2) Из уравнения Гиббса—Гельмгольца находим напряжение раз-
ложения
ДА/->()8 dE 53,71
^зоз “ -~zFt~ ~df = 1-23,06 363*6,ООО 1 == 2,185 в,
где Т = 363Ж.
108. Каковы значения теоретического расхода элек-
троэнергии на 1 tn едкого натра и на 1 m хлора при
диафрагменном способе электролиза хлорида натрия,
если теоретическое напряжение разложения водного
раствора NaCI равно 2,18 в?
Суммарная реакция процесса
NaC4-H.,O->NaOH + -i-Cl2+ Д-Н2
Решение
1) Электрохимические эквиваленты продуктов реакции
^ХаОИ
^NaOH “* zF
40,0
1-26,8 - 1,49
<7С1, = 1 «325 г/а-ч.
2) Для значений
по току принимается
теоретического расхода
равным
U-/ _ £1’аз1
"NaOH--------------
*>NaOH
ЮО %
2,18-1000
1,49
электроэнергии выход
1462 квп1-ч/т\
_ Яразл 2,18-1000
С1’ ” = г 325” = 1645 квт -ч1т-
109. Сечение графитового анодного стержня в хлор-
ном электролизе диафрагменного типа (до работы) рав-
но 50x50 мм; общая длина анода 1,0 м; длина его ра-
бочей части 0,75 м. Нагрузка на один анодный стер-
жень 50 а. Удельное сопротивление графита р=8ом-мм1. м.
122
Рассчитать падение напряжения в анодах электроли-
зера в начале и в конце рабочего цикла, считая, что к
концу периода эксплуатации ванн сечение рабочей части
анодов уменьшается на 05%.
Решение
1) Проходное сечение анодного стержня в начале эксплуатации
(в нерабочей части анода оно остается неизменным):
Si = 50-50 = 2500 мм2.
2) Падение напряжения в нерабочей части анода
/i 0,25
Ду1=//?==/?^_ =50-8 ^500 = 0,04в.
/, = 1,0 — 0,75 = 0.25 м,
где li—длина нерабочей части анода.
3) Падение напряжения в рабочей части анода в начале эксплуа-
тации ванны — Д1%.
При расчете необходимо принимать во внимание изменение го
длине анода силы тока, которая при этом уменьшается от 50 а до 0.
Поэтому при расчете этого анодного участка принимаем среднюю ве-
личину тока
Тогда
/о 0,75
Д1% = %р Р = 2^-8 25qq = 0,06 в.
4) Суммарное падение напряжения в анодах в начале эксплуата-
ции ванн
ДГ = 0,04 4- 0,06 = 0,10 в.
5) Сечение рабочей части анодов в конце их эксплуатации
S2 = 2500-0,35 = 875 мм2.
6) Потери напряжения в рабочей части эксплуатировавшихся
анодов
0,75
ДУ3 = 25-8-gyg-= 0,172 в.
123
7) Суммарное падение напряжения в работавших анодах
ДГ'= + AV3 = 0,04 + 0,172 = 0,212 в.
ПО. В качестве электролита в ваннах для электро-
лиза воды использованы: а) 17?о-ный раствор NaOH,
б) 27%-ный раствор КОН. Электродная плотность тока
2000 а!м2. Межэлектродное расстояние 5 мм. Газона-
полнение электролита 20 %. Температура процесса+80°С.
Каково падение напряжения в электролите ванны
(не учитывать некоторого увеличения сопротивления за
счет наличия диафрагмы в межэлектродном пространст-
ве)?
Удельные электропроводности при +80°С: для рас-
твора NaOH = 1,0 ом^-см'1, для раствора КОН х2
= 1,28 олН-слг1.
Решение
1) Определяем увеличение сопротивления электролита за счет
газонаполненпя. Расчет поправочного коэффициента сопротивления
раствора проводим по формуле Машовца [9]
% = 1—1,78 Г+Г2 = 1—1,78-0,2+0,22 = 1>46’
где Г — степень газонаполненпя раствора.
2) Падение напряжения в натриевом электролите
К I I КЛ 2000 1,46-0,5
Д|/1 = IR =» / • s = s • Х1 = юооо 1,0 -
= 0,146 в.
3) Падение напряжения в калиевом электролите
111. Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой / =
= 20 000 а работает с выходом по току Вт = 95% при
напряжении V = 3,4 в.
124
Какое количество джоулева тепла выделяется за
1 ч в ванне (без учета тепла от сгорания анодов и теп-
ла при электролизе воды)?
Теплота реакции
NaC14-H2O -> NaOH + Н2 + -Р С13
равна—52,9 ккал! моль NaCl (с учетом теплот растворе-
ния и разбавления).
Решение
1) Тепловое напряжение разложения
QT 52,9
£т----zFt - ,.23 06 - 2,29в.
2) Количество джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в ванне
Qr = 0,860 / (V—ЕТ5Т) =0,860• 20 000 (3,4—2,29• 0,95) = 21 100 ккал 1ч.
При расчете сделано допущение, что снижение выхода по току пол-
ностью обусловлено процессами с напряжением разложения, равным
нулю, например обратным взаимодействием электродных продуктов.
112. Рабочее напряжение на ванне при получении
персульфата аммония равно 5,0 в. Сила тока равна
1000 а. Выход по току Вт для персульфата 82% (счи-
тать, что 18% тока—Вт"—тратится на разложение во-
ды); температура процесса +20оС (такой же считать и
температуру окружающей среды).
Рассчитать часовой расход охлаждающей воды на ван-
ну для компенсации выделяющегося джоулева тепла,
если начальная температура воды + 10°С, а конечная
+ 15°С.
Решение
1) Суммарные реакции электрохимических процессов в ванне
a) (NH4)2SO4+: i2SO4->(NH4)2S2O8-FHa
б) Н8О->Н2 + -^- Oj
125
2) Изменение энтальпии при электрохимических реакциях:
а) ДН, = (AW(Nihhso* + SH') + (д WH2so, + дй")—
-(AH(NHj2s2o8 + АН"')-ДН2 = (-281,9 + 1,5)+(- 193,9 - 17,0)-
(—396,4 +8,6)—0 = — 103,5 ккал,
где Л//', АН" и МТ” — соответственно изменение энтальпии при
растворении (NH4)2SO4, H2SO4 и (NH4)2S2O8
б) ДН2 = ^^н2о — д^н2““ = ““68,3 ккал.
3) Тепловые напряжения разложения при реакциях:
103,5
£Т — 2-23,06 — 2,25 в;
, 68,3
£т — 2-23,06 — 1,48°-
4) Джоулево тепло, выделяющееся за 1 ч в ванне
Qt = 0,860/t( VB - е'в;~£’в’) =
=0,860-1000-1 (5,0—2,25-0,82—1,48-0,18) = 2480 ккал!ч.
5) Часовой расход охлаждающей воды на ванну
QT 2480
т = ~Т£Г = 1 (15—10)1000 -°>496 м^4-
ЗАДАЧИ
113. Для расчета ожидаемого значения выхода по
току для щелочи при диафрагменном способе электро-
лиза раствора NaCI с непроточным электролитом можно
использовать ориентировочную формулу Ферстера и
Йорре [10]
f/? Q н — \
1-------7Г I Ю0%,
1+ —
1 /
126
или
100 %,
где /гон_ —число перевеса ионов ОН" в растворе NaOH;
7Ч и у.о — удельные электропроводности NaCl и NaOH в
их смешанном растворе; ах и — степени диссоциации
NaCl и NaOH; С\ и С2 — концентрации NaCl и NaOH в
щелоках, вытекающих из ванны; Хоо и — эквивалент-
ные электропроводности NaCl и NaOH при бесконечном
разбавлении.
Рассчитать, при какой концентрации NaOH в выте-
кающих щелоках ванна будет иметь выход по току,
равный 60%, если суммарная концентрация NaCl и NaOH
в электролите составляет 5,0 г-экв'л, а температура про-
цесса равна + 85СС. Х^ = 276; Х^ = 530; /гон” = 0,80.
Принять, что 04 — 7.2.
114. Диафрагменная хлорная ванна нагрузкой 20 ка
работает с выходами по току для Н2 около 99%, для
С12 и NaOH в среднем 95 %. Вытекающие из ванны ще-
лока содержат около 140 г!л NaOH.
Какова часовая производительность ванны по Н2 и
С12 (по приведенному объему и массе) и по NaOH? Ка-
ков объем щелоков, вытекающих за 1 ч из ванны? На-
пишите реакцию основного электрохимического процес-
са в ванне.
115. Исходный рассол, поступающий в диафрагмен-
ный хлорный электролизер, содержит 315 г!л NaCl.
Концентрация NaOH в щелоках, вытекающих из ванны,
составляет около 140 г/л.
Рассчитать: а) концентрацию NaCl в вытекающих ще-
локах; б) степень разложения поваренной соли; в) отно-
127
сительный объем щелоков (по отношению к объему рас-
сола).
Для расчета содержания NaCl в щелоках использо-
вать эмпирическое уравнение, учитывающее расход во-
ды на электролиз, образование NaOH, испарение, а так-
же изменение плотности раствора при замене NaCl на
NaOH [11] (уравнение составлено для температуры элек-
тролиза +90°С)
Сх = С2— 1,065 С3,
где С\ и С2 — содержание NaCl в щелоках и рассоле,
г/л; С3 — концентрация NaOH в щелоках, г/л.
116. Диафрагменный хлорный электролизер, предназ-
наченный для получения едкого кали, работает при на-
грузке 10 ка и среднем выходе по току 92%. Содержа-
ние КОН в вытекающих щелоках составляет около
180 г/л.
Какова должна быть скорость вытекания щелоков из
электролизера?
117. Каков удельный расход электроэнергии: а) на
1 т 100°6-ного NaOH, б) на 1 т хлора, производимых
в диафрагменном хлорном электролизере, если выход по
току для обоих продуктов равен 95%, а среднее напря-
жение на ванне составляет 3,40 в>
118. Рассчитать Са — концентрацию NaCl в анолите
диафрагменного хлорного электролизера, если содержа-
ние NtCI в исходном рассоле С*! = 310 г/л, а концентра-
ция NaOH в электролитических щелоках С2= 130 г/л.
Для расчета использовать эмпирическое уравнение,
учитывающее расход компонентов при электролизе, ми-
грацию ионов и испарение воды [II] для+90°С
Cd = Ci —0,4С2
119. Расстояние между анодами и катодами хлорно-
го электролизера диафрагменного типа равно 12 мм, из
128
них 2,0 мм занимает диафрагма. Рабочая плотность то-
ка D = £0Э а/’м2', удельная электропроводность электро-
лита х = 0,58 ом~1*см~1. Увеличение сопротивления элек-
тролита за счет газонаполнения 15%. Сопротивление
диафрагмы составляет 2,5 ом-см2.
Какова величина падения напряжения в электролите
и диафрагме электролизера?
120. Провести материальный расчет хлорного ртут-
ного электролизера нагрузкой 30 ка.
Рассчитать: а) часовую производительность ванны по
NaOH, Н2 и хлору (выход по току для всех продуктов
равен 96%); б) объем и вес щелоков с концентрацией
NaOH 660 г/л (d = 1,475), образующихся за 1 ч в раз-
лагателе ванны; в) часовой расход воды на получение
щелочи в разлагателе; г) скорость подачи в ванну рас-
сола с концентрацией NaCI Спач = 320 г/л, если в выте-
кающем растворе содержится 270 г/л NaCI. Напишите
основные реакции, протекающие в электролизере и раз-
лагателе ванны.
121. Ртуть, поступающая в хлорный ртутный элек-
тролизер из разлагателя, содержит примерно 0,02?о ме-
таллического натрия, а выходящая из электролизера —
около 0,15 % Na.
Какова должна быть скорость циркуляции ртути в
электролизере нагрузкой 30 ка, если катодный выход по
току равен 96 %? Плотность ртути принять 13,5 кг!л.
122. С серии из 40 последовательно включенных
хлорных ртутных ванн, имеющих среднюю нагрузку
20 500 а, получено за сутки 42,0 м? жидкой щелочи с
концентрацией NaOH 670 г/л. Среднее напряжение на
серии 185 в.
Рассчитать выход по току и удельный расход элек-
троэнергии для щелочи и хлора (считать Вт для обоих
продуктов одинаковыми).
129
123. Хлор-газ, выходящий из хлорного ртутного элек-
тролизера, содержит 95 объемы. ?о С12 и 0,7 объемы.
% СО2. Выход по току для хлора равен 96%. Анодная
плотность тока 5000 а м2 (не учитывать перфорацию
электродов).
Принимая, что в общем расходе анодного графита
его электрохимическое разрушение (за счет реакции
С->СО2) составляет 60%, рассчитать, за какое время ано-
ды сработаются на 1 мм? Кажущаяся плотность анодов
1,6.
124. Средняя электродная плотность тока в хлорном
ртутном электролизере равна 5500 а м2; межэлектродное
расстояние в ванне I = 4 мм; удельная электропровод-
ность электролита / = 0,52 олгх-слг1.
Каково падение напряжения в электролите ванны,
если газонаполнение увеличивает сопротивление раство-
ра на 15 %?
125. Напряжение разложения водного раствора NaCl
в хлорном ртутном электролизере ^раз1 = 3,22 в
Чему равен теоретический удельный расход электро-
энергии в расчете на 1 т 100%-ного NaOH и на 1 т
хлора?
126. Хлорный ртутный электролизер нагрузкой 30 ка
работает с напряжением на ванне Кв 4,5 в, при вы-
ходе по току Вг = 97%. Какое количество джоулевого
тепла выделяется за 1 ч в ванне (для простоты расчета
не учитывать электролиз воды и тепло, выделяющееся
при сгорании анодов)? Тепловой эффект электрохимичес-
кой реакции рассчитать, основываясь па термодинами-
ческих функциях ее компонентов. Энтальпия дал амаль-
гамы натрия А/7 =—21,6 ккал'г-сипом Na.
127. Для получения хлор-газа исш льз>шап метод
электролиза солянокислого раствора СиСК (см. задачу
88). Электролит в подобных ваннах непрерывно проса-
130
сывается через катод, изготовленный из пористого гра-
фита; при этом ионы двухвалентной меди восстанавливают-
ся до одновалентного комплекса меди.
Рассчитать, какую скорость протекания через катод
(в литрах на 1 м2 в 1 ч) должен иметь медно-хлористый
электролит, содержащий первоначально 180 г/л СиС12,
чтобы за время нахождения в электролизере 1/4 посту-
пающей двухвалентной меди катодно восстановилась до
одновалентной меди. Кажущаяся катодная плотность то-
ка DK = 4000 а/м2. Катодный и анодный выход по току
равен 90 %.
128. В отдельных случаях может оказаться эконо-
мически выгодным получение хлора электролизом соля-
ной кислоты [12], получаемой из «абгазного» хлористого
водорода.
Биполярный хлорный электролизер для электролиза
соляной кислоты состоит из 50 последовательных ячеек.
Нагрузка на электролизер 1000 ау рабочее напряжение
115 в.
Каковы выход по току и удельный расход электро-
энергии для получаемого хлора, если среднесуточная
производительность электролизера составила 1,46 т С12?
129. Биполярный хлорный электролизер нагрузкой
1000 а для электролиза соляной кислоты, состоящий из
50 последовательных ячеек, питается раствором, содер-
жащим 250 г/л НС1. Из электролизера выводится рас-
твор с содержанием НС1 170 г/л.
Какое количество свежего электролита должно еже-
часно подаваться в весь электролизер и в его отдельную
ячейку (для упрощения расчета пренебречь летучестью
хлористого водорода и изменением объема раствора при
электролизе)? Выход по току равен 90%.
130. Рассчитать количество джоулева тепла, выде-
ляющегося за 1 ч в биполярном хлорном электролизере
131
для электро/иза соляной кислоты нагрузкой 1000 а, со-
стоящего из 50 последовательных ячеек. Напряжение
на ванне 115 в, выход по току 90 % (при расчете пред-
полагать, что снижение выхода по току полностью обу-
словлено внутренними утечками тока и взаимодействием
анодных и катодных продуктов; пренебречь электроли-
зом воды и теплом от сгорания анодов). Расчет тепло-
вого эффекта электрохимической реакции провести через
термодинамические функции ее отдельных компонентов.
131. С последовательной серии из 240 ванн (с моно-
полярными электродами) для электролиза воды пэлученс
за сутки 19 100 нм? Н2. Нагрузка на ванну 8000 а, сред-
нее напряжение на серию 540 в.
Рассчитать: а) выход по току; б) удельный расход
электроэнергии ia получение 1 нл3 Н2; в) суточную про-
изводительность серии по О2 (считать равным выходы
по току для Н2 и О2).
132. Биполярная ванна для электролиза воды нагруз-
кой 9000 а содержит 180 последовательных ячеек и ра-
ботает с выходом по току около 96,5%.
Какое количество воды электролитически разлагается
за 1 ч в ванне?
133. Фильтрпрессная ванна для электролиза воды,
состоящая из 180 последовательных ячеек нагрузкой
9000 а, работает при + 80°С и давлении 1 атм. Сред-
ний выход по току равен 96%; рабочее напряжение на
ванне 385 в.
Какое количество джоулевого тепла выделяется еже-
часно в ванне? Тепловой эффект реакции Н2+-^-О2->Н2О
при + 80°С равен 67,9 ккал!моль.
134. Цех электролитического получения надсерно-
кислых соединений с годовой производительностью 3000 пг
85 %-ной перекиси водорода оснащен электролизерами
132
нагрузкой 2000 а. Выход по току для надсернокислых
соединений 84%; выход при гидролизе их до перекиси
80%, выход при «креплении» перекиси водорода 90%.
Машинное время работы ванн 0,95.
Какое количество электролизеров необходимо устано-
вить в цехе?
135. При электролитическом получении персульфата
аммония ванны имеют разделенные анодное и катодное
пространства, что позволяет устранить или, по крайней
мере, резко уменьшить катодное восстановление персуль-
фата, образующегося в анодном отделении. Обогащение
анолита персульфатом осуществляется путем его перете-
кания последовательно через анодные пространства ряда
ванн (так называемый «каскад»).
Рассчитать выход по току для персульфата аммония,
если с каскада в 27 ванн нагрузкой каждая 2000 а
получено за сутки 18,8 и3 анолита, содержащего 246 г!л
(NH4)2S2O8.
136. Исходный раствор для получения персульфата
аммония, подаваемый в катодное отделение верхней
ванны каскада из 27 электролизеров нагрузкой 2000 а,
содержит 300 г/л H2SO4 и 200 г/л (NH4)2 SO4.
Какова концентрация H2SO4 и (NH4)2 SO4 в выходя-
щем католите, если известно, что скорость его выхода
из ванны должна равняться 790 л!ч (последняя величина
рассчитывается, исходя из необходимости достижения
нужной концентрации персульфата в анолите, который
готовится из «отработанного» католита)?
Числа переноса: пн+ = 0,68; nNI+ = 0,08;/2s02- = 0,24.
В расчете не учитывать изменение объема раствора при
прохождении его через каскад.
137. Раствор, подаваемый в катодное отделение вер-
хней ванны каскада из 27 электролизеров нагрузкой
133
2000 а каждый для получения персульфата аммония
содержит 300 г!л H2SO4 и 200 г/л (NH4)2SOX.
Учитывая, что выходящий католит затем использу
ется в качестве анолита того же каскада, рассчитать
а) скорость подачи католита (и анолита) в каскад, сел!
концентрация персульфата аммония (NH4)2S2O8 в выхо
дящем анолите должна составлять 250 г,л\ б) кон цен
трацию H2SO4 и (NH4)2SO4 в выходящем анолите. Анод
ный выход по току для персульфата 85?6, для кисло
рода 15%. Катодный выход по току для водорода 100 "о
При расчете не учитывать изменение объема электролн
та в ходе электролиза.
138. В электролизном цехе получения персульфата
аммония установлено 6 каскадов по 27 ванн нагрузке!
2000 а в каждом.
Какой приведенный объем водорода выделяется за 1 <
всеми ваннами цеха (выход по току для водорода околс
100%)?
139. Выход по току в электролизерах для пол\чен!И
персульфата аммония в среднем равен 82?6; выход в про
цессе гидролиза персульфата в перекись водорода 80%
выход при «кроплении» перекиси водорода 90%. Среднее
напряжение на ванну с учетом падения напряжения i
соединительных шинах 5,5 в.
Каков удельный расход электроэнергии в расчете не
1 т товарной 85?6-ной перекиси водорода?
140. При электролитическом получении персульфата
аммония без разделения анодных и катодных пространстг
электролизера в верхнюю ванну каскада подается раст
вор состава: 280 г'л (NH4\SO4, 70 г!л H2SO4, 40 гЬ
K2SO4, 80 г!л (NH4)2 S2O8. Выходящий электролит со-
держит 170 г/л (NH4)2S2O8. Каскад состоит из 27 ваш
нагрузкой 1000 а каждая, работающих при выходе пс
току 85%.
134
Рассчитать: а) необходимую скорость подачи электро-
лита в каскад; б) концентрацию (NHi)2SO4 и H2SO4 в
выходящем растворе (не принимать во внимание воз*
можного изменения объема электролита в ходе элект-
ролиза).
141. Для приготовления раствора гипохлорита натрия
NaClO использован электрохимический способ. Для элек-
тролиза применена ванна с биполярными электродами,
состоящая из 25 электролитических ячеек. Исходный
раствор (с концентрацией NaCl 107 г/л) подается в верх-
нюю ячейку каскаднэ расположенной ванны и последо-
вательно проходит через все ее ячейки. Выходящий ра-
створ содержит 20 г, л NaClO. Нагрузка на ванну 50 а,
среднее напряжение 140 в. Выход по току для гипохло-
рита равен G0°o.
Рассчитать: а) необходимую скорость подачи в ван-
ну раствора NaCl; б) \дольный расход электроэнергии и
NaCl на 1 к ’ NaClO (при расчетах считать объем раст-
вора в ход,* электролиза неизменным).
Напишите реакцию основного электрохимического
процесса в ванне.
142. В электролизер для периодического получения
хлората натрия NaClO... нагрузкой 1600 а одновременно
заливается 760 л раствора, содержащего 250 г!л NaCl.
Процесс электролиза продолжается до того, как концен-
трация NaCl в растворе понизится до 85 г!л. Ванна ра-
ботает при среднем вы?соде по току 87?6 и среднем на-
пряжении 3,3 в.
Рассчитшь: а) продолжительность рабочего цикла
ванны; б) ко: ц и грацию и количество NaClO3 в конеч-
ном расти дм, в) \дельный расход электроэнергии п
NaCl на 1 NaC’.O, в растворе.
Принять, что в .коде процесса электролиза объем элек-
тролита уменьшается на величину, соответствующую объ-
135
ему воды, израсходованной на электрохимический про-
цесс; при этом считать, что понижение выхода по току
для основного электрохимического процесса полностью
обусловлено электролизом воды.
Напишите реакцию основного электрохимического
процесса в ванне.
143. При электролитическом получении хлората нат-
рия NaC103 в электролизерах непрерывного действия
выходящий из ванн раствор возвращается после извле-
чения из него части NaC103 и донасыщения его поварен-
ной солью в процесс электролиза. В таком маточном
растворе содержание NaCI доводят до 280 г/л; концент-
рация NaC103 составляет около 50 г/л.
При питании ванны нагрузкой 12 ка таким электро-
литом получено после 220 ч электролиза 6,0 м3 раство-
ра, содержащего 297 г/л NaC103.
Рассчитать: а) выход по току для NaC103; б) удель-
ный расход электроэнергии, если среднее напряжение
на ванне равно 4,1 в; в) концентрацию NaCI в вы-
ходящем растворе. Допущения для расчета изменения
объема раствора в ходе электролиза см. в условиях за-
дачи 142.
144. В верхнюю ванну каскада, состоящего из 7 по-
следовательно соединенных электролизеров нагрузкой
20 ка, предназначенных для получения хлората натрия
NaClO3, подается электролит, содержащий 270 г/л NaCI,
50 г/л NaC103 и некоторые улучшающие присадки. Из
нижней ванны каскада выходит раствор с концентраци-
ей NaClO3 300 г/л. Напряжение на каскаде 28 в\ сред-
ний выход по току для хлората 85%.
Рассчитать: а) необходимую скорость подачи раство-
ра в ванну; б) объем электролита, выходящего за 1 ч
из каскада; в) удельный расход электроэнергии на кг
NaClO3 (в растворе); г) концентрацию NaCI в выходящем
136
электролите. /Методику расчета изменения объема раст-
вора в ходе электролиза см. в условиях задачи 142.
145. На серии из 30 последовательно соединенных
ванн нагрузкой 12 ка каждая, используемых для полу-
чения перхлората натрия NaClOj анодным окислением хло-
рата натрия, за сутки работы получено 17,6 лР раство-
ра, содержащего 920 г!л NaClO t. Напряжение на серии
около 195 в
Каковы выход по току н удельный расход электро-
энергии для перхлората натрия (в растворе)? Напиши-
те реакцию суммарного электрохимического процесса в
ванне.
146. В электролизер периодического действия нагруз-
кой 500 а для получения перхлората натрия NaC104 од-
новременно заливается 220 л раствора, содержащего
650 г!л NaClO3. Процесс электролиза прекращается при
снижении концентрации NaClO3 до 20 г!л. Выход по то-
ку для перхлората равен 95% , а среднее напряжение на
ванне 6,5 в.
Рассчитать: а) длительность одного рабочего цикла
электролизера; б) конечную концентрацию NaClO4 в эле-
ктролите; в) удельный расход электроэнергии на 1 т
NaClO4 (в растворе). В расчете для упрощения принять,
что изменение объема электролита в ходе процесса рав-
но объему воды, израсходованной при электрохимических
превращениях.
147. Для электрохимического получения пербората
натрия NaBO3-4H2O анодным окислением буры исполь-
зованы ванны нагрузкой 6700 а. Исходным электролитом
служит смешанный раствор буры и соды (40 г/л Na2B4O7-
ЮН2О и 140 г'л Na2CO3) с некоторыми присадками. Каж-
дые 6 ч из ванны отбирается от раствора часть электро-
лита с плавающими кристаллами пербората, которые от
деляют на центрифуге. Расход буры на электролиз вос-
137
полняют при отборе электролита. Ванна работает при вы-
ходе по току примерно 58?о и среднем напряжении 6,0 в.
Рассчитать: а) месячную (30 суток) производительность
ванны по перборату; б) количество твердой буры, ко-
торое необходимо расходовать для восполнения ее рас-
хода на электролиз через каждые 6 ч (не учитывать бу-
ру в отбираемом растворе, который после центрифуги-
рования возвращается в процесс); в) удельный расход
электроэнергии на 1 т пербората.
Суммарная реакция электрохимического процесса в
ванне:
Na2B4O7 + 2NaOH + 19Н2О 4(NaBO3-4H2O) +4Н2
148. Для электрохимического получения красной кро-
вяной соли K3[Fe(CN\] из желтой кровяной соли
K4lFe(CN)6] использованы электролизеры периодического
действия нагрузкой 200 а с разделенными анодными и
катодными пространствами. В анодное пространство ван-
ны заливается 1,5 ж3 раствора, содержащего 90 г!л
K4[Fe(CN)6] и 280 г/л K3[Fe(CN)J. Процесс ведут до до-
стижения концентрации K3[Fe(CN)6] 320 г/л. Выход по
току для красной кровяной соли равен 90% , среднее на-
пряжение на ванне 3,0 в.
Рассчитать: а) продолжительность одного периода ра-
боты ванны; б) конечную концентрацию K4lFe(CN)6] в
электролите; в) удельный расход электроэнергии на 1 т
красной кровяной соли (в растворе). При расчете пре-
небречь изменением объема анолита и переносом ионов
в ходе электролиза.
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне:
K4[Fe(CN)e] + Н2О -> K3[Fe(CN)e] + КОН + Н*
149. Исходным электролитом в ванне периодического
действия для электрохимического получения пермангана-
138
та калия КМпО* из манганата К2МпО4 является раст-
вор, содержащий 180 г! л К2МпО4, 150 г!л КОН и не-
которое количество КМпО4 и 1\2СО3. В процессе элект-
ролиза основная масса образующегося КхМпО4 выпадает
в виде кристаллов на дне электролизера. Ванна рабо-
тает при объемной плотности тока 0,9 а/л, выходе по
току, равном 50%, и среднем напряжении 2,8 в. Про-
цесс прекращается при снижении содержания К2МпО4
до 20 г/л.
Рассчитать: а) продолжительность рабочего периода
ванны; б) удельный расход электроэнергии на 1 т обра-
зующегося КМпО4; в) концентрацию КОН в отработан-
ном электролите ванны (при расчете пренебречь измене-
нием объема раствора в ходе электролиза).
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне:
К2МпО4 + Н2О -> КМпО4 + кон + Л- н2
150. В электролизер периодического действия нагруз-
кой 1300 а для получения КМпО4 одновременно залива-
ется 1,5 м3 раствора, содержащего 180 г/л К2МпО4,
23 г!л КМпО4, 150 г!л КОН и примесь К2СО3. После
48 ч электролиза раствор имеет состав: 16 г!л К2МпО4,
46 г/л КхМпО4 и некоторое количество КОН и К2СО3.
Основная масса образовавшегося КМпО4 кристаллизуется
и выпадает на дно ванны. Среднее напряжение на ван-
не 3,1 в.
Рассчитать: а) выход по току для КМпО4; б) коли-
чество кристаллического КМпО4, выпавшего в ванне за
рабочий период 48 ч\ в) удельный расход электроэнергии
на 1 т образовавшегося перманганата; г) конечную кон-
центрацию КОН в электролите; д) выход по веществу.
При расчетах не учитывать некоторое изменение объема
электролита в ходе электролиза.
139
151. Для получения закиси меди Си2О использован
электрохимический способ — анодное растворение меди в
подщелоченном хлорпдном электролите.
Рассчитать суточную производительность ванны на-
грузкой 1200 а для получения закиси меди, если выход
по току равен 99%. Каков удельный расход электроэнер-
гии на 1 т Си2О при среднем напряжении на ванне око-
ло 4,0 в? Какова длительность работы медных анодов
толщиной 10 мм при анодной плотности тока Da = 200 а, м2
(аноды погружены в раствор полностью и работают дву-
сторонне)? Для анодного растворения меди принять вы-
ход по току равным 100%. Анодные остатки (скрап) со-
ставляют 10% от первоначальной массы анода. За рабо-
чий период растворения анодов ванна работает непрерывно.
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне
2Cu + Н2О -> Си2О + Н2
152. Для регенерации отработанных растворов хромо-
вой кислоты, использованных для целей органического
синтеза, применяется электрохимический способ, при
котором ионы трехвалентного хрома анодно окисляются
до шестивалентного хрома. Анодное пространство ванны
отделено от катодного диафрагмой. Регенерируемый рас-
твор непрерывно пропускается сначала через катодное
(с экранированным катодом), а затем через анодное от-
деление ванны.
Рассчитать, с какой скоростью должен подаваться в
ванну нагрузкой 1200 а регенерируемый раствор, содер-
жащий 245 г! л Cr2(SO4)3 и 250 г/л H2SO4, чтобы 90%
сернокислого хрома анодно окислились до СгО3(Н2Сг2О7),
если выход по току для СгО3 равен 85%. Каковы часо-
вая производительность ванны по СгО3 и удельный рас-
ход электроэнергии в расчете на 1 кг хромового ангид-
рида СгО3 при среднем напряжении на ванне около 3,5 в?
140
Какова концентрация Cr2(SO4)3, СгО3 и H2SO4 в вытека-
ющем растворе?
Изменение объема раствора в ходе электролиза при-
нять равным объему воды, израсходованной при электро-
химическом процессе. Для простоты расчета считать ка-
тодный выход по току для водорода равным 10096 и
анодный выход по току для кислорода Вт = (100 — 85) =
= 1596.
Реакция основного электрохимического процесса в
ванне
Cr2(SO4)3 + 6Н2О 2CrO3 + 3H2SO4 + ЗН2
Побочный процесс в ванне
Н2О->Н2 + 4-О2
153. Для получения гидросульфита натрия Na2S2O4
можно использовать электрохимический способ, при ко-
тором ион бисульфита катодно восстанавливается до гид-
росульфита по реакции
2HSO7+ 2Н+ + 2e->S20l-+ 2Н,0
При этом способе раствор, содержащий бисульфит, по-
следовательно протекает через анодное и катодное отде-
ления ванны, разделенные между собой диафрагмой.
Каковы выход по току и удельный расход электро-
энергии для получаемого гидросульфита в ванне нагруз-
кой 500 а с рабочим напряжением 5,5 в, если за 10 ч
с нее получено 104 л раствора, содержащего 137 г/л
Na2S2O4?
154. Для частичного обезвоживания каолина исполь-
зован метод электроосмоса. На осмос-машине с вращаю-
щимся анодом барабанного типа, имеющим рабочую по-
верхность 1,7 it2, получено за сутки 11,0 т каолина с
141
содержанием влаги 35%. Анодная плотность тока равна
100 alu1, среднее напряжение на установке 80 в.
Каков удельный расход электроэнергии в расчете на
1 т безводного каолина?
155. Одним из возможных способов получения йодо-
форма СН13 является электролиз водного раствора иоди-
да калия KI, содержащего этиловый спирт. Йодоформ при
этом является продуктом вторичной реакции — взаимо-
действия аноднообразованного иода с этиловым спиртом.
Какова суточная производительность по йодоформу
ванны нагрузкой 900 а, а также удельный расход элект-
роэнергии, если выход по току составляет 89%, а на-
пряжение на ванне равно 2,3 в? Какой приведенный объ-
ем СО2 должен ежечасно вводиться в ванну для нейтра-
лизации избыточной щелочи, образующейся в ходе про-
цесса?
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне
С2Н5ОН + ЗКI + ЗН2О СН13 + 5Н2 + К2СО3 + кон
156. При получении хлороформа СНС13 электролизом
водного раствора NaCl, содержащего этиловый спирт и
некоторые улучшающие присадки, с ванны нагрузкой
1100 а получено за сутки 7,3 кг хлороформа при сред-
нем рабочем напряжении 4,2 в.
Каковы выход по току и удельный расход электро-
энергии для полученного хлороформа?
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне
C2H5OH+3NaCl + ЗН2О СНС13 + 5Н2 + Na2CO3 +NaOH
157. При электрохимическом получении гексаметилен-
диамина H2N(CH2)6NH2 (исходного продукта в производ-
стве некоторых синтетических веществ) путем катодного
142
восстановления в солянокислом растворе адипонитрила
N = C(CH2)4C=N с ванны нагрузкой 5000 а получено
за сутки 730 л католита, содержащего 47 г!л гексаме-
тилендиамина. Среднее напряжение на ванне 5,0 в.
Каковы выход по току и удельный расход электро*
энергии для полученного гексаметилендиамина?
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне
N = C(CH2)4C = N + 8НС1 -> H2N(CH2)6NH2 + 4С12
158. При анодном окислении натриевой соли моно-
метилового эфира адипиновой кислоты
H3COOC(CH2)4COONa получается диметиловый эфир се-
бациновой кислоты. Гидролизом последнего может быть
в свою очередь получена себациновая кислота
НООС(СН2)8СООН— исходный продукт в производстве
некоторых синтетических волокон.
Реакция суммарного электрохимического процесса в
ванне
2H3COOC(CH2)4COONa + Н2О -> Н3СООС(СН2)8СООСН34-
-р Na2CO3 -р СО2 4~ Н2
Реакция гидролиза диэфира
Н3СООС(СН2)8СООСН3 4- 2Н2О НООС(СН2)8СООН 4-
4-2СН3ОН
Какое количество электролизеров нагрузкой 7000 а
необходимо установить в цехе с годовой производитель-
ностью 2000 т себациновой кислоты? Выход по току для
диэфира в электролизерах равен 40%. Машинное время
работы электролизеров 0,90. Выход по веществу при
гидролизе диэфира составляет 95%.
ГЛАВА IV
ГАЛЬВАНОТЕХНИКА
159. Последовательно с лабораторной ванной цинко-
вания, залитой цианистым электролитом, включен мед-
ный кулометр. За 20 мин процесса цинкуемая деталь с
рабочей поверхностью S -- 1,4 дм2 * 4 * * * * увеличилась в массе
на g’zn 1,82 г, за это же время на катоде медного ку-
лометра высадилось 2,10 г меди.
Рассчитать: а) выход по току для цинка; б) среднюю
толщину цинкового покрытия; в) среднюю катодную плот-
ность тока в ванне цинкования.
Решение
1) Количество электричества, протекшее через электрическую
цепь
2’10
Q — — । 1 о - — 1,77 и • ч.
4 </си 1,18а
2) Выход по току для процесса цинкования
Вт =
&факт £факт 1,82
-----юо=——1оо = . - 100 = 84,2%.
§теор Q?Zn 1,77-1,22
144
3) Средняя толщина цинкового покрытия (плотность цинка
7,14 г/см3)
1,82
B==SdZn = 140-7,14 10‘ = 18,2 л,к'
4) Средняя катодная плотность тока процесса цинкования
Q 1,77-60
£)к = = 20-1 4 = а/дм“,
160. За 20 мин гальванического цинкования плотно-
стью тока Ок^З,2 адм1 на детали поверхностью S =
=^0,80 дм1 выделилось = 62,7 мл водорода (насыщен-
ного парами воды), собранного при +23^С и давлении
В = 752 мм р:п. с tn.
Рассчитать выход по току для цинка и среднюю тол-
щину цинкового покрытия.
Решение
1) Снижение выхода по току для цинка практически полностью
обусловлено параллельным протеканием на катоде процесса выделе-
ния водорода. Поэтому, зная количество электричества, затраченного
на последний процесс, легко рассчитать и выход по току для цинка.
Давление насыщенных паров воды при +23 С ,0 мм рт. ст[8].
Приведем измеренный объем выделившегося водорода к нормаль*
ным условиям:
vt273(B — w) 62,7-273(752 — 21)
г'° “ 760(273 + /) “ 760(273 + 23) -55,6л1'!-
2) Электрохимический эквивалент водорода
22 400
?Нг = 2-26,8 1=418 МА1а'4-
Количество электричества, затраченное на выделение Н2
и о 55,6
Он = =—41о' = 0,133 а-ч.
чн’ <7hs 418
145
3) Общее количество протекшего электричества
Л 20
Q = £>к = 3,2-0,8-эд- = 0,853а-ч.
4) Выход по юку для цинка
в 100 =юо _ А853-0.133, _
ьт- q q 1ии~ о,853 1ии“
5) Количес.вэ осажденного маталла
£Zu = gZn QZn = 1,22(0,853 — 0,133) = 0,878 г.
6) Толщина цинкового покрытия
6 = .gzn = _ 9.'878.... 10* = 15 4 л1/с.
SdZn 80-7,14
161. В колокольную ванну цинкования нагрузкой 80 а
одновременно загружено g = 15,0 кг деталей с удельной
поверхностью 5уд 19,2 дм2/кг.
Какова необходимая длительность процесса покрытия
для получения толщины цинкового осадка 8 = 15 мк,
если выход по току в таком электролите в стационар-
ных ваннах равен 90% и необходимое увеличение вре-
мени электролиза в колокольных ваннах (для компенса-
ции механического истирания и неравномерности пере-
сыпания деталей) составит 15% (Д’ =1,15)?
Решение
1) Поверхность деталей одной загрузки
S = gSyA = 15-19,2 = 288 дм2.
2) Масса катодного осадка цинка ля деталей всей загрузки
gZn = s о dZn = 28 800-0,0015-7,14 = 308 г.
3) Продолжительность процесса покрытия
£zn 308
т = /</ZnBT К= 80-1,22-0,90 1 ’15 4,04 ч'
146
162. Процесс электролитического никелирования де-
талей проводится в стационарной ванне при катодной
плотности тока DK = 4,0 aidM2 с выходом пэ току около
96%. Необходимая толщина о слоя никеля на деталях
25 мк. Напряжение на ванне VB = 5,0 в, падение напря-
жения в шинопроводе равно 10?6 от lzв(^l = 1 >1); неэк-
ранированная (никелируемая) поверхность подвесок со-
ставляет 5% от поверхности завешиваемых на них дета-
лей (К2 = 1,05). Обратимый брак равен примерно 1%
всех никелируемых деталей (К3 = 0,99).
Рассчитать: а) продолжительность процесса никели-
рования; б) удельный расход электроэнергии на 1 м2 ни-
келируемых деталей.
Решение
1) Продолжительность процесса никелирования
0,0025-8,9 о
DK<7NiBr - 0,04-1,095-0,96 60-31,8
2) Удельный расход электроэнергии на 1 м2 покрытия
VnKiD^K^.
К3
5,0-1,1-400-31,8-1,05
0,99-60.1000 “ 1,236 квт'ч1м2'
163. Ванна хромирования нагрузкой 4000 а, электро-
литом которой является раствор, содержащий 250 г!л
СгО3 и 2,5 г!л H2SO4, работает при катодной плотности
тока DK = 50 адм2, среднем напряжении 1/в = 12 в и
выходе по току для хрома ВтГ=15%. Необходимая тол-
щина слоя хрома на деталях о = 2,0 мк.
Принимая в )емя на загрузку и выгрузку подвесок с
деталями т3 = 1,7 мин, рассчитать: а) количество рабо-
чих циклов ванны в 1 ч\ б) часовую производительность
ванны (площадь хромированных изделий); в) нормальный
объем водорода, выделяющегося в ванне за 1 ч, если
147
5% тока (В““а) расходуется на процесс катодно-анодного
перехода _
Сг°Ч- Зе«±Сг3г
г) количество СгО3, расходующегося в ванне, в расчете
на 1 ч ее работы и на 1 м2 хромового покрытия (меха-
нические потери раствора т принять равными 0,1 л л2);
д) удельный расход электроэнергии на 1 я1 покрытия.
Решение
1) Время хромирования
?^сг 0,0002-7,0
Тх== DKQCrBT = 0,50-0,324-0,15 60 = 3,46 МиН'
2) Продолжительность одного цикла работы ванны
тц — тх + тз = 3,46 -J- 1,7 = 5,16 мин,
3) Количество рабочих циклов в час
60
П = г iX~ = 11,6.
5,16
4) Поверхность деталей одновременной загрузки ванны (совмест-
но с неэкранированными частями подвесок)
5) Часовая производительность ванны
Sb --- 80-11,6 = 928 дм2 = 9,28 м2.
6) Количество электричества, проходящее через ванну за 1 ч
3,46
Q = h = Izxn = 4000-^—11,6 = 2680 а-ч.
bU
7) Нормальный объем водорода, выделяющийся в ванне за 1 ч
"н, = = <?, ,2Q(1 - B,r - В*—') =
=0,418-2680(1 —0,15—0,05) = 897 л,
где —электрохимический эквивалент Н2, л/а-ч,
148
8) Часовой расход СгО3 на собственно электролиз
g’CrOi =Q(?CrOjB^r = 2680-0,622-0,15 = 250 г,
MCro, 100,0 Л „„„ ,
W <7сго = —----------= 6^678 = °’622 г,а'4-
9) Часовой расход СгО3 за счет потерь электролита
/CrOj = //г5вССгОз = 0,100 • 9,28 • 250 = 232 г.
10) Суммарный часовой расход СгО3
£сгО3 = ^СгОз + ^СгОз “ 250 + 232 = 482 г.
11) Удельный расход хромового ангидрида на 1 м2 покрытия
12) Удельный расход электроэнергии на 1 м2 покрытия
«7 = DkVbtx = . 5Q.0Q. 12 3>4L = 3,46 квт-ч/м*.
А k в х 1000 60
164. При гальваническом цинковании током перемен-
ной полярности на детали с цинкуемой поверхностью
S = 32 см2 осаждено за 10 мин (т = 10 мин) 0,416г цин-
ка. Режим процесса цинкования: катодный период тк = 8сек,
анодный период та = 1 сек, плотность тока катодного и
анодного периодов 10 а/дм2.
Каков выход по току для цинка в расчете на: а) фак-
тический катодный ток; б) общее количество протекшего
электричества?
Решение
1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности
тока
= DK 7 ~3 = 10 = 7,78 а/дм2 .
п -к г "а 0 т 1
149
2) Расчетный фактический катодный ток, приходящийся на одну
деталь
/к = = 7,78-0,32 — 2,49 а.
3) Выход по фактическому катодному току для цинка
m g 0,416-60
Вт = "<7zn 100 = 2,49-10-1,22 100 = 82,2%
4) Выход цинка по общему количеству протекшего электричества
. g 0,416-60
Вт = DS-qZn 100 = 10-0,32-10-1,22 100 = 64«° % •
165. Для гальванического меднения деталей веерно-
кислом электролите использован ток переменной поляр-
ности с длительностью катодного периода тк = 8 сек и
анодного периода та = 2 сек\ плотность тока катодного
периода DK = 10 а/дм2, плотность тока анодного перио-
да Da = 5 al дм2. Выход по фактическому катодному то-
ку для меди Вт = 99%.
Какова необходимая продолжительность процесса
меднения при толщине медного покрытия 3 = 20 мк>
Решение
1) Среднерасчетное значение фактической катодной плотности
2) Продолжительность процесса меднения
„ „ МСи
°? <7сиВт
0,002-8,9
0,070-1,185-0,99
60 = 13 мин
166. При электролитическом станнатном лужении ис-
пользуется раствор следующего состава: 80 г/л
Na2SnO3-3Н2О, 12 г/л NaOHCBo6, 25 г/л CH3COONa. Для
приготовления такого раствора может быть применен
электролитический способ: анодное растворение метал-
150
лического олова в щелочной ванне с разделенными анод-
ным и катодным пространствами и последующее электро-
химическое окисление в той же ванне полученного
раствора двухвалентного олова до станната.
Какова должна быть исходная концентрация NaOH
в анолите, чтобы получить раствор вышеуказанного
состава, если для процесса Sn -> Sn2+ выход по то-
ку можно принять равным 100%, а для процесса
Sn2+ -> Sn4+B" = 90 %? Числа переноса /?он-=0,82и
/?Na+ =0,18. Пренебречь участием в переносе тока ионов
станнита, станната и ацетата, а также изменением объема
раствора при процессе.
Решение
1) Концентрация станната в конечном растворе в пересчете на
металлическое олово
^Sn = Сст = 80- 266*7" ~ ’
где Сст и Мст — концентрация станната и его молекулярный вес.
2) Анодные балансы для обеих стадий анодного процесса:
а) разряд
Sn + 4 ОН* — 2?----у SnO|- + 2 Н2О
перенос
+ 2пон_ ОН" — 2nNa+ Na+
Суммарный анодный баланс
—Sn—4 ОН- + 27+ SnO*'+2H2O + 2пон_ ОН" — 2nNil+Na++4Na+=
= —Sn-4NaOH+Na2SnO2 + 2 Н2О + 2 (1—nNa+) ОН- — 2nNj+Na+ +
+ гНа4- + 27 = — Sn — 2 (1 + nNa+) NaOH + Na2SnO2 + 2 НЮ +27
(в преобразованиях учитываем, что лон_ = 1 —/iNa+ );
151
б) разряд
SnO22’4-2OH-— 2е-------► SnO^ + IhO
перенос
+ 2пои-Он-- 2/WNa+
Суммарный баланс
— SnO2" — 20Н- 4-27+SnO2" -f- H2O + 2/zoii_ Oil'— 2/?Na+Na+±
± 2Na+ =z — Na2SnO2 + Na2SnO3 — 2 (1 — n0H_)0H“— 2/zNa+ Na+ +
H20 + 2e ~ — Na2SnO2 + Na2SnO3 — 2/iNa+NaOH + H20 +2e
3) Для перехода в раствор 35,6 ?/л олова в двухвалентном со-
стоянии требуется затратить электричества
Се 35,6
<21 = S = о = 16,1 я-ч/л ,
2,21
16,1
26,8 =0>60 Р1Л-
При этом произойдет убыль NaOH в анолите в количестве
Qi (1 + ,zNa+) Л10ЛЬ (см. анодный баланс), или
ACi = 0,6(1 +0,18) 40 = 28,3 г/л NaOH
4) При анодном окислении 35,6 г/л олова из двухвалентного до
четырехвалентного должно быть затрачено электричества
Q, = - 31 = , °-60 = 0,667 F .
В" 6,90
Разница в величинах Q2 и обусловлена только различием в
значениях Вт для процессов, так как электрохимические эквиваленты
для переходов Sn---> Sn2+ и Sn2b--->Sn4+ одинаковы.
На этой стадии процесса произойдет убыль NaOH в анолите
ACo = Q2n Л1 = 0,667-0,18.40 = 4,8 г/л NaOH.
w Na*- NaOH
5) Необходимая концентрация NaOH в исходном растворе
Снач == ^кон 4~ ЛС1 + ДСо == 12 + 28,3 + 4,8 = 45,1 г/л
152
167. Годовая производительность по никелированию
цеха гальванопокрытий составляет 26 300 м2 однослой-
ного покрытия толщиной о=18 мк. Детали никелируют-
ся в стационарных ваннах при катодной плотности тока
DK = 3,0 а/дм2 и выходе по току для никеля Вт = 96%.
Никелируемая поверхность деталей одной подвески
Stl 16 дм2. Величина загрузки одной ванны 6 подвесок
(пв = 6). Исправимый брак при никелировании составля-
ет 1%.
Время на загрузку и выгрузку подвесок с деталями
= 1,7 мин. Режим работы двухсменный с семичасовой
сменой и прерывной неделей. Общие годовые потери вре-
мени на простои оборудования 3°6. Время на подгото-
вительно-заключительные операции 0,5 ч в сутки.
Какое количество ванн должно быть установлено в
цехе?
Ранение
1) Номинальный годовой фонд работы оборудования в сутках
То = 365 — 60 = 305 дней,
где 60 — количество нерабочих дней в году.
Номинальный годовой фонд работы оборудования в часах
TQz = (305 — 58) 14 + 58-12 = 4154 ч
(четыре праздничных дня: 1—2 мая и 7 — 8 ноября — совмещены
по двое суток, поэтому предпраздничных и предвыходных дней с
меньшей продолжительностью работы на два меньше, чем нерабочих
дней).
2) Действительный годовой фонд времени работы оборудования
с учетом его простоев
Tz = 4154-0,03-4154= 4029 ч.
3) Подготовительно-заключительное время за год
7> = 305-0,5 = 153 ч.
153
4) Продолжительность процесса никелирования
ldKi 0,0018-8,9-60
_—- =---------------------— 30,5 мин.
^NiBT 0,03-1,095-0,96
5) Продолжительность процесса покрытия с учетом времени для
загрузки и выгрузки деталей
т2 = Ti + тз == 30,5 + 1,7 = 32,2 мин.
6) Фактическое годовое количество никелируемой поверхности
деталей с учетом брака
5ф = 26 300-1,01 = 26 560 лЛ
7) Годовое количество подвесок с никелируемыми деталями
S(l) 2 656 000
-Л =____________= 166 000.
Зп 16
8) Годовая производительноегь одной ванны по подвескам
Tz — T^z (4029 —153). 60
п2 =------------/2В =------------------ 6 = 43 300.
/Zi =
9) Потребное количество ванп в цехе
166 000
п ~—43300“ = 3,83 (принимаем п = 4 ванны).
10) Коэффициент загрузки оборудования
«.Л» „да.
ч
168. Рассчитать необходимое количество барабанны?
ванн цгн<ования в цехе, имеющем годовую производи
телькость g^ = 37 500 кг мелких деталей с удельной по
верхвостыо =- 15,6 дм2 кг.
Барабаны работают на серпокислом электролите при
нагрузке / = 40 а и единовременной загрузке детале:
g3 = 12 кг. Толщина цинкового покрытия о = 7 мк. Вы-
ход по току для цинка Вг = 98?о; увеличение времени
154
процесса цинкования в барабанах с учетом меха .пческо-
го нс1нрания покрытии и недостаточ ой раы омерпости
пересыпания деталей 15% (К 1,15). Цинкующая 'я по«
верхность катодных контактов составляет 3% от сум-
марной поверхности дета пей загрузки (7<х — 1,03).
Отделение гальванопокрытий работает двухсменно
при 7-часовой смене с прерывной неделей. Время i а за-
грузку и выгрузку деталей в барабанах 5 мин. Подго-
товительно-заключительное время в сутки 0,5 ч. Простои
оборудова- ия в ремонте 4,5'% от номинального годового
време hi работы оборудования.
Ранение
1) Номинальный годовой фонд работы оборудования:
а) в су т ках —=365 — 60 — 305;
б) в часах Ti}z = (305 — 58)14 58• 12 = 4154 •'.
2) Действительный годовой фонд работы оборудования с учетом
его простев на ремонте
Tz = 4154 — 0,045-4154 = 3967 ч.
3) Подгоювигелыю-заключптелыюе время за год
То-: = 305-0,5 = 153 ч.
4) Цинкуемая поверхность единовременной загрузки барабана
(с учетом поверхности контактов)
= SyiKi = 12-15,6-1,03 = 193 Ди2.
5) Необходимая продолжительность цинкования
6) Дли1елыюс!ь цикла покрытия (с учетом времени на загрузку
и выгрузку деталей)
т2 = 139 -f- 5 = 144 мин.
155
7) Годовая производительность одного барабана
§б == Гг~Г"т g3 = J3967—^3f60 12 = 19050 кг.
8) Необходимое количество барабанов в цехе
и = —-= —= 1,97 (принимаем п = 2).
ёб 19 050 v '
9) Коэффициент загрузки оборудования
K3=J..’?7-. = 0,985.
169. Для гальванического цинкования деталей дол-
жен быть использован овальный полуавтомат с одним
катодным рядом, залитый цианистым электролитом.
Оптимальная катодная плотность тока в таком электро-
лите DK == 4,0 а/дм2, выход по току для цинка Вт = 80%.
Скорость движения подвесок в полуавтомате иг =
= 0,8 м!мин, примерный шаг подвески 0,47 м. Поверх-
ность деталей одной подвески Sn = 20 дм2; неизолиро-
ванная (цинкуемая) поверхность подвески составляет 5%
от поверхности завешенных на нее деталей. Время на
загрузку и выгрузку подвески т3 = 0,8 мин.
Какова должна быть длина цепи полуавтомата, чтобы
обеспечить получение цинкового покрытия толщиной В
15 мк? Определить силу тока, потребляемого полуавто-
матом, и темп выхода из него подвесок. Сколько полу-
автоматов необходимо для обеспечения годовой произво-
дительности отделения 5Ц, равной 71000 м2 покрытий,
если отделение работает двухсменно при 7-часовой смене
и прерывной неделе? Простои оборудования на ремонте
составляют 4,5% от номинального годового времени ра-
боты оборудования; подготовительно-заключительное вре-
мя 0,5 ч в сутки и обратимый брак составляет 1%.
156
Решение
1) Продолжительность процесса собственно цинкования деталей
Ъс17п 0,0015.7,14 .
Ti = _—_—- з=----------—~_60 =16,4 мин.
DKqZn Вт 0,04-1,22-0,80
2) Общая продолжительность процесса покрытия с учетом вре-
мени на загрузку и выгрузку подвески
т = т14-т3= 16,4+0,8=» 17,2 мин.
3) Необходимая длина цепи полуавтомата
L = цт = 0,8-17,2 = 13,8 м.
4) Количество подвесок, которое можно разместить в полуавто-
мате
г 13 8
п± = —- =-----!— = 29,4 (принимаем = 30 подвесок).
I 0,47
5) Действительный шаг подвески
?3’8 =«0,476 м.
30—1
/1=——
nt — 1
6) Темп выхода подвесок
-__L-
Тп— U
М^6_ = 0,595 мин.
0,8
7) Единовременно цинкуемая поверхность в полуавтомате
Sd = SnHiK! = 20.30-1,05 = 630 дм\
где Ki — поправочный коэффициент на цинкование неизолирован-
ной поверхности подвесок.
8) Сила тока, потребляемого полуавтоматом
/ = DKSa = 4,0-630 = 2520 а.
9) Действительный годовой фонд времени работы оборудования
с учетом подготовительно-заключительного времени и простоев обо-
рудования в ремонте
Т = 3967 — 153 = 3814 ч (см. задачу 168).
157
10) Годовая производиюльность одного полуавтомата
Т jElL = 3814'60 _0,20 = 76 200 Л12
1 к, 0,595 1,01
‘п
где К2 — поправочный коэффициент па обратимый брак.
11) Необходимое количество полуавтоматов
/г., = _?!£_ = _ZI <)|)() ... = 0,915 .
76 200
Принимаем /ь = 1.
Коэффициент загрузки полуавтомата
K3 = _2l^1_ = 0,9-15.
170, Кснвсйерны-i автомат электролитического цинко-
вания проволоки i.^eei рабочую длину ванны цинкования
L = 5,8 м, количество «ниток» в ванне /г± --= 20. Прово-
лока в ванне проходит по прямой горизонтальной линии;
10% поверхности проволоки, находящейся в ванне,
экранируется катодными контактами (/<1 = 0,90). Необ-
ходимая толщина цинкового покрытия на проволоке
6 = 10 лис, катодная плотность тока Ок = 20 а'дм2, выход
по току для цинка Вт = 96?о. Работа автомата трехсмен-
ная, без выходных дней (в праздничные дни не работа-
ет). Неизбежные планируемые простои автомата равны
10% от номинального годового фонда времени работы
оборудования.
Рассчитать: а) годовую производительность автомата
в расчете на проволоку диаметром 0,65 мм (вес 1 м про-
волоки g' = 2,54 г); б) скорость движения проволоки в
ванне; в) силу тока на ванну, если его потери на цин-
кование неизолированных частей катодных контактов
составляют около 3?о от тока, идущего непосредственно
на цинкование проволоки (JK2 = 1,03).
158
Решение
1) Поверхность 1 м проволоки
= тс d/ = 3,14 - 0,0065 -10 = 0,204 дм2.
2) Необходимая продолжительность процесса цинкования
ld7n 0,0010.7,14
тц - -----*2— =------------:____ 60 = 0,183 мин .
u " - ° 2,0-1,22-0,96
^i<7zn^
3) Скорость протяжки
тц
проволоки в автомате
= 5'8’0'9 =28,5 м/мин .
0,183
4) Единовременно цинкуемая поверхность в ванне
SB = LK1SiniK2 = 5,8.0,9-0,204.20.1,03 = 21,9 дм2.
5) Сила тока на ванну цинкования
/ = DKSB = 200-21,9 = 4380 а.
6) Номинальный годовой фонд времени работы автомата
То = 365 — 8 = 357 суток.
7) Действительный годовой фонд времени работы автохмата
7= 357 — 0,1-357 = 321,3 суток = 7711 ч.
8) Годовая производительность автомата:
а) в метрах проволоки
А = ипгТ = 28,5-20-7711-60 = 2,65-108 м;
б) в тоннах
g = Ag' = 2,65-108-2,51 -10-° = 672 tn.
171. Электролит стационарной ванны цианистого
цинкования нагрузкой /=1200 а содержит около *35 г!л
цинка (в пересчете на металлический), 85 г!л NaCNo6lu,
80 г/л NaOHo6in, небольшое количество присадок глице-
рина и Na2S. Ванна работает при комнатной температу-
159
ре; катодная плотность тока DK = 3 al дм1, катодный
выход по току Вт «85%; анодный выход по току для
цинка Вт«90?о. Толщина о цинкового покрытия на де-
талях должна составлять 15 мк\ на открытую поверх-
ность подвесок расходуется около 5% оттока, расходуе-
мого на цинкование самих деталей (/<= 1,05). В течение
рабочих смен ванна работает непрерывно: подвески из
ванны вынимаются по одной и сразу же заменяются
новыми. Ванна снабжена сборником — уловителем раст-
вора.
Рассчитать: а) изменение за 1 ч содержания цинка
в электролите ванны; б) расход цианида (свободного и
связанного в пересчете на NaCN) в 1 ч и на 1 м1 по-
крытия, если механические потери электролита состав-
ляют « 90 мл'м- покрытия, а потери цианидов (NaCN)
на разллжение t>2«0,6 г!а-ч протекшего электричест-
ва [13].
Решение
1) Длительность процесса цинкования
Zd7n 0,0015-7,14
т =------—------= —----------------— 60 — 20,65 мин.
DK <7znBKT 0,03-1,22-0,85
2) Количество рабочих циклов в 1 ч
п =
60 .— 2,9
20,65
3) Поверхность детален одной загрузки ванны
S3 =
= —}200_ = 381
D..K 3,0-1,05
где К — поправочный коэффициент на цинкование открытой поверх-
ности подвесок.
4) Часовая производительность ванны
S = s3n = 381-2,9 « 1105 дм2.
100
5) Увеличение за 1 ч содержания цинка в электролите ванны за
счет превышения анодного выхода над катодным:
AgZn =l-.qZn ( Bj— В“) = 1200-1-1,22 (0,90 — 0,85) = 73,2 г.
6) Уменьшение за 1 ч содержания цинка в ванне за счет потерь
электролита
Дg"Zn = f1CZnSK = 0,090 • 35 • 11,05 • 1,05 = 36,5 г.
7) Суммарное изменение содержания цинка в ванне за 1 ч
4g = 73,2— 36,5 = + 36,7 г.
8) Расход цианида за 1 ч работы
AgNaCN = L’iCNaCN = 0,090•85•11,05•1,05 + 0,6•1200•1 =
= 808,7 г NaCN.
9) Расход цианида на 1 м2 покрытия
" Дхгм 808,7
^NaCN= = -п+- =73.2 г NaCN.
о 11,VU
172. Для кадмирования мелких деталей ис-
пользованы барабанные ванны и цианистый электролит,
содержащий 120 г/л общего цианида (в пересчете на
NaCN). Толщина кадмиевого покрытия 8=15 мк, катод-
ный выход по току Вт = 92% (для данного электролита
в стационарных ваннах). Коэффициент увеличения вре-
мени электролиза в барабанных ваннах на механическое
истирание покрытий и неравномерность пересыпания де-
талей АГ = 1,15. Механические потери раствора состав-
ляют vY~ 130 мл на 1 м2 покрытия (детали сложной
конфигурации, имеется сборник-уловитель электролита).
Потери цианида на разложение у2 = 0,8 г!а-ч протекше-
го электричества [13].
Каков удельный расход цианида на 1 м2 покрытия и
какую долю в этой величине составляют потери цианида
на разложение?
161
Решение
1) Количество кадмия в 1 м2 покрытия
gcd as SodCd = 10 000*0,0015-8,65 = 130 г.
2) Расход электричества на получение 1 м2 кадмиевого покры-
тия
^Cd 130
= 2.10'0,92 1.16 = 77.4 а.и.
3) Удельный расход цианида на 1 л? покрытия
т = vjCNaCN + c^2Q = 0,13-120 + 0,8-77,4 = 77,6 а,
в том числе доля расхода цианида на разложение
= _v2Q 100 = 0.8-77,4 [00 = 79,8%
т 77,6
173. Годовая производительность автомата двухслой-
ного (медь — никель) гальванопокрытия составляет Sa =
= 46 000 м2 покрываемой поверхности деталей. Ванна
никелирования, установленная в автомате, работает при
катодной плотности тока — 4,0 а!дм2 и выходе по
току В* = 96%. Необходимая толщина слоя никеля на
деталях 8 = 15 мк. Обратимый брак составляет 1% от
поверхности всех покрываемых деталей. Действительный
годовой фонд времени работы оборудования 6373 ч (ав-
томат работает круглосуточно, кроме выходных и празд-
ничных дней; простои на ремонте—10% от номинально-
го годового фонда оборудования).
Габариты анодов: 750x250 мм, толщина 8а = 10 мм.
Анодная плотность тока Da = 2,0 а!дм2\ анодный выход
по току В? =103% (с учетом шламления); анодные ос-
татки (скрап) составляют около 17?6 от первоначальной
массы анода.
Рассчитать: а) продолжительность работы анодов,
установленных на средних штангах ванны (т. е. при
162
двухстороннем анодном растворении электродов); б) го-
довой расход анодов на автомат в тоннах и штуках (без
учета расхода электродов на единовременную загрузку
ванны); в) частоту смены средних анодов; г) годовое
количество анодного скрапа.
Решение
1) Фактически никелируемая поверхность за год
S = 46000-1,01 = 46 460 Л1а,
где 1,01 — коэффициент, учитывающий обратимый брак.
2) Масса никеля в 1 м2 покрытия
gl==SddNi = 10000.0,0015-8,9 = 133,5 г.
3) Общая масса никелевого покрытия всей годовой продукции
ёг = 81S = 46 460 = 6200 «г.
4) Годовое количество анодно растворяющегося никеля
в?
ёз = ёз —— = 6200
Вт
1,03
0,96
= 6650 кг.
5) Годовой расход никелевых анодов (с учетом скрапа)
6650
1,0 — 0,17
= 8015 кг.
6) Масса одного анода
g5 = =(7,5-2,5) 0,1-8,9=16,7 кг,
в том числе масса его растворяющейся части
= 16,7-0,83 = 13,86 кг.
7) Годовой расход никелевых анодов в штуках
/г2 ~ _£±_ = 15 — 480 ШТе
16,7
16;
8) Сила тока, приходящаяся на один средний анод
/ = D,S = 2,0- (7,5-2,5).2 = 75 а
(коэффициент 2 взят для 5 чета двухсторонней работы анодов).
9) Продолжительность работы одного среднего анода
g, 13 860
- - , - =164 ч.
Ic/^ BJ 75.1,095-1,03
10) Частота смены средних анодов за год
Т 6373
—— = 38,8 раза,
164
п., = —
т
174. Рассчитать электрохимический эквивалент трс fl-
uoro сплава следующего состава: 90% свинца (ррь=0,9).
8% олова (pSn = 0,08) и 2?о меди (рСи = 0,02) для слу-
чая его осаждения из борфтористоводородного электро-
лита, содержащего Pb(BF4)2, Sn(BF4)2, Cu(BF4)2, сво-
бодную борфтористоводородную кислоту и присадку
коллоида.
Решение'.
1) Удельный расход электричества на 1 г сплава
-СП! = -рь Ррь + aSn ^Sn + GCu Pen =
____1 1 1 _
“ <7pb Ppb + <7sn Psn + <7cu Pcu “
=—^--0,90-1-—4-0,08+ -ф— 0,02 = 0,285 а-ч/г.
3,87 2,21 1,185
2) Электрохимический эквивалент сплава
1 1
Qcn 1 ==---— ~~ = 3,51 г/а-ч.
,и” °снт 0,285
175. Процесс бронзирования деталей осуществляется
в цпанисто-станнатном электролите. Бронзовое покрытие,
имеющее толщину о =15 мк, содержит 15?6 олова
(pSn =0,15) и 85% меди (рСи = 0,85). Катодная плот-
164
ность тока DK —3,0 а! дм2, выход по току для катодного
сплава Вт = 68%. Плотность осадка бронзы d - 8,89г см3.
Какова необходимая продолжительность процесса
бронзирования?
Решение
1) В цианпсю-сганнатном электролите медь одновалентна, а оло-
во четырехвалентно. Отсюда электрохимические эквиваленты компо-
нентов сплава:
?Си = 2’37
QSn = 1,105 г1а.'Ч,.
2) Удельный расход электричества па 1 г катодного сплава
Gcni = “7—Рчп + "5— Реп —-------------0, 15 +--------0,85=0,495 а-ч] г
<7sn Sn <7cu Cu 1,105 2,37
3) Электрохимический эквивалент полученного сплава
7спл = ~ = л лас; =2,02 г/а-ч.
Gcui 0,495
4) Продолжительность процесса бронзирования
Id 0,0015-8,89
т =-------— = —-------—----— 60 = 19,4 мин.
^к^спл Вт 0,03-2,02-0,68
176. В лабораторной ванне нагрузкой /=1,90 а
с аммиачно-щелочным электролитом, содержащим Na2WO4,
Na2CoO2 и некоторые другие компоненты, за т = 1 ч 11 мин
получен на детали электролитический осадок вольфрамо*
кобальтового сплава; масса осадка g\l)dKT 2,13 г. По-
лученное покрытие состоит из 34% вольфрама (pw =»
= 0,34) и 66% кобальта (рСо = 0,66).
Каков выход по току для сплава и для его отдель-
ных компонентов?
165
Решение
1) Удельный расход электричества на 1 г сплава
1 1
сспл = aw Р\\' + сСо Рсо ” Qw P\V + qCo Рсо —
=—-—0,34 + —-—0,66 = 0,898 а-ч1г.
1,143 1,099
2) Электрохимический эквивалент сплава
1 1
<?СПЛ = --= 7”^ = 1,113 ?/<;«,
аспл 0,898
3) Количество сплава которое можно было бы получить за
время процесса
71
£теор = ^T7cni = 1,90 6Q 1,113 — 2,505 г.
4) Выход по току для сплава
ВСПЛ = £факт 100 = 2,13 100 = 85,0%.
^теор 2,505
5) Выход по току для вольфрама
Bw = ^спл В"Л = * * ИЗ-0,34-85,0 j= 2g 2%
Т <7w 1,143
б) Выход по току для кобальта
В^° = в™л-вУ = 85,0— 28,2 = 56,8%.
177. Для осаждения покрытий из сплава, содержа-
щего 65% олова (psn =0,65) и 35% никеля (pNi = 0,35),
использован фторид-хлоридный электролит, компонента-
ми которого являются SnCl2, NiCl2, NaF, KF и NH4F.
Аноды раздельные — оловянные и никелевые. Катодный
и анодный выходы по току равны 10096.
Какова должна быть плотность тока на оловянных
и никелевых анодах, чтобы в процессе сохранялась не-
166
изменность состава электролита по олову и никелю?
Известно, что соотношение поверхностей оловянных и
никелевых анодов должно составлять примерно 1:5.
а средняя плотность тока Dcdp 1,7 а/дм2.
Решение
1) Удельный расход электричества для сплава
111 1
асп =----4----------п =-------0,65 4------0,035 =
спл <7Sn Sn <?ni N' 2,21 ’ T 1,095
= 0,614 а*ч1г.
2) Доля тока, идущая на никелевые аноды, должна быть равна
доле электричества, затрачиваемого на осаждение никелевого компо-
нента катодного сплава
1 1
Д/№ = °Ni Pn1... = . > PNi. = 1,095 0,35 = 0>522>
°спл аспл 0,614
3) Доля тока, проходящая через оловянные аноды
A/Sn= 1 —0,522 = 0,478.
4) Для нахождения необходимых плотностей тока на никелевых
и оловянных анодах составляем систему уравнений:
а) соотношение поверхностей оловянных и никелевых анодов,
согласно условию задачи
= (1)
SNi 5
б) средняя анодная плотность тока по условию задачи
t/№ =1,7; (2)
5Sn + 5Ni
в) согласно п. 3 решения
----4*1----= 0,478; (3)
ZSn + ZNi
167
г) согласно п, 2 решения
----- =0,522.
Isn + 'ni
5) Из уравнения (3)
Из уравнения (1)
<$Ni = 5SSn •
Подставляя последние два равенства в уравнение (2), получаем
----------------- =1,7.
0,478 (Ssn + 55sn)
Отсюда плотность тока на оловянных анодах
-/sn- = D$n = 4,88 а! дм"-.
5Sn
6) Решая подобным же образом систему уравнении относительно
ZNi
—— , получаем, что плотность тока на никелевых анодах должна
5Ni
составлять D^' = 1,064 а/дм2.
178. При электролитическом осаждении белой брон-
зы (pSn = 36?6 олова и рСи = 64°6 меди) из станнатно-
цианистого электролита использованы раздельные ано-
ды— медные и оловянные. При этом оловянные аноды
работают при плотности тока D^n = 2,1 aldM2 и выходе
по току В?" = 68%; медные аноды — при Dc" = 0,7 а!дм?
и выходе по току By11 = 90?6. Катодная плотность тока
Ок = 4,0 п/Ли2. Выход по току для катодного сплава
В?пл = 7О?6.
168
Какова должна быть относительная рабочая поверх-
ность оловянных и медных анодов ванны (в расчете на
1 м2 одновременно бронзируемых деталей), чтобы состав
электролита в ходе процесса оставался неизменным?
Решение
1) Электрохимические эквиваленты для компонентов катодного
сплава:
<7Sn = 1,105 г/а-ч;
?Си=2'37 г1а'ч>
2) Теоретический удельный расход электричества на грамм осаж-
даемой бронзы
= 'STPs"+'ib “ ТЖ0 36 + ТОГ “64 ”
= 0,596 а-ч1г.
3) Доля полезного катодного тока, расходуемая на выделение
олова
------Реп -------0 > 36
Д/_ = <?Sn-------= 1>|05-----= 0,547.
аспл 0,596
4) То же, для никеля
A/Nj = 1— A/Sn = 1 —0,547 = 0,453.
5) Электрохимический эквивалент для катодного сплава
<7спл = V— = 7гкг=1’68 г1а'4-
аспл 0,596
6) Количество сплава, осаждаемое на 1 м2 катодной поверхности
за 1 ч процесса
£спл = Ок<7сп.тВ“1Л = 400-1,68-0,70 = 470 г.
169
в том числе олова
gSn = 470-0,36= 169 г,
меди
£Сп = 470— 169 = 301 г,
7) Сила тока, проходящая через анодную поверхность, которая
соответствует 1 м2 поверхности деталей, завешенных на катоде:
а) для медных анодов
-Си 301
Ли =-------7^— =------------= 141 а\
“ <7СиВС" 2,37-0,90
б) для оловянных анодов
/Sn____£sn__________169_____
а ~ 9snBS" - 1,105.0,68 - а-
8) Рабочая поверхность анодов, соответствующая 1 м2 поверх-
ности одновременно бронзируемых деталей:
а) медных анодов
/Си 141
5^=-^ = Ту = 201 дм*;
б) оловянных анодов
оп 225
= -тт = 107 дм*-
a pSn 2,1
9) Суммарный ток через медные и оловянные аноды, приходя-
щийся на 1 м2 одновременно покрываемых деталей
/а = /Си 4- /Sn = 141 + 225 = 366 а.
10) Несоответствие между расчетными величинами катодного и
анодного токов
Д/ = /к _ /а = 400 — 366 = 34 а.
При соответствии катодного тока и тока, проходящего через
медные и оловянные аноды, раствор будет постоянно обогащаться
170
оловом и медью. Во избежание этого и должна быть вышеуказанная
разница в «активных» токах—Д/. Наличие ее можно обеспечить,
например, установкой в ванне инертны^ анодов, через которые дол-
жен пропускаться ток, равный Д/ (фактически несколько меньше,
так как часть электролита с соответствующем содержанием ионов
металла теряется, механически захватываясь с деталями).
179. В ходе анодного оксидирования алюминиевой
детали поверхностью 5=1,22 дм2 выделилось иОз =
= 10,5 мл кислорода (объем приведен к нормальным
условиям). Средняя толщина 3 полученного оксидного
слоя (А12О3) 7 мх\ его пористость П = 12%. Плотность
тока анодирования Da = 1,4 а!дм2, время процесса т =
= 25 мин.
Каково распределение анодного тока: а) па образо-
вание оксидной пленки на алюминии; б) на выделение
кислорода и в) на переход алюминия в раствор? Плот-
ность А12О3 равна 3,85 г!см2.
Анодные реакции при оксидировании алюминия:
а) 2А1 + ЗН2О — бе —> А12О3 + 6Н+
б) 2Н2О + 4ё—> О2 + 4Н+
в) А12О3 + 6Н+ —> 2А13+ + ЗН2О
Решение
1) Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов про-
цесса:
_ МА1 о
«АЬОз------—
101’91- =0,634 г/ач;
6 • 26,8
22 400
Qo = ~ = 209 жл/л-ч.
4 • 26,8
171
2) Общее количество электричества, протекшее при оксидирова-
нии детали
25
Q = DdS^ -= 1,4 • !’22—- =0,712 а-ч.
3) Масса полеченного оксидного покрытия
~ £г'^А12о3 0 П) =
= 122-0,0007-3,85 (1 — 0,12) = 0,29 г, '
где t/каж — ^льо , (1 - П) — кажущаяся плотность оксидной пленки.
4) Количество электричества, затраченное
а) на образование Д12О3 в оксидной пленке
^Al2ot
0,29
0,634
= 0,457 а-ч\
б) па выделенке кислорода
vo, 10,5
Qo =-------=--------= 0,0503 а-ч.
<70( 209
5) Распределение анодного тока (выходы по току):
а) на образование Д12О3
в' = 4г 100 = 2^ 100 = 64,2%;
т Q 0,712
б) на выделение кислорода
в;
Q. 0,0503
— ЮО =------------
Q 0,712
100 = 7,1 %;
в) на анодное растворение алюминия (по разности)
Вт' = 100 — (64,2 -f- 7,1) = 28,7%.
180. При анодном оксидировании медной детали
в щелочном растворе током I = 1,24 а за 20 мин про-
цесса выделилось vQ = 5,2 м i кислорода (приведен к
нормальным условиям). В ходе процесса оксидирования
масса детали увеличилась на Ag = 31,2 мг.
172
Какая доля анодного тока била затрачена на образо-
вание оксидной пленки CuO(Q1), на анодное растворение
меди в электролите (Q.,) и на выделение кислорода (Q3)?
Анодные реакции при оксидировании меди:
а) Си + 2ОН- — 2<Г—> СиО + Н2О
б) Си 4ОН- — 2с-------Си (OH)J~
в) 4ОН- ~4ё-------> О2 -J- 2Н2О
Решение
1) Общее количество электричества, затраченное на оксидирова-
ние детали
20
Q = Iz = 1,24--= 0,413 а-ч.
60
2) Количество электричества, пошедшее на выделение ки-
слорода
УО, 5,2
Q3 =--— = —— = 0,0249 а-ч.
3 <?о2 209
3) Изменение массы оксидируемой детали обусловливается па-
раллельным протеканием двух процессов:
а) образование оксидной пленки по реакции Си—>• СиО, при
котором на каждый затраченный 1 а-ч наблюдается приращение мас-
сы, равное электрохимическому эквиваленту кислорода
б) анодное растворение меди, которому сопутствует убыль
массы детали, равная электрохимическому эквиваленту меди
<7С11= 1,185 г/а-ч.
Для нахождения количества электричества Qi, пошедшего на
образование оксидной пленки и количества электричества Q2, затра-
173
ценного на растворение меди, составим систему из двух уравнений:
a) Qi<?o2 — <2г?си = Д£
<?! • 0,298 —Q2 • 1,185 = 0,0312;
б) Q1 + Q2 = Q-Q3 = 0,413 —0,0249 =0,3881 а-ч.
Решая эту систему уравнений, находим:
= 0,331 а-ч.
Q2 =* 0,0571 а-ч.
4) Распределение анодного тока:
а) на выделение кислорода
Оя 0,0249
Вт= Q 100 = W00 == 6’03%:
б) на образование оксидной пленки
О, 0,331
В"т= 100 = 100 = 80,1%;
U, 41 □
в) на растворение меди
Q2 0,0571
в-..,_^|ю___]00_13,та.
181. При электрополировке стальной детали в сме-
шанном растворе ортофосфорной и серной кислот и хро-
мового ангидрида выделилось v =14,1 мл кислорода
(объем приведен к нормальным условиям). Сила тока
при электрополировке /=1,30 а, анодная плотность то-
ка Оа = 40 а/дм1, продолжительность процесса х=6мин.
Какая доля анодного тока израсходована на процесс
электрохимического растворения стали, если на анодно-
полируемой детали протекают только два процесса — вы-
деление О2 и растворение металла? Какова глубина съема
металла за время процесса (пренебречь углеродистой
составляющей стали), если железо в этих условиях
растворяется в трехвалентной форме (dCTa 1И — 7,8 г/см3)?
174
Решение
1) Электрохимические эквиваленты железа и кислорода:
22 400
Qo — 209 мл!а-ч.
°2 4-26,8
2) Общее количество протекшего электричества
6
Q = I- = 1,30---=0,13 а-ч.
60
3) Количество электричества, затраченное на выделение кислорода
и 14,1
Qi = —— = —— = 0,0675 а-ч.
Яо2 209
4) Доля анодного тока, идущая на растворение железа
Q —Qi 0,13 — 0,0675
В = юо = _>—------------j == 0
Q 0,13
5) Глубина съема металла при электрополировке
Oa-?FeBT 0,40-0,1-0,695-0,48
6 =------------= —:-------—---------- 10 000 = 17,1 ж/с.
d 7,8
182. Изготовление матриц для прессования патефон-
ных пластинок осуществляется гальванопластическими
методами. Первичная затяжка никелем исходной формы
продолжается в течение т' = 1 ч при катодной плотно-
сти тока Z)K = 0,15 а! дм2 и выходе по току В'т = 95%;
последующее подращивание медью проводится в серно-
кислой ванне при DK = 2,5 а!дм2 в течение х" = 50 мин;
окончательное наращивание меди осуществляется в сер-
нокислом электролите при = 8 а1дм2 до получения
суммарной толщины матрицы Вм = 0,80 мм (оба послед-
них процесса идут со 100%-ным выходом потоку).
175
Какова продолжительность изготовления матрицы
(длйтельность процесса собственно электролиза)?
Решение
1) Толщина первичного никелевого слоя
0,0015.1,0.1,095.0,95 _ „
bN. = . к JN1 — =------------—---------- 10 = 0,00175 мм.
, DK г''qc В*
5» К, • k>U i _
bCu=---------------
dNi 8,9
2) Толщина медного слоя, полученного при подращивании
50
0,025----- 1,185-1,0
_________Ё2------------10 = 0,0277 мм.
dcu 8,9
3) Необходимая толщина медного слоя, которая должна быть
получена в процессе наращивания
= &м—(oNi + ^u)= 0,80 — (0,00175 + 0,0277) = 0,77 мм.
4) Продолжительность процесса наращивания меди
= = 7.225 ,.
Z\QCuBr 0,08.1,185.1,0
5) Суммарное время электролиза при гальванопластическом из-
готовлении матрицы
50
т = т'+4-V" = 1,0 -j- — + 7,225 = 9,06 ч.
183. В электролитической ячейке с соотношением
расстояний от анода до дальнего и ближнего катодов
/<=-^- = 5, использованной для определения рассеива-
ющей способности медно-цианистого электролита (без
перемешивания) по методу Херинга и Блюма [14],
перераспределение токов на ближний и дальний катоды
-А- составило 4,18 (при плотности тока на ближнем катоде
'д
Dl =0,403 а,‘дм2).
176
При этом выход по току на ближнем катоде В? =61,4%,
на дальнем В? = 80,2%.
Электродный потенциал на ближнем катоде <рб =
= —1,547 в по нормальному водородному электроду
(н. в. э.), потенциал дальнего катода фд = — 1,397 в
и падение напряжения в электролите до дальнего катода
Ед = 0,860 в.
Рассчитать рассеивающую способность (PC) электро-
лита по двум вариантам, пользуясь: а) перераспределе-
нием тока на разноудаленные катоды; б) «потенциаль-
ными» характеристиками электродов [13].
Решение
1) Для варианта (а) расчета пользуемся соотношением
s_„.184l±-
РСТ=-------_____В-Дт- 100 =---------о>.1 2 100 = 36,0%.
К 5
2) Для варианта (б) расчета применяем расчетную формулу
1 — f 1 — ~ =
В? \ Ел /
РСП = 100
= 100
i 61>4 А —1,397 -1-1,547
80,2 \ “
0,860
= 36,7%.
184. По электропроводности отдельных компонентов
рассчитать электропроводность смешанного раствора,
содержащего 210 г/л ZnSO4-7H2O, 30 г/л A12(SO4)3- 18Н2О,
100 г/л Na2SO4 • ЮН2О и 10 г л декстрина (пренебречь
влиянием последнего на величину электропроводности).
Решение
1) Для расчета приближенного значения электропроводности ра*
створа, содержащего несколько компонентов, воспользуемся следую-
щим искусственным приемом.
177
Удельную электропроводность смешанного раствора хсм будем
считать равной сумме расчетных удельных электропроводностей х/
отдельных компонентов раствора
хсм = S 'Ч-
Z
Величины х/ рассчитываем по значениям эквивалентных электро-
проводностей X/ однокомпонентных растворов, взятым из справочных
таблиц. Для учета влияния всех компонентов раствора на величину
коэффициента электропроводности f значения X/ берем для концен-
трации, равной сумме концентрации всех компонентов раствора. При
переходе же от значения X/ к удельной электропроводности х/ в пе-
реводную формулу подставляется уже концентрация данного компо-
нента
х/ = —.
1000
2) Находим концентрации компонентов раствора в грамм-эквива-
лентах на 1 л:
CZnso = 1»44 г-экв!л\
CA12(SO4)3 = °>27 г-экв[л\
^Na2SO4 = 0,62 г-экв/л,
3) Суммарная концентрация всех компонентов раствора
Ссум = CZnSO4 + CAl£(SO4)n + ^Na2SO4 =
= 1,44 + 0,27 + 0,62 = 2,33 г-экв1л.
4) По справочнику [15] находим эквивалентную электропровод-
ность для каждого из компонентов раствора при концентрации С =
= 2,33 г-зкв/л:
4nso4 = 28,|;
?-a’MSO4), = 2°. 2;
^NaaSO4 — 37
178
5) Удельная электропроводность отдельных компонентов в сме-
шанном растворе:
>2,зз с
AZnSO4 . nSO,
*ZnSO<
lu(O
28,1 • 1,44
----Iqqq~"— = 0,0405 ом"1 • см'1;
‘AlHSOJa CAI2(SO4)3
20,2 • 0,27
'A13(SO4);
1000
1000
= 0,00545 ом"1 • см-1;
12.33 r
ANa2SO4 GNa2SO,
37,6 • 0,62
0,0233 олг1 • саг1.
%Na,SO<
6) Удельная электропроводность смешанного
*см = *еО + *А1 rsoi + '^lSo = 0,0405 + 0,00545 + 0,0233 =
Znb(J4 А12(ЬО4)2 j
= 0,06925 ом"1 • см"1.
1000
1000
раствора:
185. Рассчитать теоретическое значение напряжения
разложения для электролита процесса хромирования
(сернокислый раствор хромового ангидрида СгО3), поль-
зуясь термодинамическими функциями компонентов элек-
трохимической реакции (не учитывать побочный процесс
электролитического разложения воды).
Решение
1) Реакция суммарного электрохимического процесса
СгО3 • Н2О-> Сг + 1,5О2 + Н2О
(берем уравнение реакции с гидратом СгО3, так как это позволяет
учесть, хотя бы частично, изменение термодинамического потенциа-
ла Гиббса при гидратировании СгО3 в растворе).
2) Изменение термодинамического потенциала Гиббса при реакции:
ДФ = ДФ Дф 1 5Дф дф
CrOj • Н2О Сг О., Н,0
= — 178,5 — 0 — 0 + 56,69 = —121,81 ккал.
179
3) Напряжение разложения электролита
Epajl=_J^_ = J2L8L = 0,88e.
разл г Ft 6-23,06
186. Рассчитать величину равновесного потенциала
цинкового электрода при -j- 20сС в сернокислом электро-
лите для цинкования. Компоненты электролита имеют
следующие концентрации: ZnSOi—1,5н.; А12(5О4)з —
0,Зн.; Na2SOj — 0,6н. с добавкой декстрина.
Решение
Для расчета воспользуемся уравнением Нернста
RT 0,058
<? = ¥о + In aZu2+ = - 0,762 + -g- 1g 7CZ|)2+.
Находим коэффициент активности 7_ для раствора ZnSOj с ион-
ной силой, равной ионной силе электролита цинкования |1]. В дан-
ном случае общий коэффициент активности 7 ь будет равен коэффи-
циенту активности ионов цинка:
т = 7 =0,04;
*± 1 Zn2+ ’ ’
С_ .,—0,75 г-ион/,
Zn2+
Тогда
0,058
? = — 0,762 + ~1g 0,04 . 0,75 = — 0,806 в.
Zn &
187. Удельная электропроводность сернокислого элек-
тролита цинкования = 0,05353 ом~1 • саг1 (при 20°С);
цианистого электролита цинкования */2 = 0,245 олг1 • см~1
(при + 35°С). В ваннах нагрузкой 700 а, работающих
при катодной плотности тока DK= 1,5 а дм2, установле-
но 3 анодных штанги (две крайних и одна средняя), на
каждую из которых завешено по 3 анода габаритами
500 X 700 мм. Среднее мсжэлсктродное расстояние в
ваннах I = 15 см.
180
Какова величина падения напряжения в электролите
сернокислой и цианистой ванн цинкования при указан-
ных температурах процесса?
Решение
1) Определяем рабочую анодную поверхность. Аноды па сред-
ней штанге работают двухсторонне; крайние аноды растворяются
в основном с одной стороны. Отсюда
= 5'2/гср + S' пкр = (5 • 7) 2 • 3 + (5 • 7) 6 = 420 дм2,
где /гСр и /гкр — количество средних и крайних анодов; Sa—поверх-
ность одной стороны апода.
2) Анодная плотность тока
/ 700
Z)a = ~ 420 = 1 »67 а/дм2.
3) Среднюю проходную плотность тока в электролите находим
как среднюю геометрическую от катодной и анодной плотностей
тока
£)ср = у £)KZ)a = /1 ,5 • 1,67 = 1,58 а/дм2.
4) Падение напряжения в электролите:
а) сернокислой ванны
AV1 = -^L = °'0158- 15 = 4 43 в-
0,05353
б) цианистой ванны
Л1/ D^1 0,0158.15 7, - 0,245 - 0.967 «.
188. Катодная плотность тока в ванне никелирования
DK = 1,5 а дм2, анодная плотность тока Da = 1,0 Я/'дле2.
Рабочий потенциал катода <рк — —0,69 в, потенциал ано-
да фа = ~г 0,29 в. Удельное сопротивление электролита
р = 14,3 ом • см', межэлектродное расстояние I = 15 см.
181
Потери напряжения в катодах, анодах и контактах рав-
ны примерно 15% от суммы омических потерь напряже-
ния и поляризации; падение напряжения в шинопрово-
дах составляет около 10% от напряжения на штангах
ванны.
Рассчитать минимально необходимое значение выход-
ного напряжения на генераторе тока, питающем ванну
никелирования.
Решение
1) Необходимое напряжение на генераторе
£2 = 9+ — IR' 4~ IR" 4~ IR'",
где /?' — омическое сопротивление электролита; R"— электродов и
контактов; R'" — шинопроводов.
2) Электродная поляризация в ванне равна алгебраической раз-
ности катодной и анодной поляризаций
= —= + 0,29- (— 0,69) = 0,98 в
(равновесные потециалы для катодного и анодного процессов в дан-
ном случае одинаковы).
3) Проходная плотность тока в электролите
DCp = V~D^Da = У 1,5 • 1 ,0 == 1,225 а/дм*.
4) Падение напряжения в электролите
дуэ1 = IR' = pz = Dcp PZ = 0,01225 • 14,3 • 15,2 = 2,63 в.
5) Потери напряжения в электродах и контактах ванны
IR" = 0,15 (^ + ДУЭЛ) = 0,15 (0,98 + 2,63) = 0,542 в.
6) Падение напряжения в шинопроводе
ДГШ1111 = 0,10 (0,98+ 2,63+ 0,542) = 0,415 в.
7) Необходимое напряжение на генераторе
уген = 0,98 + 2,63 + 0,542 + 0,415 = 4,57 в.
182
189. При электролитическом никелировании из раство-
ра NiSO4, подкисленного серной кислотой, потенциал ка-
тода (| при DK = 20 а дм2 и 60еС составлял 0,82 в.
При выделении водорода на никелевом катоде при таком
же знач-нии потенциала из раствора MgSO4 с концентра-
цией, эквивалентной содержанию NiSO4 в электролите ни-
келирования, и с аналогичным значением pH раствора
катодная плотность тока составляла 3,8 а;дм2.
Каково значение выхода по току для катодного выде-
ления никеля в процессе никелирования?
Решение
При эквипотенциальном режиме плотность тока, затрачиваемая
на выделение Н2 при никелировании, должна быть равна £)к в под-
кисленном растворе MgSO4. Поэтому
Dk — О* 20 — 3,8
Вт =--------100 =----2СГ~ 100 = 81 %
190. Разность напряжений между катодными и анод-
ными штангами ванны сернокислого цинкования нагруз-
кой / — 800 а составляет 3,2 в. Электродные выходы по
току (катодный и анодный) для цинка почти равны 100%.
Какое количество тепла выделяется за 1 ч непрерыв-
ной работы ванны?
Решение
Вся затрачиваемая при процессе цинкования электрическая энер-
гия должна переходить в тепловую, так как в таких ваннах уста-
навливаются растворимые (цинковые) аноды. Поэтому процессы на
катоде и аноде взаимно обратимы (напряжение разложения равно
нулю).
Отсюда количество выделяемого за 1 ч джоулева тепла
QT = 0 860 /I/т = 0,860 • 800 • 3,2 . 1,0 = 2200 ккалрк
191. Напряжение V на штангах ванны электрохими-
ческого обезжиривания деталей нагрузкой / = 500 а рав-
183
но 5,1 в. Температура процесса H-80°G. Рабочее время т
ванны за 1 ч равно 42 мин.
Рассчитать количество джоулева тепла, выделяюще-
гося за 1 ч в ванне.
Решение
Суммарный электрохимический процесс в ванне
Н2О -* Ы2 4“ ~~2~ ^2
В тепловую энергию в такой ванне переходит вся затрачиваемая
электрическая энергия за вычетом энергии разложения воды.
1) Изменение энтальпии при реакции разложения воды
По справочным таблицам находим значения при +25°С
(298°К) и пересчитываема их для + 80°С (353°К) по формуле
ДЯз5з = А^298 + сМДТ,
где с — теплоемкость вещества в ккал1г\ М— молекулярный вес
вещества; ДТ — разность температур.
Например, ДН353 для Н2О равна
Д#353° = — 68,32 4- "|qqq” 18 (80 — 25) = — 67,33 ккалIмоль.
Находим значение энтальпии при 4~ 80°С для Н2 и О2:
Д//|зз = 4- 0,374 ккал I моль}
= + 0,405 ккалЦмоль.
Тогда
/ 0.405Х
Д//353 = — 67,33 — (0,374 +——1 = — 67,91 ккал I моль.
2) Тепловое напряжение разложения воды
184
ЬН 67,91 ,
Ет-~~ zF] — 2 . 23,06 ~ 1,47 °-
3) Количество тепла выделенного за 1 ч работы виты
42
QT = 0,860/т (V — Ет) = 0,860 • 500 • • (5,1 — 1,471) =
= 1090 ккал/час.
192. Ванна хромирования нагрузкой I = 1500 а, имею-
щая в качестве электролита сернокислый раствор хромо-
вого ангидрида СгО3, работает при среднем напряжении
на штангах = 10,5 в и выходе по току для хрома 13%.
Доля тока, затрачиваемая на катодно-анодный процесс
Сг6+ + Зе Сг3+
(неполное восстановление Сгб+ на катоде и обратное
окисление Cr3h на аноде) составляет 10% от общего тока.
Кроме указанных выше процессов, на электродах ванны
происходит выделение водорода и кислорода. Рабочее
время ванны за I ч составляет 45 мин.
Какое количество тепла выделяется в ванне за 1 ч
ее работы?
Решение
1) Суммарные электрохимические процессы, протекающие в
ванне, и доли тока, затрачиваемые на них:
а) СгО3-> Сг + 1,5О2
(В?= 13%);
б) Сг°Ч-37^Сг3+;
(В? = 10%);
в) НгО->-Н. -г °2
(В“ = 100 — (13 + 10) = 77%).
185
2) Изменение энтальпии при реакциях
а) ДНа ДН -|- Д/7' - ДЯ - 1,5ДН =
= — 136,0 —2,46 — 0 — 0 = — 138,46 ккал/моль,
где Д#'— изменение энтальпии при растворении СгО8;
б) Реакция не приводит к изменениям в состоянии системы,
поэтому ДЯб = 0.
в) ДНВ = ДЯ -ДН — --68,32-0-0 =
= —68,32 ккал/моль.
3) Тепловые напряжения разложения для протекающих электро-
химических процессов:
. ДНа 138,46 , _
£т грг - 6 • 23,06 - 1>0° в’
, Ебт = 0;
„ 68,32
Ет = 2 23,06 = 1,48 в'
4) Часовое количество выделяющегося джоулевого тепла
QT = 0,860 • /т (VB- Е* • В^-Е® • В®-Е? • В?) =
45
= 0,860- 1500- -Т7Г (10,5 — 1,00 • 0,13 — 0— 1,48.0,77) =
□U х '
= 8930 ккал/час.
193. Ванна нагрузкой / = 800 а расположена на рас-
стоянии L = 5 м от генератора тока.
Каково должно быть минимальное сечение токопод-
водящих медных шин, если максимально допустимое
падение напряжения ДУ в шинах примем равным 0,5 в?
Какова будет при этом проходная плотность тока в
шинопроводе?
Удельное сопротивление меди при 18°G pf8 =
= 0,0178 ом • ммЧм. Температурный коэффициент сопро-
186
тивления меди а — 0,00445. Средняя температура шин
+ 40°С.
Решение
1) Удельное сопротивление меди при + 40°С
р4о = Pie [1 + « G — 18)1 = 0,0178 [1 + 0,00445 (40 — 18)] =
= 0,01955 ом • мм2/м.
2) Необходимое сечение шинопроводов находим из уравнения
закона Ома:
„ 2L AV о /p2L 800 * 0,01955- (5*2) nin 9
^ — 1° S — / 5 S— Ду — 0,5 -313 м
(коэффициент 2 при L учитывает наличие прямого и обратного
шинопроводов).
Выбираем двойной шинопровод сечением (40x4)2; по таблицам
справочника [16] проверяем выбранное сечение на допустимую на-
грузку ,.которая равна 1500а. Сечение приемлемо.
Проходная плотность тока
800 _
7?пр — 220 — 2,5 •
ЗАДАЧИ
194. Электролитическое осаждение на деталях цинко-
вого покрытия толщиной 18 мк производится в суль-
фатном электролите при катодной плотности тока DK =
= 2,0 а! дм2 и Вт — 98 ° о.
Какова необходимая продолжительность процесса
цинкования?
195. Электролитическое цинкование деталей осущест-
влялось в течение 22 мин в цианистом электролите при
плотности тока DK = 3,0 си дм2 со средним выходом по
току для цинка, равным 85?6.
Сколько цинка осаждается на детали поверхностью
2,7 дм2 за время процесса? Какова при этом средняя
толщина цинкового покрытия?
187
196. При электролитическом кадмировании детали
поверхностью 1,4 дм2 за 32 мин процесса полечено ка-
дмиевое покрытие толщиной 18 мк. При этом па катоде
выделилось 37,8 мл Н2 (обьем приведен к нормальным
условиям).
Какова величина выхода по току для кадмия? Какой
силы ток был использован при кадмировании детали?
197. Какова продолжительность электролитического
осаждения слоя меди толщиной 25 мк: а) из медно-циа-
нистых ванн при плотности тока DK = 3,0 а дм2 и выходе
по току Вг = 75% и б) из сернокислых медных электро-
литов при DK ^ 3,0 а дм2 и Вт = 99%?
198. Для осаждения меди из цианистого электролита
использован гок переменной полярности при длительности
катодного периода 15 сек, анодного периода 3 сек и
плотности тока катодного и анодного периодов 6,0 а/дм2.
Выход по току катодных периодов составляет при таком
режиме примерно 60?6. Среднее напряжение па ванне
Ив = 5 в.
Рассчитать: а) продолжительность осаждения слоя
меди толщиной 20 мк; б) удельный расход электроэнер-
гии на 1 м2 покрытия; в) выход по току в расчете на
все количество затраченного электричества.
199. Процесс пористого хромирования проводится из
сернокислого раствора хромового ангидрида СгО3 при
следующем режиме: катодная плотность тока DK = 70а!дм2,
продолжительность катодного периода 200 мин, средний
выход по току В* = 16?о; плотность тока анодного пе-
риода Da = 40 а,дм2; продолжительность 5 мин; выход
по току при анодном периоде в расчете на изменение
валентности хрома, равное шести, В‘- 100%.
Какова масса полеченного слоя пористого хрома на
1 м2 поверхности деталей? Какова средняя Аолщипа хро-
мового покрытия (без учета пор)?
188
200. Какова продолжительность электролитического
осаждения слоя олова толщиной 15 мк в стационарных
ваннах: а) из стапнатных электролитов при катодной
плотности тока DK = 3,0 а дм1 и выходе по току Вт « 65%;
б) из сернокислых электролитов при DK = 4,0 atdM2 и
Вт^90%?
201. После 1 ч 10 мин катодного осаждения свинца
из борфтористовидородного электролита (соль свинца ви-
да Pb(BF4)2) при плотности тока DK = 3,0 а'дм2 на дета-
ли поверхностью 1,2 дм2 ссадилось 14,7 г свинца.
Рассчитать: а) выход по току; б) объем выделившегося
на детали водорода, приведенный к нормальным усло-
виям; в) среднюю толщину свинцового покрытия.
202. Одним из способов контроля окончания процесса
электролитического серебрения является последователь-
ное включение в цепь электролиза медного кулометра,
катод которого завешен на коромысло чашечных весов.
После достижения рассчитанного привеса медный катод
кулометра опускается, разрывая электрическую цепь
ванны серебрения.
Рассчитать необходимый привес катода медного ку-
лометра за период серебрения, если в ванне серебрения,
последовательно установленной с кулометром, завешены
детали общей поверхностью 21,6 дм2, которые должны
быть покрыты слоем серебра толщиной 30 мк. Какова
продолжительность процесса серебрения при катодной
плотности тока DK = 0,20 al дм2 и выходе по току около
10076? Каков удельный расход серебра на 1 м2 покрытия
(без учета расхода серебра при механических потеря'
электролита)?
203. Нанесение на детали слоя золота толщиной 3 мк
производится в цианистом электролите на основе KAu(CN)2
при катодной плотности тока DK — 0,3 а дм2 с выходом
по току Вт 70%.
189
Рассчитайте продолжительность процесса золочения и
удельный расход золота на 1 дм2 покрытия (без учета
его потерь).
204. При индированни детали поверхностью 32 см2
в борфтористоводородном электролите, содержащим индий
в виде In(BF4)3 за 35,5 мин процесса при DK = 2,0 а/дм2
получено индиевое покрытие общей массой 0,165 г.
Каковы выход по току для индия и его средняя тол-
щина на детали?
205. Отделение гальванического цинкования, имею-
щее 5 стационарных ванн с сернокислым электролитом,
работает в 2 смены по 7 ч при прерывной неделе. В ван-
ну одновременно завешивается 6 катодных подвесок, на
каждую из которых помещаются детали с сбщсй цин-
куемой поверхностью в 20 дм2. Необходимая толщина
цинкового покрытия 15 Л1к; катодная плотность тока
Ои = 2,0 а!дм2, выход по току Вт = 98?6. Обратимый
брак составлет 1% от общей продукции.
Время на загрузку и выгрузку из ванны подвесок с
деталями 1,6 мин. Общие годовые потери времени на
простои ванн 3?6. Время на подготовительно-заключи-
тельные операции 40 мин в сутки.
Рассчитать годовую производительность отделения.
206. Производительность отделения никелирования
составляет по мелким деталям 42 т!год. Для никелиро-
вания используются колокольные ванны нагрузкой 80 а,
рассчитанные на одновременную загрузку 10 кг деталей.
Средняя удельная поверхность деталей 16,3 дм2!кг. От-
деление работает в 2 смены по 7 ч при прерывной неделе.
Простои оборудования в ремонте 4,5% от номинального
годового времени его работы. Время на загрузку и вы-
грузку деталей в колоколах 5 мин. Подготовительно-
заключительное время 0,5 ч в сутки. Необходимая тол-
щина никелевого покрытия 15 мк. Выход по току для
190
стационарных ванн в данном электролите 96%. Увели-
чение времени процесса для колокольных ванн с учетом
механического истирания покрытия и недостаточной рав-
номерности пересыпания деталей 15%. Покрываемая
поверхность катодных контактов составляет около 3%
от поверхности деталей.
Сколько колокольных ванн необходимо установить в
отделении? Какова величина коэффициента загрузки
установленных ванн?
207. Для получения гальванических покрытий на де-
талях использован прямолинейный автомат. Толщина нике-
левого покрытия на деталях должна составлять 18 мк.
Ванна никелирования в автомате работает при катодной
плотности тока DK = 4,0 а'дм1 и выходе по току 96?6;
примерный шаг подвески в ванне / — 0,45 м, скорость
продвижения подвески и = 0,2 м'мин. Ванна им^ет 3 ка-
тодных и 4 анодных ряда; поверхность деталей на одной
подвеске составляет в среднем 16 дм1} неизолированная
(никелируемая) часть поверхности подвески составляет
5% от поверхности завешенных на ней деталей; обрати-
мый брак составляет 1% от всей продукции. -
Рассчитать: а) длину рабочей части (расстояние меж-
ду центрами крайних подвесок) ванньГникелирования;
б) темп выхода подвесок; в) максимальную суточную
производительность автомата по площади покрытий при
условии его круглосуточной работы; г) необходимую си-
лу тока на ванну никелирования.
208. Ванна сернокислого меднения в овальном авто-
мате с прерывно движущейся транспортерной цепью име-
ет 2 катодных и 3 анодных ряда. Ванна работает при
плотности тока DK = 4,0 al дм2 и выходе по току Вт « 99%.
Необходимая толщина получаемого медного покрытия
о = 23 мк. Автомат должен иметь темп выхода подвесок
около 3 мин,} минимальный шаг подвесок 0,60 лг, поверх-
191
иость деталей на одной подвеске Sn = 16 дм2, обрати-
мый брак составляет около 1% от всей загрузки; неизо-
лированная (омедняющаяся) часть поверхности подвески
равна 5°о от поверхности завешенных на ней деталей.
Рассчитать: а) необходимое расстояние между цент-
рами крайних подвесок в ванне меднения; б) темп вы-
хода подвесок; в) силу тока на ванну меднения;
г) максимальную суточную производительность автомата
(при его непрерывной круглосуточной работе).
209. В автомате никелирования стальной ленты,
имеющей ширину 25 мм и толщину 0,1 мм, последова-
тельно установлены две ванны никелирования длиной
по 7,0 м каждая. При никелировании лента на рабочих
участках проходит по прямой горизонтальной линии. На
участке, равном примерно 15% длины каждой ванны,
лента не никелируется (на участках вывода ленты к
контактным цилиндрам, а также вследствие экранирова-
ния ленты направляющими валиками). Через автомат
одновременно проходит 13 потоков ленты. Необходимая
толщина никелевого покрытия на ленте 2,0 мк. Катод-
ная плотность тока Z)K = 2,5 а,1 дм2; выход по току
Вт = 95%.
Работа автомата трехсменная, без выходных дней (в
праздничные дни не работает). Неизбежные простои ав-
томата составляют 10?о от номинального годового фонда
времени его работы.
Рассчитать: а) необходимую скорость движения лен-
ты в автомате; б) годовую производительность автомата
в погонных метрах ленты; в) силу тока на каждую из
двух ванн никелирования в автомате (не учитывать ток,
затрачиваемый на никелирование торцов ленты).
210. Конвейерный автомат электролитического луже-
ния холоднокатаной стальной ленты работает с хлористо-
кислым (на основе SnCl2) электролитом при плотности
192
тока DK = 40 а!дм2 и выходе по току Вт = 90%. Лента,
проходящая через автомат со скоростью 8,0 м'сек, по-
крывается слоем олова толщиной 1,0 мк.
Какова должна быть длина рабочей части ванны лу-
жения (равная длине одновременно покрываемой части
ленты)?
211. В ванне хромирования нагрузкой 2500 а исполь-
зован электролит, содержащий 350 г!л СгО3 и 3,5 г/л
H2SO4. Ванна работает при катодной плотности тока
DK = 20 а!дм2 и выходе по току около 16%. Толщина
получаемого слоя хрома 1,5 мк. Время загрузки и вы-
грузки подвесок с деталями 2,0 мин. Удельные потери
электролита составляют 117 мл на 1 м2 покрытия.
Рассчитать удельный расход СгО3 (на собственно
электролиз и механические потери) на 1 м2 покрытия, а
также часовой расход СгО3 на ванну.
212. Электролит стационарной ванны цианистого ме-
днения содержит 33 г!л общего цианида (свободного и
связанного) в пересчете на NaCN. Ванна работает при
+60°С с выходом по току Вт = 75%; толщина медного
покрытия 22 мк. Расход цианида на разложение равен
0,9 г!а-ч. Потери электролита составляют около 95 см3
на 1 м2 поверхности деталей [13] (имеется сборник-
уловитель раствора).
Каков удельный расход цианида на 1 м2 покрытия?
Какую роль в общем расходе цианида составляют его
потери при разложении?
213. Рассчитать удельный расход цианида на 1 м2
медного покрытия толщиной 2 мк и долю потерь циа-
нида на разложение в его общем расходе при электро-
литическом меднении деталей в стационарной цианис-
той ванне.
Параметры электролиза и расходные коэффициенты—
см. условие задачи 212.
193
214. Колокольная ванна цинкования заливается циа-
нистым электролитом с концентрацией общего цианида
85 г/л (в расчете на NaCN). Необходимая толщина цин-
кового покрытия 10 мк. Для цинк-цианистого электро-
лита данного состава выход по току в стационарных
ваннах составляет около 80%. В колоколах общая рас-
четная продолжительность процесса должна быть уве-
личена на 15% с учетом механического истирания по-
крытий и неравномерности пересыпания деталей. Удель-
ные потери раствора при процессе около 115 см3 на
1 м2 поверхности деталей. Расход цианидов на электро-
химическое разложение 0,8 г а-ч [13].
Каков удельный расход цианидов на 1 м2 получае-
мого цинкового покрытия?
215. В стационарную ванну цинкования нагрузкой
1200 а, имеющую 2 катодных и 3 анодных штанги, за-
вешено 9 цинковых анодов габаритами 500x700/ 12 мм
(по три анода на каждую штангу). В ванне использован
сернокислый электролит с катодным выходом по току
Вт = 9996; толщина получаемого цинкового покрытия на
деталях 15 мк. Открытая (цинкуемая) поверхность ка-
тодных подвесок составляет примерно 5?6 от поверхнос-
ти завешенных на них деталей.
Какое количество деталей (без учета брака) возмож-
но оцинковать в ванне за период работы: а) анодов,
установленных на средней штанге, и б) анодов на край-
них штангах (не учитывать ток, идущий на обратную
сторону таких анодов)? Анодные остатки (скрап) состав-
ляют 18% от начального веса анодов. Анодный выход
по току 1О2?6.
216. Кадмиевые аноды, имеющие толщину 10 мм,
эксплуатируются в ванне кадмирования при плотности
тока Ьа = 1,5 а/дм2 (аноды полностью погружены в
электролит). Анодный выход по току = 101%; анод-
194
ные остатки (скрап) составляют 15% от первоначальной
массы анодов.
Какова продолжительность эксплуатации двусторон-
не работающего анода?
217. В цианистую ванну исправления брака нагруз-
кой 500 а в качестве анодов завешены бракованные омед-
ненные стальные детали с общей поверхностью 522 дм2
и средней толщиной медного покрытия 17 мк.
Сколько времени необходимо для полного сня-
тия медного слоя с деталей, если анодный выход по
току В“ = 95?о (с учетом выделения О2 в конце про*
цесса)?
218. Для электролитического получения покрытия из
высокомедистого медно-цинкового сплава — томпака
(90% меди и 10?6 цинка) использован цианистый элек-
тролит. Катодная плотность тока при процессе DK =
= 3,0 а! дм2, выход по току для сплава Вт = 80%. Плот-
ность получаемого сплава d = 8,6 г!см3.
Какова продолжительность осаждения на деталях
слоя томпака толщиной 150 мк?
219. Электролизом борфтористоводородного электро-
лита, содержащего Pb(BF4)2, Sn(BF4)2 и некоторые дру-
гие компоненты, на деталях получено покрытие толщи-
ной 8 мк из свинцово-оловянистого сплава (50% РЬ,
50% Sn). Катодная плотность тока при осаждении DK^
~ 1,0 а/дм2; выход по току для сплава близок к 100%.
Какова продолжительность процесса электролиза
(плотность катодного сплава d = 8,7 г'см3)?
220. При электролизе станнатно-цианистого раство-
ра, содержащего Na2SnO3, Na2Zn(CN)4 и свободные ци-
анид и щелочь, на детали осадилось 0,570 г оловянно-
цинкового сплава (71 % Sn и 29?6 Zn). Ток во время
процесса равнялся 1,30 а, время электролиза 31 мин.
Каков выход по току для сплава?
195
221. За 45 мин процесса при использовании аммо-
нийно-хлоридного электролита на детали получено ме-
таллопокрытие массой 1,22 г из сплава, содержащего
19% никеля и 81 % цинка. Сила тока / = 1,45 а.
Рассчитать выход по току для полученного цинк-ни-
келевого сплава.
222. Покрытие деталей свинцово-оловянным сплавом,
содержащим 20?6 олова и 80% свинца, проводится в
борфтористоводородном электролите, в состав которого
входят Pb(BF4)2, Sn(BF4)2, HBF4 и столярный клей. При
процессе используются раздельные аноды — свинцовые и
оловянные, выходы по току на которых равны 100%
(катодный выход по току также близок к 100%).
Какая доля от общей токовой нагрузки должна при-
ходиться на те и другие аноды, чтобы сохранить неиз-
менность состава электролита в ходе процесса?
223. Катодный выход по току при электролитическом
получении покрытий из цинк-оловянного сплава состава
80% Sn и 20% Zn при использовании станнатно-цианис-
того электролита (с четырехвалентным оловом) равен
82%. Сила тока на ванне 600 а. Аноды раздельные -т-
оловянные и цинковые. Анодные выходы по току у цин-
ка 100%, у олова 78%.
Какова должна быть токовая нагрузка на цинковые
и оловянные аноды, чтобы поддерживать постоянство в
составе электролита в ходе электролиза?
224. При анодном оксидировании алюминиевой дета-
ли плотностью тока Da = 1,2 а1дм2 за 30 мин процесса
получена оксидная пленка (А12О3) толщиной 6 мк с по-
ристостью около 14%. Рассчитать выход по току при
оксидировании.
Плотность А12О3 (беспористого) d = 3,85 г/см3.
225. Объемная плотность тока в ванне анодного ок-
сидирования алюминиевых деталей составляет 0,52 а(л
196
электролита. Продолжительность процесса оксидирова-
ния равна 25 мин.
Какое количество загрузок деталей можно получить
с ванны оксидирования до достижения максимально до-
пустимой в электролите концентрации сульфата алюми-
ния (30 г/л в пересчете на металлический алюминий), ес-
ли 34?<i тока затрачивается на образование той части
оксидной пленки, которая растворяется в электролите?
226. За 18 мин процесса анодного оксидирования
медного изделия в щелочном электролите при плотнос-
ти тока Da = 1,0 а!дм2 сформирована окисная (СиО)
пленка средней толщиной 5,5 мк.
Рассчитать выход по току для полученной оксидной
пленки, если ее плотность равна 6,4 г 1см2.
227. В ходе электрохимического оксидирования алю-
миниевой детали током 1,80 а выделилось за 28 мин
процесса 12,3 мл кислорода (объем приведен к нормаль-
ным условиям). При этом масса детали увеличилась на
61,3 мг.
Какая доля анодного тока затрачена: а) на образова-
ние оксидной пленки; б) на растворение алюминия и
в) на выделение кислорода?
228. Анодная полировка медных и омедненных дета-
лей осуществляется в растворе ортофосфорной кислоты
при плотности тока Da = 1,6 а! дм2, продолжительности
процесса 12 мин и среднем выходе по току для раство-
рения меди Вт = 95%.
На какую глубину подрастворится медное покрытие
детали за время ее анодной полировки?
229. Никелированные детали, имеющие среднюю тол-
щину никелевого покрытия 20 мк, подвергаются анод-
ной электрополировке. Электрополировка осуществляется
в смешанном растворе ортофосфорной и серной кислот
с добавкой небольшого количества лимонной кисло-
197
ты при анодной плотности тока Оа = 40 а^дм2 и продол-
жительности процесса 30 сек.
Какова средняя толщина отполированного никелевого
покрытия, если анодный выход по току для растворе-
ния никеля равен~38%?
230. Анодное электрохимическое обезжиривание сталь-
ных деталей проводится при плотности тока 5,0 адм2,
продолжительности процесса 10 мин и среднем напря-
жении на ванне VB = 8 в.
Рассчитать: а) удельный расход электроэнергии на
1 м2 обезжириваемых деталей; б) объем гремучей смеси
(приведенный к нормальным условиям), образующейся
за 1 мин в ванне нагрузкой 600 а (Вт 100%).
231. За 10 мин анодного травления стальных дета-
лей плотностью тока 2,0 а дм2 (перед покрытием толс-
тым слоем никеля) с поверхности деталей снят слой
стали толщиной 6 мк.
Какая доля анодного тока израсходована на электро-
химическое растворение стали (расчет вести на образо-
вание трехвалентного железа; пренебречь химическим
растворением стали и наличием в ней углеродистой ком-
поненты)?
232. Одной из практических областей применения
гальванопластики является изготовление тонких метал-
лических листов и лент. По одному из гальванопласти-
ческих способов медную ленту получают на непрерывно
вращающемся барабане из нержавеющей стали, кото-
рый служит катодом ванны.
Диаметр барабана равен 1,5 м, длина его рабочей
поверхности равна 2/3 всей длины окружности бараба-
на. Электролит сернокислый. Катодная плотность тока
DK = 10 а/дм2, выход по току Вт « 100%.
Какова должна быть скорость вращения катодного
барабана, чтобы получить медную ленту толщиной 0,20 мм?
198
233. Какова продолжительность процесса электроли-
за при гальванопластическом изготовлении бесшовных
медных труб с толщиной стенки 3,2 мм?
Катодная плотность тока DK = 1,4 адм2; электролит
сернокислый, выход по току близок к 1ОО?о.
234. При определении рассеивающей способности
сернокислого медного электролита по методу Херинга и
Блюма [14] была использована электролитическая ячей-
ка с соотношением расстояний от анода до дальнего и
ближнего катодов К — = 5. Во время опыта на даль-
нем катоде осадилось 0,273 г меди, на ближнем ка-
тоде 1,178 г.
Какова рассеивающая способность электролита?
235. В электролитической ячейке с соотношением рас-
стояний от анода до дальнего и ближнего катодов
К = -г = 5 исследовалась рассеивающая способность
Ч)
электролита для хромирования по методу Херинга и
Блюма [14]. В процессе исследования на ближнем като-
де осадилось 1,027 г хрома, на дальнем катоде
0,179 г.
Рассчитать рассеивающую способность электролита.
236. Рассчитать величину равновесного потенциала
цинкового электрода в цианистом электролите для цин-
кования.
Состав электролита: [Zn(CN)4]2- — 0,8 н,
[CN"]cbo6 — 0,3 н., а также некоторое количество щело-
чи и цинката. Температура + 20°С. Напишите потенци-
алопределяющую реакцию для цинка в таком электро-
лите. Нормальный потенциал для цинка в цианистых
растворах ?0 = — 1 >26 в.
(При расчете воспользоваться величинами концентра-
ций вместо активностей.)
199
237. Каково расчетное значение электропроводности
сернокислого раствора сульфата меди, содержащего
210 г!л CuSO4-5H2O и 50 г/л H2SO4 (методика расчета—
см. задачу 184).
Эквивалентные электропроводности при концентрации
2,7 г-экв!л: ^CllS04 = 17,6; ^H2SO4 = 171,5.
238. Катодная плотность тока при электролитичес-
ком меднении DK — 1,5 а/дм2; анодная плотность тока
Da = 1,2 а/дм2. Удельная электропроводность электро-
литов ванн меднения при температуре соответствующе-
го процесса:
а) сернокислого х1 = 0,23
б) медно-цианистого х2 — 0,153 олГ^слГ1. Среднее
межэлектродное расстояние в ванне 7=15 см.
Рассчитать падение напряжения в электролите сер-
нокислой и цианистой ванн меднения.
239. Ванна декоративного хромирования работает при
катодной плотности тока DK = 40 а!дм2 и анодной плот-
ности тока Da — 30 а!дм2 со средним межэлектродным
расстоянием I = 12 см. Удельная электропроводность
электролита хромирования хэ = 0,615 ом^-см'1, увели-
чение его сопротивления за счет газонаполнения состав-
ляет 20%.
Каково падение напряжения в электролите ванны?
240. При катодной плотности тока DK = 1,5 а/дм2 и
анодной Z)a = 2,0 а дм2 электродные потенциалы в стан-
натной ванне лужения составляют: у катода =
=—1,52 в и у анода <ра = + 1,76 в (по нормальному
водородному электроду). Среднее межэлектродное рас-
стояние 1=15 см, удельная электропроводность элек-
тролита хэ = 0,32 ом^-см"1. Падение напряжения в
контактах, катодах и анодах составляет около 15?6 от
суммарного напряжения катод — анод. Потери иапряже-
200
ния в шинопроводах равны 10% от напряжения на*
ванне.
Каково должно быть минимальное напряжение у ге-
нератора тока, питающего ванну?
241. Потенциал катода в ванне хромирования
срк = — 100 в, анодный потенциал с?а = + 2,20 в (по
нормальному водородному электроду). Электродные плот-
ности тока: катодная DK = 30 адм2, анодная Da =
^=25 а дм2. Удельная электропроводность электролита
х9 = 0,615 ом'1-см'1, увеличение сопротивления электро-
лита за счет его газонаполнения равно 20?6; среднее меж-
электродное расстояние / = 12 см. Падение напряжения
в электродах и контактах равно 10% от разности по-
тенциалов катод— анод. Потери напряжения во внеш-
них шинах составляют около 10?6 от напряжения на
ванне.
Каким минимальным напряжением должен обладать
генератор тока, питающий ванну?
242. Напряжение между катодными и анодными штан-
гами ванны никелирования нагрузкой 600 а составляет
4,3 в.
Какое количество джоулевого тепла выделяется за
1 ч в ванне?
Для упрощения расчета принять катодный и анод-
ный выходы по току равными 100?6.
243. Ванна анодного оксидирования алюминиевых де-
талей работает при нагрузке 600 а и напряжении 12 в.
За 1 ч ванна находится в работе в среднем 57 мин.
Температура при процессе + 25°С. На анодное выделе-
ние кислорода расходуется около 10% тока; остальной
анодный ток идет па образование А12О3 (для простоты
расчета пренебречь теплом, выделяющимся при раство-
рении части А12О3 в электролите).
201
Какое количество джоулевого тепла выделяется за
1 ч в ванне?
244. Рассчитать количество джоулевого тепла, выде-
ляющегося за 1 ч в станнатиой ванне лужения нагруз-
кой 800 а при напряжении на штангах ванны Рв 4,2в.
Катодный и анодный выходы по току при процессе
равны 60"о (40% электричества расходуется на электро-
лиз воды). Температура при процессе 70°С. Рабочее
время ванны за 1 ч равно 56 мин. Тепловое напряже-
ние разложения воды при 343 К
Е?13 = 1,474 в.
245. Ванна гальванопокрытий нагрузкой 1200 а ус-
тановлена на расстоянии 3,5 м от генератора тока.
Каково должно быть минимальное сечение токопод-
водящих алюминиевых шип при максимально допусти-
мом падении в них напряжения 0,5 в? Подберите по
каталогу [16] шинопроводы и рассчитайте для них про-
ходную плотность тока.
Температуру ниш принять 4~ 45°С. Удельное сопро-
тивление алюминия при ~|- 18°С pls = 0,0294 ом-мм2,м.
Температурный коэффициент сопротивления а — 0,00423.
ГЛАВА V
ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
246. Медерафпнпровочный цех имеет годовую произ-
водительность 150 тыс. т катодной меди (включая медь,
полеченную в ваннах регенерации). Машинное время
работы ванн равно 0,95. Катодный выход по току для
меди Вг==94%. Среднее напряжение на одну ванну
Ув = 0,30 в. Цеховые источники постоянного тока име-
ют выходное напряжение = 280 в.
Какое количество ванн рафинирования меди и ванн
регенерации электролита нагрузкой I = 10 000 а должно
быть установлено в цехе? В какое количество последо-
вательных цепей должны быть соединены все ванны
цеха?
Решение
1) Суточная производительность цеха
150 000
gu= —365— = 411 "'/сУгпки-
203
2) Суточная производительность одной ванны
10 000-24-1 ,185-0,94
£в ~-Гооо = 1600“ “ 268 кг'
где т—время, ч\
q— электрохимический эквивалент меди;
ЛСи 63,55
qCu~ zF ~ 2-26,8~ 1 ’180 г1а'4-
3) Необходимо? количество ванн в цехе
яц 411-1000 1,01
~ gB ' f - 268 ' 0,95“ 1631
где f — машинное время ванны; Ki — коэффициент для расчета ко-
личества электролизеров в цехе с учетом необходимости ре-
гулярно"! замены части ванн при выходе их из строя.
4) Вайны собираются в блоки по 12 ванн. Блоки в свою очередь
соединяются в серии по 2 блока (/г = 24 ванны).
Находим количество серий
1631
/?2 — 24
5) Напряжение на серию
1/сер = VBnc = 0,30-24 = 7,2 в.
6) Возможное количество серий ванн в последовательной цепи
280
п3 =- .-г—К2 = у^-0,90 = 35,
у сер ‘
где /<2=’0,90—коэффициент учета потерь напряжения в главном
шинопроводе и соединительных шинах.
204
7) Количество последовательных цепей в цехе
По
68
35
= 1,94^2.
247. Катодное выделение рафинированной меди про-
изводится на так называемых маточных листах, полу-
чаемых электролитическим осаждением меди на матрич-
ных основах в специальных ваннах.
Каковы будут масса и толщина маточного листа (без
ушков) габаритами 860x860 мм, если длительность его
наращивания составляет одни сутки при катодной плот-
ности тока D == 200 а/м2 и выходе по току Вт = 96%?
Решение
1) Масса получаемого маточного листа (одностороннее наращива-
ние металла)
g = BT = DSxq Вт = 200-(0,86-0,86) 24-1,185-0,96 =
° Си Си
= 4040 г = 4,04 кг.
2) Толщина маточного листа
g 4040
В== dS = 8,9(86-86)
где d— плотность меди.
248. Для устранения избытка меди, переходящей в
электролит ванн рафинирования меди вследствие неко-
торого превышения анодного выхода по току над ка-
тодным, в медерафинировочном цехе устанавливают ван-
ны регенерации электролита с нерастворимыми свинцо-
во-сурьмянистыми анодами. В таких ваннах раствор
обедняется медью и обогащается серной кислотой.
205
Рассчитать количество меди, которое необходимо
извлечь за сутки в ваннах регенерации, чтобы поддер-
жать постоянство состава циркулирующего электролита
в цехе с /г 925 одновременно работающими ваннами
рафинирования меди нагрузкой / — 10 ка. Катодный вы-
ход по току для ванн обоих типов В'г 95?о. Коли-
чество меди, переходящей в раствор из анодов ванн
рафинирования, на 2% превышает количество катодно-
осажденной меди. Сколько необходимо установить в це-
хе ванн регенерации нагрузкой I = 10 ка?
Решение
1) Суммарный процесс в ванне регенерации
CuSOj НоО —> Си H2SO4 -j- 2 6)2
2) Количество избыточной меди, переходящей в электролит ванн
рафинирования за сутки
к 10 000 .24-1,185- 0,95-925 • 0,02
ifi -- l-q В, п\ =•-------------1000------------- = 5000 кг,
где А — превышение анодного выхода по току над катодным.
3) Количество меди, извлекаемое за сутки в одной ванне реге-
нерации:
4) Необходимое количество ванн pel енерации
Р1 оиии
tii = — — —- = 18,5 19 ванн.
1 g< 2/0
Доля ванн регенерации от общего числа ванн в цехе обычно со-
С1авляет меньшую величину, так как часть электролита полностью
выводят из циркуляции для получения медного купороса, а также
для удаления некоюрых примесей.
206
249. Ванна рафинирования меди работает при плот-
ности тока 200 а м2, межэлектродном расстоянии 4,5 см
и температуре процесса + 55°С. Состав электролита
35г<л СигЦ 170 г!л H.,SO4 ; 2 .’/,гГ?е’г; 11 г л Ni- .
Каково падение напряжения в электролите ваниьР
Проводим расчет по форму.<е Скавронского 117], ко-
торая для 4-55°С и 170 г!л имеет вид
р = 1,240 -|- 0 00942 ССп*.|. ом • см
По влиянию на удельное сопротивление р электролита
содержание 1 г! л Fe2f эквивалент; о 1,145 г!л Си2 ; со-
держание 1 г!л Ni2r эквпвалснию 1,055 etA Си2' [17|.
Решение
1) Удельное сопрл ивлсиие элек i рли га
р = 1,240 + 0,00942 (35 + 2 • 1,145 -J-l 1 • 1 .065) - 1 701 ом • см
Увеличиваем полученное значение на 3% в расчете на пе>ч1С‘нны<
примеси
Рэд = 1 .701 • 1,03 1,75 ом • см.
2) Падение напряжения
I 200
AV = IR = /рэл • -у- — D • рэ 1/ = । q QQ0 - *1 75 • 4.5 = 0,1575 в
250. Электролитические ванны рафинирования меди
нагрузкой / = 10 ка эксплуатируются при электродной
плотности тока 0 = 200 а/м2, /э = 50°С и катодном вы-
ходе по току Вт = 95%. Зеркало поверхности раствора
в ванне S = 4,2 at2; скорость циркуляции электролита
1'э = 20 л;мин на одну ванну; межэлектрэдное расстоя-
ние I = 5,0 см. Электродная поляризация и падение на-
пряжения в электродах AVj = 80 мв. Удельное сонротив-
207
ление электролита р50 = 1,815 ом-см\ е:о теплоемкость
с — 0,855 ккал!кг ° плотность d= 1,23 г/слг3.
Количество воды, испаряющейся с 1 м2 поверхности
электролита, mIIO=l,90 кг!ч (теплота парообразования
irl 568 ккал!кг). Доля потерь тепла за счет испарения
составляет 60% от общих потерь тепла ванной (без
учета тепла, уносимого циркулирующим электролитом).
Для подогрева электролита (осуществляемого вне ван-
ны) применяется сухой пар с полным теплосодержанием
~ 645 ккал 'кг\ образующийся конденсат обладает теп-
лосодержанием г*к — 70 ккал кг.
Рассчитать расходные коэффициенты на 1 т катод-
ной меди- а) электроэнергии постоянного тока; б) пара
на подогрев циркулирующею электролита; в) воды на
компенсацию испарения из ванны.
Решение
1) Количество катодной меди, получаемой в ванне за 1 ч
10 000 • 1 • 1,185 • 0,96
Sl ~ /т<?СиВт ~ 1000 — 11,37 кг 1ч.
2) Напряжение на электродах ванны рафинирования
V = /Яом + AVi = 4" ‘° 1 + = D?1 + A|/1 =
200
= -1QQQQ • • 1,815 • 5,0 + 0,08^0,262 в.
3) Удельный расход электроэнергии на 1 т меди
IV~K 10 000 • 0,252 .1-1,20
Wg = —— =---------------Щзт-----------= 277 кет ч/т.
[де/( = 1,20 — коэффициент, учитывающий потери напряжения в
контактах, шинопроводах и повышенное напряженке
в ваннах регенерации электролита.
.08
4) Удельные потери воды за счет испарения из ванны
mH,os 1,90-4,2
а п = —т-------= - Ц ч7 = 0, /02 лР/m меди.
ГТзО & £ 11,0/
5) Кол i честно джоулева тепла, выделяющегося за 1 ч в ванне
Q' = 0,860 IVz = 0,860 - 10 000 - 0,262 • 1 = 2255 ккал/ч
6) Часовая погори тепла из ванны в окружающую среду (по
условию 60% потерь 1епла составляют ого потери за счет испарения
воды)
1,9?. 1,2-568
QT = “бЖ- = —оТбб— = 7560 ккал1'1-
7) Потери тепла из ванны компенсируются джоулевым теплом и
повышенной температурой электролита, поступающего в ванну при
циркуляции. Потери тепла, которые необходимо скомпенсировать по-
вышенной температурой подаваемого электролита
QT = QT — QT = 7560 — 2255 = 5305 ккал/ч
8) Количество электролита, поступающего в ванну
v3 = 20 • 60= 1200 л/ч,
= v3d = 1200 • 1,23 = 1475 кг/ч.
9) Необходимая разница температур между поступающим рас-
твором и электролитом ванны
<?т 5305
g,c “ 1475- 0,855 ~ 4-2°С-
10) Температура поступающего электролита
/ = /э + А/= 50 4- 4,2 = 54,2 ° С.
209
11) Расход пара па нагрев электролита
Q" 5305
?n = 7----/<!= 645-70 • 1.1= 10,15 кг/ч,
1п “
где Ki — коэффициент, учитывающий потери т<пла в циркуляцион-
ной системе электролита.
12) Удельный расход пара
gn 10,15 л
тп = — — и Sy = 0,892 т/т меди
251 Анодная медь, подвергающаяся электролитичес-
кому рафинированию, содержит 99,35% меди, 0,16%
никеля, 0,017% мышьяка и некоторые другие примеси.
При анодном растворении такой меди в электролит пе-
реходит /<\ = 75% примеси никеля и /<2 = 65^6 мышья-
ка. Объемная плотность тока в ваннах Ру = 2,8 ал\
объем электролита вне ванн равен 15% от объема элек-
тролита в ваннах (АГ = 1,15). Анодный выход по току
Вт = 96 % (снижение в основном за счет появления
межэлектродных шунтирующих замыканий).
После какой продолжительности электролиза будет
достигнуто предельное содержание примесей в электро-
лите, равное [Ni2+]npcJ = 18 г/л и lAs3+]npcl = 3 г/л (пре-
небречь осаждением этих примесей на катоде)? Какую
минимальную долю электролита необходимо выводить из
оборота, чтобы не допустить превышения предельного
содержания примесей в ходе процесса электролиза?
Решение
1) Объемная плотность тока в расчете па весь объем циркули-
рующего электролита
' Dv 2,8
Dv = к = 1,15 — 2’43 а1л-
210
2) Количество меди, анодио растворяющейся за 1 ч в расчете
на 1 л циркулирующего электролита
gCu = • т • • Вт - 2,43 • 1 • 1,185 • 0,96 = 2,76 г/ч - л.
3) Количество никеля, растворяющегося за 1 ч в расчете на 1 л
электролита
PNi 0,0016
g = g^ . — • К, =2,76- —---------------• 0,75 = 3,33 • Ю"3 г/ч-л.
*Ni ° Си рСи м ’ 0,9935
4) Предельная концентрация никеля в растворе будет достигну-
та через
1^12+]цред 18
т = —--------=-------------- = 225 суток.
Ni £Nj 3,33-Ю-з-24
5) Количество мышьяка, переходящего за 1 ч в раствор в рас-
чете на 1 л электролита
PAs 0,00017
g = £ •--- • Ко = 2,76 • -------• • 0,65 = 3,07 . 10-4 г/л-ч.
° As feCu Pcu “ 0,9935
6) Предельная концентрация мышьяка в растворе будет достиг-
нута через
3
TAS = 3,07-10-4-24 = 407 сУток'
Примесью, определяющей период накопления и вывода приме-
сей в электролите, является никель < т^)
Минимум объема электролита, выводимого для удаления приме-
сей, будет достигнут при постоянном предельном содержании основ-
ной примеси (в данном случае — никеля) в растворе.
Поэтому минимальная доля объема электролита, выводимая за
сутки из оборота
PNi ’ т 3,33 • 10-з . 24
= TN.271-- • 100 = -----------------• 100 = 0,444%
1пред 18
211
252. Провести расчет процесса аффинажа серебря-
ного сплава состава: 87,5% Ag, 12,5% Си. Анодно рас-
творяются оба компонента сплава; на катоде осаждает-
ся только серебро с выходом по току около 100%. Для
аффинажа использованы ванны нагрузкой / =* 100U а;
емкость электролита v3 = 550 л. Ванны работают перио-
дически до обеднения азотнокислого электролита сереб-
ром или обогащения его медью. Нижний предел содер-
жания серебра в растворе [Ag’]K0II = 8 г/Л, верхний
предел [Ag+ ]иач = 50 г/л. Максимально допустимое со-
держание меди [Си2+]коп = 55 г/л. После обеднения рас-
твора серебром часть электролита сменяют и заменяют
его новым, полученным растворением лигатуры в азот-
ной кислоте. Состав этого раствора: [Ag+]7 = 452 г/л,
[Си2+]л^64,4 г/л, концентрация свободной HNO3 20 г/л.
Обогащенный медью раствор удаляется из ванны для
контактного осаждения серебра металлической медью.
Рассчитать: а) часовую производительность ванны по
катодному серебру; б) расход анодов на электролиз в
расчете на 1 ч процесса; в) периодичность замены части
электролита (время достижения допустимого минимума
концентрации серебра); г) сменяемый объем электроли-
та; д) время достижения максимального содержания ме-
ди в электролите.
Решение
1) Электрохимические эквиваленты компонентов сплава:
q = 4,025 г/а • q„ =1,185 г/а • ч.
Ag Си
2) Часовая производительность ванны по серебру
g.=/zq* Вт = 1000 • 1 • 4,025 • 1,0 = 4025 г = 4,025 кг,
Ag
212
3) Удельный расход электричества для анодного сплава
= ”47)25 • °’875+ТЛ85 ‘ °’125 = °’322 а',{/г-
4) Расход анодов за 1 ч
gz = Iz = 1000 • 1 0 *2у = 3110г = 3,11 кг.
5) Доля электричества, затрачиваемая на анодное растворение
(равная анодному выходу по току) серебряного компонента сплава
Ап PAg 0,875
Вт = = Г025 /О22 100 = 67’5°-
медного компонента
В^1 = 100 — 67,5 = 32,5%.
6) Количество серебра, извлекаемое из раствора ванны до дос-
тижения минимума его концентрации
V, (1Аб7иач~[Аб7ков) 550 (50 - 8)
----------- 1 - 0.675 ~ 71 100 '•
где В“ и В] — выходы по току' для серебра для катодного и
анодного процессов.
7) Длительность одного периода электроэкстракции серебра
^Ag 71 100
Т1“ Л? “ 1000 • 4,025 “ 17,7 ч'
Ag
8) Максимум концентрации меди в растворе при непрерывном
электролизе будет достигнут через
__ ^’э [Си2+]кон_______550 * 55_________
4 ~ IqCuB^u ~ 1000 • 1,185 • 0,325 =ZS’54-
213
Следовательно, периодичность смены электролита в начальной
стадии процесса будет определяться скоростью обеднения раствора
серебром. Необходимо через каждые 17,7 ч заменять часть электро-
лита на раствор, обогащенный серебром.
9) Определяя сменяемый объем электролита v3, расчет прово-
дим, исходя из необходимости достижения после смены части рас-
твора максимально допустимой концентрации серебра. Этому усло-
вию соответствует равенство
([Ag+ ]Нач - [Ag+ ]кон) ~ v'3)= V3 ([ Ag+]j - [Ag+]KOH)
(равенство справедливо при отсутствии изменения объема растворов
в ходе их смешения),
(50 — 8) (550 — v') = v' (452 - 8),
отсюда г>э 47 л.
10) Повышение концентрации меди в электролите ванны за пе-
риод ее работы (за 17,7 ч)
Д [Си2Ч =
1’э
1000 • 17,7 • 1,185 • 0,325
550 ~ 12,4 г1л
11) Концентрация меди в растворе после первой замены части
электролита
Д[СиЩ (у,-:>;) +[Cus+L,
(Cu24' =---------------------------=
= 12.4 (550-у) + 64:4.47 = 1б|85г^
12) Концентрация меди:
а) после второго периода работы ванны
[Cu2r]" = [Си2*]' + Л [Си2+] = 16,85 + 12,4 = 29,25 г/л;
б) после второй замены части электролита
[Си2-]"(Уэ-^)+[Си2+].1У;
[Cu2r]"' =--------------------------- =
= 29,25 (550-47)+ 64,4-47 =
550 * 1
214
Продолжая расчет, находим, что при таком технологическом
режиме максимальная концентрация меди в растворе (55 л/.?) будет
достигну га после 65,2 ч paooibi ванны, включающих три замены
части электролита
253. На аффинажной переработке по извлечению се-
ребра используются аноды из серебряно-медного сплава,
содержащие 87,5% Ag и 12,5% Си. Анодно растворяют-
ся оба компонента сплава; полезное использование анод-
ного тока 100%. Толщина анодов о = 15 мм; плотность
сплава 10,1 г/см?. Анодная плотность тока Da =
= 200 ам2, аноды работают двухсторбнне. Скрап (анод-
ный остаток) составляет 15% от первоначальной массы
анодов.
Какова продолжительность переработки одной за-
грузки анодов?
Решение
1) Удельный расход электричества для сплава
иС(П = 0.322 а • ч/г (см. задачу 252).
2) Электрохимический эквивалент сплава
1 1
‘?спл = ас1|1 = 0,322 = 3’Н На-ч.
3) Масса растворяющейся части анода
g = Stdp,
где р = 0,85 — доля растворяющейся части аподов.
Количество растворенного металла связано с электрохимически-
ми характеристиками процесса соотношением
g = /тдсплВт.
Отсюда
Sb'dp = /тдС11ЛВт.
215
1,5
-2-- Ю.ЬО.85
= Оа’</сп|Вг ~ 0,02-3 11-1,0 = 103’5
Время растворения анодов
b'dp
т = —J —
q Qcn.i Вт
о
Глубина растворения анодов о' принимается равной половине их
толщин >i вследствие двухсторонней работы анодов.
254. Вредными примесями, растворяющимися из ано-
да, при рафинировании никеля являются ионы Си2+,
Fe2+ и Со2+. Для уменьшения опасности попадания этих
примесей к катоду применяется разделение католита и
анолита ванны диафрагмой и протекание электролита из
катодного пространства в анодное навстречу мигрирую-
щим катионам. Фильтрующая поверхность диафрагмы
катодного ящика ванны (примерно равная поверхности
одного катода) составляет S --= 1,2 м2. Электродная плот-
ность тока D = 200 а 'м2.
Какова должна быть скорость подачи раствора в ка-
тодный ящик ванны, чтобы предотвратить миграцию ка-
тионов вышеуказанных примесей в католит?
Абсолютные скорости движения ионов и, при беско-
нечном разбавлении, температуре процесса + 55°С и
градиенте напряжения 1 в! см равны для Си2+ —
— 0,00106 см'сск; Fe2b — 0,00101 см сек; Со2+ —
— 0,00097 см сек. Удельная электропроводность элек-
тролита х = 0,105 ом~1 • слГ1.
Решение
V
1) Градиент напряжения в электролите— рассчитываем исхо-
дя из равепс1ва
216
Преобразовывая равенство, получаем
V 1 / D 0,02
/ — л S “ /. _ 0,105 — °’ 9 в^см'
2) Скорость движения попов меди при данном градиенте напря-
жения
. V
WCll2+ = пСи2+—=0,00106-0,19 = 0,000201 см/сек.
3) Минимальная скорость подачи раствора в каждый катодный
ящик ванны, рассчитанная исходя из противодействия миграции ио-
нов
ур= иСи2+ т8 = 0,000201 -3600-12 000 = 8680 лы/^ = 8,68 л/ч.
Скорость подачи раствора определяется скоростью миграции
ионов Си2ь, которая выше, чем у ионов Fe2+ и Со2+. Поэтому рас-
чет для последних двух ионов не проводим.
Рассчитанный объем подаваемого раствора несколько завышен,
так как в реальных электролитах подвижность ионов Си2+ ниже
принятой нами величины для условий бесконечного разбавления.
255. На рафинирование никеля поступили аноды, со-
держащие: 9O?6 Ni; 4% Си; 3?о Fe; 1% Со и другие
примеси. Анодные примеси железа и кобальта раство-
ряются полностью, медь— на 3/4 3/4) своего сос-
тава (считать, что при анодном процессе образуется
только двухвалентная медь).
Каков состав анолита, выходящего из электролизера,
если в ванне рафинирования никеля нагрузкой / =
= 9000 а скорость циркуляции электролита составляет
уэ = 0,65 м3/ч? Подаваемый католит содержит [Ni2+]Ha4 =
= 70 г/л Ni2+ (пренебречь наличием в нем примесей).
Катодный выход по току В* = 96% (остальной катод-
ный ток тратится на выделение водорода). Использова-
ние тока на растворение анодного металла принять рав-
ным 100% (не учитывать расход тока на окисление
сульфидов и других неметаллических примесей). Каково
217
содержание никеля в католите при протекании его в
анодное пространство?
Решение
1) Электрохимические эквиваленты:
qNi = 1,095 г/п-ч; qQo = 1 ,099 г/а-ч;
<7Cu— 1,185 г!а-ч\ qFe — 1 ,042 aja-ч.
2) Удельный расход электричества на 1 г анодов
11 11
°а = я PNi "* я РСи Яр РРе + Яс РСо =
1,095 °’90+ 1,185 0,04 1,042 °’03 + 1,099 0,01 =
=*= 0,885 а-ч!г,
6 том числе на никелевый компонент
я Ni Т7095~
В? =------------= 0,885 ’ ЮО = 92,86%,
на растворение Си — 2,86?о, Fe —3,25%, Со — 1,03% (pi — содер-
жание в долях соответствующих металлов, растворяющихся анодно).
3) Осадится на катоде никеля за 1 ч
g N. =/TQNi В* = 9000-1 • 1,095-0,96 = 9460 г/ч.
4) Конечная концентрация никеля в католите
[Ni2+bT=[Ni2+|„a.1- = 70-JgL = 55,5 г/л
иэ 650
(в расчете условно принято равенство миграции ионов никеля и ско-
рости протекания электролита через диафрагму).
5) За 1 ч растворится из анодов:
никеля
gNi = 1 z В? <?Ni = 9000-1-0,9286-1,095 = 9150 г;
218
меди
gCu = 9000 -1-0,0286 • 1,185 = 305 г;
железа
gFe = 9000.1.0,0325-1 ,042 = 305 г;
кобальта
gCo = 9000-1-0,0103.1,099 = 102 г.
6) Состав выходящего анолита
9150
[Ni2, Jan = [№2|'1кат + ~= 55,5+ -650“ = 69,6 г/л;
[Си2+] = Уэ = §50 ~ 0,47 г!л'
305
[Fe2+] = 650 = °’47 г/л;
102
[С°2+]= 650 == °»158
256. Нейтральный сернокислый электролит, посту-
пающий в ванну получения цинка нагрузкой / = 12 ка,
содержит [Zn2+]na4 = 120 г/л, Какова должна быть ско-
рость однокаскадной циркуляции раствора на одну ван-
ну, чтобы вытекающий электролит содержал [Zn2+]K0H =
= 45 г/л? Какова концентрация H2SO4 в отработанном
электролите? Катодный выход по току Вт = 92?-6. Счи-
тать, что анодный ток полностью расходуется на выде-
ление О2.
Каковы нормальные объемы газов, выделяющихся
при электролизе (Н2 и О2)? Рассчитать часовой расход
воды на ванну (без учета расхода охлаждающей
воды), если зеркало раствора в ванне S= 1,8 м2, ско-
рость испарения воды ^ = 0,7 кг/м2, уходящие газы
219
содержат m = 40 г воды/мл8. Принять, что объем раст-
воров при электрохимическом превращении ZnSO4->H2SO4
не меняется.
Решение
1) Основные электрохимические процессы в ванне:
a) ZnSO4 +H2O->Zn + 4- °2 + H2SO4
б) Н2О->Н2 + 4" 0-2
На реакцию (а) расходуется, согласно условию задачи, 92% тока
и на реакцию (б)—8%.
2) Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов реак-
ций:
<?Z„ = 1,22 г/а-ч; =_=0,336 г/а-ч-
MHtso<
^h3so4 “ zF
98,1
“ 2-26,8 ~ 1,83 г^а'ч;
<?Н3 = "2-26,8" = °»418 л/а'4'
22 4
^О,° 4-26,8 = 0’209 л/а-4-
3) Нормальный объем кислорода, выделяющийся за 1 ч в ванне
и =/т я В' = 12 000-1.0,209-1,0 = 2510 л/ч.
О3 ^О2 т
4) Нормальный объем водорода, образующегося за 1 ч в ванне
v = Itq в”*= 12 000-1-0,418-0,08 = 401 л/ч.
н2 н2
5) Часовой расход воды:
а) на собственно электролиз
^н2о =/х^но вт = 12 000-1.0,336.1,0 = 4030 г/ч = 4,03 кг/ч\
220
б) на испарение
£н2о = S = 0,7-1,8 = 1,26 кг\
в) с уходящими газами
£н2О= (уо2 + ин2) "! = (2,51 +0,40) 0,04 = 0,12 кг.
Полный расход воды
g = 4,03+ 1,26 + 0,12 = 5,41 кг/ч.
Н2О
6) Расход цинка из раствора при электролизе за 1 ч
bgZn = IiqZn Вт = 12000-1 -1,22-0,92 = 13 450 г.
7) При расчете изменения концентрации компонентов раствора в
ходе электролиза для упрощения примем во внимание уменьшение
его объема только за счет расхода воды.
Обозначим объем подаваемого электролита цнач.
Тогда
унач [£п2+]„ач — Д g?n
------„ _'е п---------= (Zn2+]KOlt;
"нач 6Н2О
Ц„ач 120 — 13450
----------ё-п-----= 45.
^нач 5,41
Отсюда
Унач ~ I77 л/4-
Конечный объем электролита
икон= 177 —5,41 « 171 ,6 л/ч.
8) Количество H2SO4, образующейся за 1 ч
= Вт= 12000-1.1,83-0,92 = 20200^.
9) Концентрация H2SO4 в выходящем электролите
, gH2so4 20 200
[H2SO4]- - i7j,6 = 117,5г!л.
221
257. Рассчитать теоретическое значение напряжения
разложения сернокислого раствора ZnSO4 (с учетом вы-
деления на катоде только цинка) при 32°С. Раствор со-
держит 2,0 г-иона!л Zn2+; 2,0 моль/л H2SO4; pH раст-
вора близко к нулю. Парциальное давление кислорода PQ
принять равным единице.
Решение
К. Расчет через равновесные потенциалы
электрод ов
Катодная реакция
Zn2+ + 2е Zn
Анодная реакция
Н2О— 27^-^- О2 +2Н+
Е = ?а — ?к;
п 0,00027
<Рк=?к + ----2--- ^агпг+ »
I
. 0,0002'Г , Рог «н+.
<Ра = <?а +--2--- 8-----а-----’
Н2О
Е = ( -Ф°к) +0.0001Т 1g ----- .
aZn2+ аН2О
Величины нормальных потенциалов, активности воды п среднего ко-
эффициента активности раствора ZnSO4 находим по справочникам
= 4- 1,229 в; 7znSO4 = °.°4;
<р°=-0,76 в; «н2О = °>92;
pH = 0 = — lgaH+ .
222
Отсюда
ан+ = 1.
Без большой погрешности можем принять 7Znz+ = 7znso (°^а нона в
ZnSO4 имеют одинаковую валентность). Тогда
а7ч2+ = ^Zn2+ Izn2+ = ^Zn2+ TznSOr
Подставляем в вышеприведенное уравнение для э. д. с. соответст-
вующие значения компонентов
1-12
£разл = + 1,989+0,0001(273+32) 1g (570+47+92 = 2’024
Б. Расчет по термодинамическим данным. Урав-
нение электрохимической реакции запишем в виде
ZnSO4-7H2O + H2O->Zn + H2SO4 + О2+7Н2О
(величина термодинамического потенциала кристаллогидрата сравни-
тельно мало отличается от его значения для растворенного соедине-
ния).
ДФ = ДФ2п5о4.7Н3о + Афн3о ““ АФгп афн2зо4
—-^-ДФОг —7ДФНаО = —611,9— 56,69 — 0 + 177,34 +
+ -у- • 0+7*56,69 = — 94,42 ккал/молЬ',
ДФ 94,42
£разл — — г.р,? — 2*23,06 "" 2,046 в'
258. Электролитическое получение металлического
марганца проводится в ваннах нагрузкой I = 2000 а с
разделенными катодным и анодным пространствами; ка-
тодными плотностью тока DK *= 400 а/м2 и выходом по
токуВт = 60%. Исходный электролит, подаваемый в
катодное пространство, содержит [Мп2+]11ач = 35 г/л (в
виде MnSO4), pH электролита 6—7. Католит, перетека-
223
ющий через диафрагму в анодное пространство, содер-
жит [Мп2+]кои = 12 г/л. На нерастворимом аноде наря-
ду с выделением кислорода протекает реакция образо-
вания МпО2. Участие Мп2+ в реакции его анодного окис-
ления до МпО2 составляет К = 20% от количества
катодно-осаждающегося марганца. Напряжение на элек-
тролизере равно 5,0 в.
Рассчитать: а) суточную производительность ванны
по металлическому марганцу; б) толщину осажденного
за сутки катодного марганца; в) удельный расход элек-
троэнергии на 1 т получаемого металла; г) количество
МпО2, образующегося в ванне за месяц (30 суток); д) до-
лю анодного тока, расходующуюся на образование МпО2;
е) необходимую скорость подачи питающего раствора в
ванну; ж) состав вытекающего анолита по марганцу.
Для простоты расчета пренебречь переносом тока
ионами марганца.
Реакции в электролизере:
а) катодное образование марганца
MnSO4 4- 2ё-> Mn+SO4-
б) анодное образование МпО2
MnSO4 + 2Н2О — 2е->МпО2 + H2SO4 + 2Н+
Решение
1) Электрохимические эквиваленты отдельных компонентов элек-
тродных реакций
ДМп 54,93
<?Mn— zF — 2-26,8 ~1,02o^a’4:
^мпзо. 151,0
^Mnso. — zF ~ 2-26,8 ~ 2,82 с1а'4-
224
2) Суточная производительность ванны по марганцу
2000-24-1,025-0,60
Ямп = /х<?мпвт =---------[ооо------= 29,5 кг!сутки
3) Толщина марганцевого осадка, получаемого за сутки на ка-
годе
£кт<7МпВт 0,04-24-1,025-0,60
& =----------- = --------7-7-------• 10^0,80 мм,
аМп
4) Удельный расход электроэнергии при получении марганца
(без учета потерь напряжения в шинопроводах) на 1 т Мп
5,0-1000
WS= <7MnBT “ 1,025-0,60 = 8130 квт'ч/т-
5) Количество анодного МпО2, образующегося в ванне за месяц
^МпО. = ЯмЛх= 29,5-0,20-30 gig = 280 кг.
6) Необходимую скорость подачи питающего раствора в ванну
рассчитываем, исходя из заданных концентраций марганца в като-
лите
/т<7МпВт 2000-1-1,025-0,60
V = [Мп2+]нач—[Мп2+]кон = 35=12 = 53 ’5 л<ч
7) Убыль концентрации марганца в анолите (по условию задачи
в пять раз меньше, чем в католите)
Д [Мп2+]ан = 0,2 (35—12) = 4,6 г/л.
8) Концентрация марганца в вытекающем анолите
[Mn2+]aH = 12— 4,6 = 7,4 г/л.
9) Доля анодного тока, расходующаяся на образование МпО2.
RMnO._ Д [Mn2t]a„V
4,6-53,5 „„
1,025-2000-1 ' 100 — 12,0
225
259. Для гидрометаллургического получения метал-
лического хрома использованы ванны нагрузкой I = 5000 а
с раствором хромовой кислоты в качестве электролита.
Среднее напряжение на ванне VB = 4,5 в. При электро-
лизе 15% катодного тока расходуется на процесс пере-
хода Сг6+->Сг, 15% на процесс Сг6+->Сг3+, 70 % на вы-
деление водорода 2Н+ + 2е Н2. 15% анодного тока
идет на реакцию окисления Сг3+->Сг6+, остальное рас-
ходуется на выделение кислорода.
Какое количество джоулева тепла выделяется за
I ч в ванне?
Решение
1) Суммарные реакции в ванне:
а) выделение металлического хрома
СгО3->Сг + 1,5О2
на эту реакцию затрачивается 15% общего тока (В^. = 15 %):
б) реакция взаимного перехода ( Вт = 15%)
Сг6++37ч±Сг3+
в) реакция разложения воды ( В* = 70 %)
Н2О->Н2 + “2~ О2
2) Изменение энтальпии при этих реакциях:
а) AHX = AtfCrOj + ДЯ' — ДЯСг — 1,5ДЯО2 =
= — 136,0 — 2,46 — 0— 0 = — 138,46 ккал/моль.
где ДЯ' — изменение энтальпии при растворении СгО3;
б) ДЯ2 = 0, так как реакция не сопровождается какими-либ<
химическими превращениями;
в) ДН3 = ДЯНго - ДЯН - 4- ДЯО2 = - 68,32 - О - О =
= — 68,32 ккал]моль.
226
3) Тепловое напряжение разложения при реакциях:
, ДН1 138,46
zFt = б-2з,об ~1,00в;
С; = 0;
- 68,32
£т = 2-23,06 = 1,48 °-
a)
б)
в)
4) Количество тепла, выделяемое за 1 ч в ванне
<Эт = 0,8601- [(и„- е'х} в'г + (VB- 5;) в; + (VB - Ет”) Вт"] =
= 0,860-5000-1 [(4,5— 1,0)-0,15 4-(4,5— 0)-0,15+(4,5—1,48)-0,70]=
= 14250 ккал[ч.
260. При электролитическом получении железного по*
рошка на катоде лабораторной ванны нагрузкой I = 1,60а
выделилось за 40 мин процесса vt — 110 мл водорода,
насыщенного парами воды (сбор газа над водой; темпе-
ратура /=+20сС, давление В = 740 мм рт. ст.).
Рассчитать выход по току для выделившегося порош-
ка железа (на катоде протекают только два процесса —
выделение железа и водорода).
Решение
1) Абсолютная влажность воздуха, насыщенного парами воды
при 4-20°Спу= 17,5 мм рт. ст. [8].
2) Выделившийся водород приводим к нормальному объему
пользуясь уравнением Менделеева—Клапейрона
_ vf 273 (B-u9) 110-273-(740—17,5)
v°~ 760(273+0 ~ 760 (273+20) -»/,ДллН2
3) Количество электричества, затраченное на выделение водо-
рода
v 97 3
<?! = -+- = -тто- = 0,233 а-ч.
227
4) Общее количество про1екшего электричества
40
Q /- = 1,60 • -gj- = 1,066 а-ч.
5) Выход по току для железного порошка
Q—Qi 1,066 — 0,233 _ ,
В, = ^100 = ---------------100 = /8,1 %.
261. В цехе электролиза установлены пс == 6 последо-
вательных серии ванн, каждая нагрузкой / = 10 ка.
Длина главного шинопровода (прямого и обратного) к
каждой серии составляет в среднем L = 50 м.
Рассчитать количество медных шин, необходимое для
монтажа главных шинопроводов цеха, если проходная
плотность тока в шинах D1 = 2,5 а мм2. Сечение шины
100x10 мм, масса 1 м шины тСи = 8,9 кг. Каковы при
этом будут годовые потери электроэнергии в шинопро-
водах? Какое количество алюминиевых шин того же се-
чения необходимо для замены медных шинопроводов це-
ха, чтобы сохранить неизменность потерь электроэнер-
гии (масса 1 м шины тд1 = 2,7 кг)?
Принять температуру медных шинопроводов 60°С,
алюминиевых 55сС (температура алюминиегых шинопро-
водов ниже из-за большей удельной поверхности охлаж-
дения). Удельное сопротивление для меди =
= 0,0178 ом• мм2/м, для алюминия р]® = 0,0294 ом-мм2/м.
Температурный коэффициент сопротивления для меди
аСи = 0,00445, для алюминия аД1 = 0,00423.
Решение
1) Сечение медных шин в шинопроводе одной серии
/ 10 000 л п
5Си“£}х — 2,5 “ 4000 мм *
228
2) Количество медных шин, параллельно смонтированных в од-
ном шниоп роводе
SClI 4000
"1 = “Г2" = 10-100 = 4-
<411
3) Удельное сопротивление металлов при температуре шинопро-
водов рассчитываем по формуле
Р/ = Р18 [1 +«(/-18)].
Тогда
рбо = 0,0178 [1+0,00445(60—18)] = 0,0212 ом-мм2/м-
= 0,0294 [1+0,00423(55—18)1 =0,0340 ом-ммг/.и
4) Падение напряжения в медном шинопроводе одной серии
AV, = IR = / р™ = £ P6°UL= Dl?™ L =
= 2,5.0,0212-50 = 2,65 в.
5) Проходная плотность тока в алюминиевых шинопроводах при
условии неизменности
ДУ1 2.65 , „
°2- L ~ 0,0340-50 ~ 1,56 О/ЛМ1-.
6) Необходимое сечение алюминиевого шинопровода
/ 10 000
sai-d2 - 1,56 —6410 ял».
7) Количество алюминиевых шип в шинопроводе
SA1 6410
n2=~S^~ = ТбЛбб = 6,41-7.
Фактическая проходная плотность тока в них
/ 10 000
°3= п2$ш = 7-1000 = 1,43 а/лм‘2'
229
Потери напряжения в шинопроводе
Д|/2 = D^\ L= 1,43-0,0340-50 = 2,43 в.
8) Годовые потери электроэнергии в главных шинопроводах все-
го цеха:
а) при медных шинах
10000.2,65 (21.365)6
ДИ/Си = /Izit/zc =----~"100б------= 1390 тыс. квт-ч\
б) при алюминиевых шинах
10 000-2,43 (24-365)6
ДГА1 =---------[ООО------~ 1275 тыс- квт'4*
9) Масса шинопроводов:
а) медных
, 50-4.6.8,9
gC11 = LnincmCu =----Joo?)-= 10,7 т;
б) алюминиевых
50.7.6-2,7 „
Sai — ЮОО —5,67 m.
ЗАДАЧИ
262. Последовательная цепь из 968 непрерывно ра-
ботавших ванн рафинирования меди нагрузкой 9000 а
выдала за месяц (30 суток) 7030 т катодной меди.
Среднее напряжение в цепи равнялось 282 в.
Рассчитать выход по току и удельный расход элек-
троэнергии для рафинированной меди.
263. Цикл наращивания металла на катодах ванн
рафинирования меди продолжается 10 суток при силе
тока на ванну 9000 а и катодном выходе по току около
95 %.
Какова масса готового одиночного катода (среднего),
если масса исходного маточного листа равна 5 кг ив
ванне установлено 29 катодов и 28 анодов?
230
264. Ванна рафинирования меди нагрузкой 9000 а
имеет 28 анодов и £9 катодов. Аноды должны быть рас-
считаны на 30 суток непрерывной работы (3 смены ка-
тодов). Рабочая плотность тока Оа = 180 а/лс2. Анодный
скрап (не используемый при электролизе остаток) равен
14% от начальной массы анодов. Доля неработающей
поверхности анодов (ушки) составляет около 5% от всей
их площади.
Расход анодов (с учетом шламообразования и побоч-
ных процессов) принять равным 1,031 т на 1 т катод-
ной меди. Катодный выход по току составляет 95%.
Каковы должны быть начальные масса и толщина
анода ванн рафинирования?
265. Скорость подачи электролита в ванну рафини-
рования меди нагрузкой 9000 а составляет 20 л/мин.
Состав электролита: 130 г/л CuSO4-5H2O, 175г/лН25О4.
Каково изменение состава электролита по CuSO4 и
H2SO4 при прохождении его через ванну, если количест-
во анодной меди, переходящей в раствор, на 2 % пре-
вышает количество катодно осажденной меди? Катодный
выход по току 95 %.
При расчете принимать во внимание только один по-
бочный процесс, вызывающий избыточный переход меди
в раствор
Си -|—у О2 -f- H2SO4 —> CuSO4 -|- Н2О
266. Скорость циркуляции электролита рафинирова-
ния меди через ванну регенерации раствора нагрузкой
10 ка равна 20 л/мин*, концентрация поступающего рас-
твора: 86,6 г/л CuSO4, 160 г/л H2SO4.
Рассчитать концентрацию компонентов в электроли-
те, выходящем из ванны регенерации. Какой объем ки-
слорода (приведенный к нормальным условиям) выделя-
231
ется из ванны за 1 ч (аноды нерастворимые)? Катодный
(по меди) и анодный (по кислороду) выходы по току
равны 97 %.
Напишите уравнение основного электрохимического
процесса, протекающего в электролизере.
267. В ванне типа «серий» для рафинирования меди
(последовательное соединение электродов) нагрузкой 100 а
установлено 102 медных анода толщиной 11 лш, рабо-
тающих биполярно. Электродная плотность тока состав-
ляет 200 а м2, катодный выход по току равен пример-
но 65 °о.
Рассчитать длительность цикла работы ванны (рав-
ную продолжительности растворения анодов), приняв
величину скрапа (остатка) анодов равной 8% от их на-
чальной массы. Какова производительность ванны по
меди в расчете на сутки?
Массу катодной меди принять равной 97,3% от мас-
сы растворенной анодной меди.
268. При экстракционном методе электролитическо-
го получения меди (выщелачиванием ее соединений из
руд и последующим электролизом с нерастворимыми
анодами) поступающий в ванны одного из заводов рас-
твор имеет следующий состав: [Си2т] = 36,6 г!л, [H2SO4] =
= 18,6 г!л. Через каскад из восьми последовательно
расположенных ванн, каждая нагрузкой 36 000 а, рас-
твор циркулирует со скоростью 380 л/мин. Катодный
выход по току 80?о. Среднее напряжение на отдельную
ванну 2,3 в.
Рассчитать: а) состав электролита, выходящего из
последней ванны каскада (объем раствора принять не-
изменным в ходе процесса); б) удельный расход элек-
троэнергии на 1 пг катодной меди.
Напишите основную электрохимическую реакцию в
ванне.
232
269. Электролизер для получения медного порошка
работает при нагрузке 10 ка, электродной плотности
тока 2500 а м- и катодном выходе по току В1* 80?о.
Анодный выход по току В, 95 % (5 % —потери иа
утечки тока, шунтирующие замыкания и т. п.). Среднее
напряжение на ванне 1,5в. Машинное время работы
ванны 0,90.
Рассчитать: а) количество ванн, необходимое для це-
ха годовой производительностью 2000 т медного порош-
ка (принять отход при операциях обработки порошка на
сушку, отсев и т. п. равным 15 ?6 от готового продук-
та); б) удельный расход электроэнергии на 1 in готово-
го порошка; в) срок службы двухсторонне работающих
медных анодов толщиной 20 мм, если анодный скрап
равен 13 % от первоначальной массы анодов; г> состав
выходящего электролита, если состав поступающего
электролита: [Си2+] = 12 г/л\ |H2SO4] = 130 г. д, а ско-
рость циркуляции электролита равна 20 л/мин (объем
выходящего электролита считать равным объему подава-
емого раствора).
270. Ванна рафинирования свинца с кремнефторис-
тым электролитом, основой которого является PbSiF6,
работает при катодной плотности тока DK -= 150 а/м1,
выходе по току Вт = 96 ?6 и среднем рабочем напряже-
нии 0,42 в. Наращивание рафинированного металла про-
водят на свинцовых маточных листах толщиной 1,0 мм
и габаритами 800x600 мм. Цикл наращивания катодов
длится 6 суток.
Каковы масса и средняя толщина катодов в конце
процесса наращивания? Какова величина удельного рас-
хода электроэнергии иа 1 т катодного свинца?
271. Электролитическое снятие олова с луженого же-
леза производится в щелочных ваннах, работающих пе-
233
риодически. Отходы луженой жести после предваритель-
ного отжига прессуют в неплотные пакеты весом при-
мерно 50 кг каждый. На анодные штанги ванны нагрузкой
1200 а завешивается одновременно 6 таких пакетов,
помещенных в железные сетчатые корзины. Исходная
жесть содержит около 1,8 ?6 олова (после отжига). После
процесса электролиза в анодном скрапе остается при-
мерно 0,1 % олова.
Условный катодный выход по току за время процес-
са В* ~ 90 % (считая на переход Sn1+-> Sn). Среднее
напряжение на ванне 0,95в.
Рассчитать: а) количество получаемой катодной губки
олова с одной загрузки ванны анодными пакетами (од-
ного цикла работы ванны); б) длительность одного цик-
ла работы ванны; в) удельный расход электроэнергии
на 1 т катодного олова (при расчете принять одина-
ковым состав электролита в начале и конце цикла ра-
боты ванны).
272. Ванна рафинирования никеля нагрузкой 9000 а
имеет 31 катод; работает при катодной плотности тока
200 а!м- и выходе по току около 96%. Исходный элек-
тролит, подаваемый в катодные пространства ванны,
содержит 70 г/л Ni2+.
Какова должна быть минимальная скорость подачи
электролита в каждый катодный ящик ванны, исходя:
а) из допустимого минимума концентрации никеля в
выходящем католите, равного 30 г/л Ni2+, и б) из ра-
венства скоростей протекания электролита через диаф-
рагму и миграции через нее ионов меди (принять для
данных условий электролиза скорость миграции ионов
меди 0,00020 см 'сек, поверхность диафрагмы считать
равной поверхности электрода)?
234
273. Скорость циркуляции электролита в ванне ра-
финирования никеля нагрузкой 9000 а составляет 0,6
Какова концентрация никеля в католите при пере-
ходе последнего в анодное пространство, если в катод-
ные ящики ванны подается раствор, содержащий 65 г/л
Ni2+? Катодный выход по току равен 96%.
274. Катодными основами в ваннах рафинирования
никеля служат маточные никелевые листы, получаемые
электролитически на специальных матрицах.
Какова должна быть длительность процесса катодно-
го наращивания маточных листов толщиной 0,45 мм,
если катодная плотность тока равна 200 а/м2, а выход
по току для никеля составляет 96 %?
275. Исходный маточный (никелевый) лист — катод-
ная основа при рафинировании никеля — имеет толщину
0,5 мм; процесс катодного наращивания никеля при рафи-
нировании продолжается 5 суток при плотности тока
200 а/лГ2 и выходе по току 96%.
Какова масса одиночного никелевого катода габари-
тами 0,90x0,80 м после окончания процесса рафиниро-
вания?
276. Продолжительность работы никелевых анодов
габаритами 0,85x0,75 м, используемых в ванне рафи-
нирования никеля, должна составлять 25 суток. Анод-
ная плотность тока Da = 220 а/м2; анодный скрап равен
17/6 и шлам — 5% от первоначальной массы анодов.
Анодное использование тока на растворение металла
равно 100 % (для простоты расчета пренебречь разли-
чием в электрохимических коэффициентах у никеля и
анодно растворяющихся примесей).
Какова должна быть масса и толщина одиночного
никелевого анода?
277. Ванна рафинирования никеля работает при ка-
тодной плотности тока DK = 200 а/м2 и анодной плот-
235
ности тока Da = 220 а/мг. Межэлектродное расстояние
вместе с диафрагмой 75 мм. Диафрагма толщиной 4 мм
имеет коэффициент пористости и нелинейности пор а =
= 0,32 (а получается делением открытой пористости
диафрагмы на степень извилистости пор). Удельная
электропроводность электролита х = 0,115 ом^-слг1.
Рассчитать омические потери напряжения в электро-
лите и диафрагме ванны.
278. Нагрузка на ванну рафинирования никеля сос-
тавляет 10 ка; температура электролиза +60°С. Среднее
напряжение на ванне 2,82 в, в том числе электродная
поляризация 0,786 в, потери напряжения в электролите
и диафрагме AV\ = 1,483 в, в электродах АV2 = 0,069 в,
во внешних контактах ДУ3 = 0,119 в, в катодной и анод-
ной штангах АУ4 = 0,343 в.
Скорость циркуляции электролита на одну ванну ра-
вна 0,65 м3/ч, теплоемкость электролита 0,82 ккал кг,
плотность раствора d = 1,2 г!см3. Открытое зеркало
электролита в ванне 6,2 Л!2, скорость испарения воды
4,18 кг!м2-ч. Теплота парообразования при температуре
электролиза 562,5 ккал кг. Теплопотери с ванны за счет
испарения воды принять равными 70% от общего рас-
хода тепла ванной (при составлении теплового баланса
учитывать только разницу в температурах поступающего
и уходящего электролита).
Какую температуру должен иметь электролит, пос-
тупающий в ванну рафинирования никеля, чтобы под-
держать постоянство ее температурного режима?
Расчет для простоты провести на 100?о-ный выход
по току для никеля, так как на выделение водорода
расходуется очень малая доля тока; к тому же равно-
весные потенциалы никелевого и водородного электро-
дов в данных условиях мало отличаются друг от
друга.
236
279. Среднее напряжение на одиночную ванну рафи-
нирования никеля равно 2,7 в; потери напряжения в
соединительных и главном шинопроводах цеха состав-
ляют примерно 3% от напряжения ванн, выход по току
для никеля Вт = 96?о.
Каков удельный расход электроэнергии на 1 т ра-
финированного никеля?
280. Технологически и экономически интересным яв-
ляется электролитический способ получения металли-
ческого никеля непосредственно из его сульфидного
полуфабриката — файнштейна, состоящего в основном
из Ni3S2. Это позволило бы устранить трудоемкие опе-
рации термического обжига сульфида никеля и восста-
новительной плавки полученного окисла, а также дало
бы возможность получить ценные побочные продукты —
элементарную серу и селен. Аноды для таких ванн от-
ливают из файнштейна. При анодном окислении файн-
штейна протекает реакция
Ni3S2 — бё---> 3 Ni2+ + 2S
На катоде выделяется металлический никель сравни-
тельно высокой чистоты.
Составить материальный баланс часовой работы ванны
нагрузкой 6000 а с анодами, отлитыми из файнштейна.
Рассчитать: а) часовой расход анодов (с учетом шла-
ма); б) массу катодно осаждающегося никеля; в) коли-
чество образующейся элементарной серы. Катодный
выход по току 99%; анодный выход по току для никеля
и серы 94%. Образовавшаяся элементарная сера пол-
ностью переходит в шлам, который кроме того содержит
5% сульфида, механически выкрошившегося из анодов.
Каково время работы сульфидных анодов толщиной
45 лш, если анодная плотность тока равна 150 а!м2?
Анодный скрап составляет 10% от первоначального веса
237
анодов, плотность анодов (Ni3S2)— 5,8 г!см*. Каков
удельный расход электроэнергии на 1 т катодного
никеля, если среднее напряжение на ванну равно
3,7 в?
281. В цехе электролитического получения цинка уста-
новлены ванны нагрузкой 17 ка. Среднее напряжение
на одиночной ванне 3,7 в. Катодный выход по току для
цинка равен 90?о; машинное время работы ванн 0,95.
Потери напряжения в шинопроводах цеха составляют
около 3% от падения напряжения на ваннах. Цеховой
источник тока имеет выходное напряжение 500 в.
Сколько электролизеров необходимо установить в це-
хе? В какое количество последовательных серий должны
быть соединены ванны? Каков удельный расход электро-
энергии на 1 т катодного цинка?
282. Рабочая поверхность одной стороны алюминие-
вой основы катода электролизера для получения цинка
составляет 666x980 мм. Продолжительность осаждения
цинка на катоде 24 ч.
Каковы масса и средняя толщина полученного цинко-
вого катодного листа, если рабочая плотность тока рав-
на 500 п/л!2, а катодный выход по току Вт = 90%?
283. В опытных образцах барабанного цинкового
электролизера готовая цинковая лента, получающаяся
на вращающемся катоде, непрерывно сдирается с него
и наматывается на бобины.
Рассчитать необходимую скорость вращения катодно-
го барабана диаметром 1000 мм, чтобы снимаемая цин-
ковая лента имела толщину 0,45 мм. Длина рабочей
поверхности катодного барабана составляет 55?о от дли-
ны его окружности. Катодная плотность тока DK •-=
= 4000 п'л2, средний выход по току составляет 91%.
284. В ванну получения цинка нагрузкой 10 ка по-
дается нейтральный раствор в количестве 148 л/ч, содер-
жав
жащий 6 г/л Мп2+; 60% поступающей соли марганца
участвует в анодном процессе, образуя МпО2.
Рассчитать: а) долю анодного тока, расходуемого на
окисление марганца; б) количество МпО2, образующего-
ся за месяц (30 суток) в ванне; в) нормальный объем
кислорода, выделяющегося за 1 ч на анодах ванны
(считать, что анодный ток расходуется только на выде-
ление О2 и образование МпО2; кроме того, 2?6 тока те-
ряется за счет появления шунтирующих замыканий ме-
жду электродами).
Напишите уравнения анодных реакций в ванне.
285. Электролит ванны для получения цинка содер-
жит 94 г/л H2SO4 и 65 г/л Zn2\ Температура процесса
4- 35° С. Рабочая плотность тока 450 а м2. Межэлектрод-
нсс расстояние 25 мм. Увеличение сопротивления раст-
вора за счет газонаполненпя равно 5%.
Каковы омические потери напряжения вэлектролше
ванны?
Расчет удельного сопротивления электролита провес-
ти по методу Скавронского [17], используя уравнение
Рраств = p3°H2SO4 +0,01 14 Czn2+ ,
где С7п2+ — концентрация Zn2+ в г!л.
Удельпсе сопротивление раствора 94 г/л H2SO4 при
18° С, pH,so4~2,56 ом-см. Зависимость удельной
электропроводности раствора H2SO4 от температуры вы-
ражается формулой
zH>sot = *h2so4 + 0,014 (t — 18).
286. Напряжение на ванне получения цинка нагруз-
кой 9000 а равно 3,40 в (за вычетом потерь напряжения
в шинах и внешних контактах). Выход по току для цин-
ка составляет 91% (9% расходуется на электролиз
воды).
239
Рассчитать, исходя из термодинамических данных,
количество джоулева тепла, выделяемого за 1 ч в
ванне.
287. Ванна получения цинка нагрузкой 12 ка имеет
напряжение (за вычетом его потерь в шинах и внешних
контактах) — 3,35 в и катодный выход по току 90%
(10% тока расходуется на электролиз воды). Ежечасно
в ванну подается 180 л «нейтрального» раствора (плот-
ность d = 1,26 г/см2, теплоемкость = 0,815 ккал!кгаС)
имеющего температуру +28° С. Из ванны выходит
208 кг/ч «кислого» электролита с температурой +36° С,
теплоемкостью с2 = 0,875 ккал!кг°С. В суммарном рас-
ходе тепла 5% составляют его потери от конвекции,
излечения и испарения воды (тепловой баланс по раст-
ворам составить по отношению к 0°С).
Какое количество тепла необходимо выводить еже-
часно из ванны? Каков расход охлаждающей воды,
имеющей начальную температуру 4- 18"С и конечную
29 С, в расчете: а) на 1 ч работы ванны и б) на 1 т
катодного цинка?
288. Рассчитать, пользуясь уравнением Нерпста, ве-
личины теоретического напряжения разложения при
4- 25 С для: а) сернокислого раствора ZnSO4 (azn2+ = 0,08;
pH = 0); б) солянокислого раствора ZnCl2 («znci2 = 0,6);
в) щелочного цинкатного раствора («он-= 3; azn(OH)*“ =
= 0,5).
Суммарные электрохимические реакции:
a) Zn2t -Ь Н2О Zn -Г ~ О2 -|- 2Н+
б) ZnCl2 Zn % С12
в) Zn (ОН)Г Zn Л_ о2 + Н2О + 2ОН-
240
Каковы величины теоретического удельного расхода
электроэнергии на получение цинка из этих электроли-
тов?
289. Для получения цинкового порошка был исполь-
зован электролиз натрий-цинкатного раствора с нераст-
воримыми анодами при катодной плотности тока
DK = 2500 а'м2. Электролит в ванне содержит 15 г/л
цинка; катодный выход по току равен 85%; среднее на-
пряжение на ванне 3,5 в.
Какова должна быть скорость подачи свежего цин-
катного раствора с [Zn]Iia4 = 30 г/л (взамен удаляемого
частично раствора с [Zn]K011 = 15 г/л) в ванну нагрузкой
8000 а, чтобы поддерживать постоянство концентрации
цинката в электролизере (пренебречь изменением объема
электролита и расходом воды на электролиз и испаре-
ние)? Каков удельный расход электроэнергии на 1 tn
цинкового порошка?
Запишите реакцию основного электрохимического про-
цесса в ванне.
290. При периодическом процессе электроэкстракции
кадмия в ванну с нерастворимыми анодами заливается
сернокислый раствор сульфата кадмия с высокой концен-
трацией последнего. Процесс прекращается после дости-
жения некоторого минимума концентрации кадмия в
электролите.
Какова длительность цикла работы кадмиевой ванны
нагрузкой 1000 (7, если объем ее электролита равен 2,2 м3;
исходный раствор содержит 120 г/л Cd2+ и 80 г/л H2SO4,
а конечная концентрация кадмия составляет 20 г/л
(принять неизменным объем раствора на протяжении про-
цесса)? Катодный выход по току Вт = 89%.
Рассчитать концентрацию H2SO4 в отработанном
электролите. Напишите уравнение основного электрохи-
мического процесса в ванне.
241
291. Катодная плотность тока в ванне электроэкст-
ракции кадмия с неподвижными алюминиевыми катодами
равна 45 а'м-. Продолжительность процесса наращива-
ния кадмия на катодном листе 1 сутки. Рабочая поверх-
ность одной стороны катода равна 670x980 мм; выход
по току 88?о; среднее напряжение на ванне 2,6 в.
Рассчитать: а) толщину осажденного на катоде кад-
мия; б) массу одиночного кадмиевого листа; в) удельный
расход электроэнергии на 1 т катодного металла.
292. В электролизере для получения металлического
хрома в качестве электролита применен раствор хромо-
вой кислоты с добавкой серной кислоты. Нагрузка на
ванну 5000 а; аноды нерастворимые; катодный выход
по току 15?о; среднее напряжение на ванне 4,5 в.
Рассчитать: а) количество хрома, получаемого в сутки
с ванны; б) удельный расход электроэнергии на 1 кг
катодного хрома; в) суточный расход СгО3 на процесс
собственно электролиза (без потерь). Напишите суммар-
ную реакцию выделения хрома в ванне.
293. При электролитическом получении металлическо-
го хрома из раствора хромово-аммонийных квасцов
[(NH4)2SO4-(^(SO^g] выход по току для хрома состав-
ляет около 40°6.
Рассчитать: а) суточную производительность по хро-
му электролизера нагрузкой 5000 а; б) удельный расход
электроэнергии на 1 кг катодного хрома, если напряже-
ние на ванне равно 4,5 в.
294. В лабораторном электролизере нагрузкой 2,80 п,
использованном для получения порошка железа, за 70 мин
процесса выделилось на катоде 340 мл водорода (газ
собран над водой при + 20°С и давлении 750 мм рт. ст.).
Рассчитать выход по току для железа (затратами ка-
тодного тока на другие процессы, кроме выделения же-
леза и водорода, пренебречь).
242
295. За 35 мин процесса на катоде лабораторного
электролизера нагрузкой 2,4 а, залитого цинкатным элек-
тролитом, выделилось одновременно с цинковым порош-
ком 60,5 мл водорода, собранного над водой при + 24СС
и давлении 740 мм рт. ст.
Каков выход по току для полученного порошка
цинка?
296. Суммарная длина медных шинопроводов (вход-
ного и выходного) электролизной серии равна 50 м.
Проходная плотность тока в шинах 1,7 а, мм-, темпера-
тура шинопроводов + 45°С. Каково падение напряжения
в шинопроводах? Удельное сопротивление для меди при
4- 18 С р18 = 0,0178 ом-мм1 м; температурный коэффи-
циент сопротивления а = 0,00445.
297. В гидрометаллургическом цехе установлены 4
последовательных серии электролизеров нагрузкой 9 ка.
Длина главного шинопровода (прямого и обратного) у
каждой серии составляет в среднем 50 м.
Рассчитать: а) необходимое количество медных шин
сечением 100X10 мм для шинопроводов всего цеха при
проходной плотности тока 1,5 а мм1 (масса 1 м шины
8,9 кг); б) годовые потери электроэнергии в медных ши-
нопроводах цеха, если средняя температура шин 40°С;
в) необходимое для цеха количество алюминиевых шин
сечения 100x10 (масса 1 м—2,7 кг) для замены медных
шинопроводов при условии равной величины потерь на-
пряжения в тех и других шинопроводах (среднюю тем-
пературу алюминиевых шин принять 4-38?С); г) проходную
плотность тока в алюминиевых шинопроводах.
Удельное сопротивление при 18 С меди рси =•
= 0,0178 ом-мм2/м, алюминия pAi = 0,0294 ом-мм21м
Температурный коэффициент сопротивления меди
«си = 0,00445, алюминия aAi = 0,00423.
ГЛАВА VI
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВЛЕННЫХ СРЕД
298. Серия из п — 150 непрерывно работавших алю-
миниевых электролизеров нагрузкой I — 65 ка выдала
за месяц (т = 30 суток) работы £факт 2090 т металла,
содержащего рд1 = 99,5% А1. Среднее напряжение на
серии (с учетом периодических «анодных вспышек») сос-
тавило I/ = 718 в.
Каковы выход по току и удельный расход электро-
энергии для полученного алюминия (в расчете на
100%-ный металл)?
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ванне
2А12О3 + ЗС----► 4 А1 + ЗСО2 (частично образуется и СО).
2) Электрохимический эквивалент алюминия
Л л, 26,97
<7Л1--~ °’33°5 г1а'4'
3) Количество алюминия которое можно получить теоретически
с серии за месяц
65.24-30.0,3355-150 Л
£теор = 1'Ямп =---------iooo------ = 2355 т.
244
4) Выход по току на серии
В _ 1оо = 2090-0,995. =
g,coP 2355
5) Удельный расход электроэнергии
Wg =-----—_ = . 65-718-24-30 =16 150квт.ч1т А1.
S £фактРЛ1 2090-0,995
299. В цехе электролитического получения алюминия
годовой производительностью £ц=90 тыс. т металла ус-
тановлены электролизеры нагрузкой / = 70 ка. Ванны
работают с выходом по току для алюминия Вт = 89%
при среднесерийном напряжении на электролизер VB =
=4,7 в. Машинное время работы электролизеров составля-
ет f = 0,96; потери алюминия при его переплавке равны
2% (К = 0,98).
Сколько электролизеров и электролизных серий долж-
но быть в цехе для обеспечения сто годовой производи-
тельности?
Решение
1) Годовая производительность одного электролизера (с учетом
потерь при переплавке металла)
g = 1-^frfK = 70 (24-365)-0,3355-0,89-0,96-0,98 = 172
1000
2) Необходимое количество электролизеров в цехе
п _ _ 90 000
g 172
3) Суммарное напряжение па всех электролизерах
VH = lzcn9 = 4,7-523 = 2460 в
4) Количество последовательных серий в цехе рассчитываем ис-
ходя из юго. ч.о напряжение на каждой серии должно составлять
600-? 800 в. Отсюда количество серий
2460 .
Пс =-------~ 4 .
600
= 523.
245
Количество ванн в каждой серии
п= 523..«131.
4
Напряжение на серии
Vc = 4,7-131 = 616 в.
300. При электрохимическом сгорании анодов алю-
миниевого электролизера нагрузкой / = 65 ка образуется
по 50 объемн. % СО2 и СО.
Анодная плотность тока в электролизере Z)a = 0,9 сг/слг2;
выход по току Вт—89% (примем равным для катодного
и анодного процессов); кажущаяся плотность анода
Ja = 1,5 г!см*\ механические потери анодного вещества
составляют около 15?о (Д'—1,15) от его расхода на
электрохимическое сгорание.
Какое количество анодного вещества (в расчете на
чистый углерод) израсходуется за 3 суток в алюминие-
вом электролизере на собственно электрохимический про-
цесс? На какую высоту при этом «сгорят» аноды?
Решение
1) Реакции суммарных электрохимических процессов в ванне:
а) А12О3 + ЗС----->2А1 + ЗСО
6) 2А1о03 + ЗС---->4А1 + ЗСО2
2) Электрохимические эквиваленты для углерода:
для реакции (а)
Лс 12,0
?1= гр — 2-26,8 ~ 0,224 г1а'ч'>
для реакции (б)
q2 =____I2’0 ., = 0,112 г/а-ч.
4 4-26,8
246
3) В анодном газе на 1 моль СО2 приходится 1 моль СО. На
электрохимическое образование каждого моля СО2 затрачивается вдвое
больше электричества, чем на 1 моль СО. Отсюда вытекает, что
66,7% электричества ( Вт), расходуемого на сгорание анодов,
идет на образование СО2, а 33,3% ( В^— на образование СО.
4) Трехсуточный расход анодного вещества в ванне на собствен-
но электрохимический процесс
£а = /тВт( в'1 qt + В, q2) =
= 65-(24-3)-0,89- (0,667-0,1124-0,333-0,224) = 622 кг.
5) Расход анодов с учетом механического разрушения
ga= g'aK = 622.1,15 = 715 кг.
6) Объем «сгоревших» анодов
°а = -Д— = °;7'5 = 0,477 м9.
1,5
7) Рабочая поверхность анодов
S= — = .65 °00. = 72 200 см2 = 7,22 м9.
Da 0,9
8) Высота сгорания анодов за 3 суток
h = = 0,477 - 1000 = 66,0 мм .
S 7,22
301. Магниевый электролизер нагрузкой 1 = 70 ка
работает со средним выходом по току Вт^90% (при-
нять равным для катодного и анодного процессов); со-
держание Mg в получаемом металле-сырце составляет
Pb\g = 99,0%.
Какое количество магния-сырца и хлора может быть
получено за месяц (30 суток) с такого электролизера
при его непрерывной работе?
Каков удельный расход электроэнергии: а) на 1 tn
Mg; б) на 1 т С12, если напряжение на ванне У = 6,4 в?
217
Решение
1) Основной электрохимический процесс в ванне
MgCl2->Mg + Cl2
2) Электрохимические эквиваленты для компонентов процесса:
q = 0,454 г/а • ч\ q — 1,325 г/а • ч.
C/I2
3) Месячная производительность ванны по магнию-сырцу
V 70 (24 • 30) • 0,454 • 0,90
gMg~ ~ 0,99-1000 - 20,8 m.
4) Месячное количество хлора, производимое одной ванной
70(24 • 30) • 1,325 • 0,90
-----------------------------------------=60,1 tn.
6,4 • 1000
———= 15 650 квт • чПп\
0,454-0,90 1
6,4 • 1000
= 1,325 • 0,90' = 5370 квт ' “!'п-
gci, “ ^ci2Bt “ юоо
5) Удельный расход электроэнергии:
а) на 1 т Mg
w________L_
— о в.
4Mg
б) на 1 т С12
302. Магниевые электролизеры работают по так на-
зываемой «карналлитовой» схеме (один из технологичес-
ких вариантов) при питании их карналлитом, содержа-
щим PMgCI, = 49,5% MgCl2. Электролизеры имеют наг-
рузку I = 70 ка и объем расплава у—5,0 я3.
Какова периодичность частичной замены электролита
в ванне для восполнения расхода MgCl2, если после за-
ливки свежего расплава электролит должен содержать
= 14% MgCla (плотность 1,75 г/сл?); к отбору
248
электролита из ванны приступают после снижения в нем
концентрации MgCl2 до p7Mgci3 = 5%. Какое количество
отработанного электролита должно удаляться из ванны
перед введением в нее расплава карналлита? Каков удель-
ный расход карналлита на 1 т магния-сырца?
Параметры процесса электролиза: выход по току
Вт = 80%; магний-сырец содержит pMg = 99,0% Mg. От-
ходы при электролизе в расчете на 1 т магния-сырца:
шлам (содержащий p'^20%MgO, остальное — хлориды
щелочных металлов) m1 = 0,3 т; возгон (с содержа-
нием р" = 30% MgCl2, остальное другие компоненты
электролита) — т2 =0,05 т.
Решение
1) Часовая производительность ванны по магнию-сырцу
7'9МйВт 70 • 1 •0,454-0,80
gi = —р-----= ----------о^9--------= 25’7 кг1ч~
Mg
2) Затраты MgCl2 на собственно электролиз в расчете на 1 кг
магния-сырца
MMgCL 95,23
82 ~ Л ‘₽Mg- 24,32
Mg
0,99 = 3,88 кг.
3) Расход MgCl2 на образование AigO в шламе (на 1 кг магния-
сырца)
Л1мвС1, 95,23
= miP' ~Tj--: = 0,3 • 0,2 ->0 2, =0,142 кг.
MgO
4) Расход MgCl2 при возгоне (на 1 кг магния-сырца)
g4 = т^р"— 0,05 • 0,30 = 0,015 кг.
5) Суммарный удельный расход MgCl2 на 1 кг магния-сырца
& = + £з + ga = 3,88 + 0,142 + 0,015 « 4,04 кг.
249
6) Часовой расход MgCI2 в ванне
gt = gbgi = 4'04 • 25,7 = 103,7 кг.
7) Удельный расход электролита в ванне в процессе электроли-
за (с учетом разложения, шламообразования и возгона) на 1 кг маг-
ния-сырца
Si = Sb + "Ч (1 — Р') + (1 — р") =
= 4,04 + 0,3 • 0,8 + 0,05 • 0,70 = 4,32 кг.
8) Часовой расход электролита
St = SiSi = 4,32 • 25,7 = 111 кг!ч.
9) Содержание MgCl2 в свежем электролите ванны
g9 = ^Рд\ес|, — 5,0 • 1,75 • 0,14 = 1225 кг.
10) Периодичность частичной смены электролита т ч. Для рас-
чета значения т составим уравнение характеризующее содержание
MgCl2 в «исющеином» электролите
go — g6T = *
vd — get PMgCla,
1225— 103,7т
-------------’-----= 0,05.
5000-1 ,75—111-с
Отсюда т = 8,02 8 ч.
11) Масса «истощенного» электролита ванны перед отбором рас-
плава
g10 = vd — g8T = 5000 • 1,75 — 111 • 8,0 = 7862 кг.
12) Обозначим количество выводимого из ванны отработанного
электролита gn, количество вводимого карналлита g12. Для нахож-
дения этих величин составим систему из двух уравнений:
а) после отбора части отработанного электролита и введения
расплава карналлита в ванну объем полученного электролита должен
соответствовать своему первоначальному состоянию (до электроли-
за). Тогда
gio — gn + gu = vd;
7862 — gn + g12 = 5000 • 1,75; glt = g12 — 888.
250
б) Содержание MgCl2 в полученном расплаве должно удовлетво-
рять уравнению
(210 — 2и) PMgCl2 + 2HPMgci2 _ (7862 —gn)0,05 4- 2ie°.495 =
vd 5000-1,75
= PMgCI, = ° -14-
Отсюда
0,05gi L = 0,495gi2 — 832.
Решая совместно полученные уравнения, получим g12 1770 кг
карналлита; = 882 кг отработанного электролита.
13) Количество магния-сырца, полученное с ванны за 8-часовой
период
£1з = £п~ = 25,7 • 8,0 = 205,6 кг.
14) Удельный расход карналлита на 1 т магния-сырца
£12 1770
'"‘ = 77 = '2051’ = 8’61 т-
15) Количество отводимого отработанного электролита в расчете
на 1 т магния-сырца
£п 882
т2 = —— = а =4,29 т.
£1з 20о,6
303. В цехе металлического натрия годовой произво-
дительностью 8000 т Na установлены ванны, работаю-
щие на хлористом электролите.
Какова годовая потребность цеха в технической по-
варенной соли (pNaC| = 99,7% NaCl), если потери если
составляют 5% (К = 1,05) от ее расхода на собственно
электролиз?
Решение
Годовая потребность в NaCl
^NaCi К 58.5 1,05
gNaCl-gNa Д р ~ 8000 23,0 ’ 0,997 “ 21 500 т! од-
Na NaCl
251
304. Выделение металлического натрия на жидком
свинцовом катоде возможно осуществить путем электро-
лиза расплавленного NaCI при 810-?830°С. По одному
из таких способов жидкий свинец, служащий катодом,
непрерывно протекает по дну ванны, обогащаясь метал-
лическим натрием. На графитовых анодах ванны выде-
ляется газообразный хлор. В электролизер подается
сплав свинца с pt = 4% натрия (после отгонки в дис-
тилляционной печи части металлического натрия из
конечного продукта); выходящий из ванны сплав содер-
жит р2 = 6% Na. Плотность сплава (с 5% Na) при
температуре процесса 9,64 гсм\
Ванна нагрузкой 1= 18 ка и длиной Л = 4,0 м рабо-
тает при катодной плотности тока D --^0,80 а см2, вы-
ходе по току Вт = 80?б, при уровне катодного сплава в
ванне о^50 мм. Рабочее напряжение на ванне Ув==6,0 в.
Рассчитать: а) часовую производительность ванны по
металлическому натрию и хлору (принять одинаковыми
выходы по току для обоих продуктов); б) удельный рас-
ход электроэнергии на 1 т полученного натрия; в) не-
обходимую скорость движения сплава РЬ — Na в ванне;
г) количество обогащенного сплава, получаемого за 1 ч
в ванне; д) необходимую скорость подачи исходного
катодного сплава в ванну.
Решение
1) Суммарный электрохимический процесс в ванне
NaCI-> Na 4~С12
2) Электрохимические эквиваленты для продуктов реакции:
q = 0,858 г/а • ч; q = 1 ,325 г/а • ч.
ЧХта ' ЧС1 1
3) Часовая производительность ванны:
252
а) по металлическому натрию
g =!zq Вт = 18 • 1 • 0,858 • 0,80= 12,36 кг/ч\
Na Na
б) по хлору
g = Лл Вт = 18. 1 . 1,325 . 0,80 = 19,1 кг/ч.
Cig CI2
4) Определим количество свинца, циркулирующего в ванне.
Обозначим gNa— количество металлического натрия, вводимого
каждый час в ванну в исходном катодном сплаве, — количество
свинца, ежечасно проходящее через ванну.
Для нахождения этих двух неизвестных составим систему из
двух уравнений:
а) состав подаваемого катодного сплава удовлетворяет урав-
нению
gNa, = р1=0,04,
£pt>+ gNa
откуда gpb=24g^a;
б) состав конечного сплава отвечает уравнению
&Na + &Na
= р2 = 0,06;
^РЬ ^Na ^Na
^Na+12’36
---------F---------- = 0,06.
^РЬ + £Na -I-12>36
откуда
0.06gpb = 0.94^a -J- 11.62.
Решая систему уравнений (а) и (б), получаем:
е'ка = 23,24 кг-, gPij = 558 кг.
5) Скорость подачи исходного катодного сплава в ванну
£спл = §РЬ + gNa = 558 + 23,24 = 581,24 кг/ч.
253
6) Количество обогащенного катодного сплава, получаемого в
ванне за 1 ч
5спл = 2спл + = 581,24 + 12,36 = 593,6
7) Площадь поверхности жидкого металла в ванне
/ 18 000
S = ТГ = "п'я" = 22 500 СЛ12.
U и, о
8) Масса сплава, одновременно находящегося в ванне
g'"njl = SM = 225 • 0,5 • 9,64 = 1085 кг.
9) Необходимое время нахождения катодного сплава в ванне
£спл 1085 • 2
* = = g +s = 581,24 + 593,6 = 1185 “
бспл бспл
£спл 4” S спл
где gCp =-------2-----—средняя масса катодного сплава, прохо-
дящего за 1 ч через ванну.
10) Скорость протекания сплава РЬ — Na через ванну
L 4,0
и = — = -у-gg- = 2,16 м/ч, или 3,6 см 1 мин.
11) Удельный расход электроэнергии на 1 т металлического Na
6,0 • 1000
= "7—n— = \ ~ = 8730 кет • ч/т.
8 <7NaBT 0,858*0,80 *
305. Литиево-кальциевый сплав состава 60% Са(рСа)
и 40% Li (pLj) может быть получен электролизом рас-
плавленного электролита, содержащего 70% LiCl и 30%
СаС12.
Рассчитать выход по току, если на ванне нагрузкой
/ = 3000 а получено за сутки £фаКт = 27,0 кг сплава.
Какая доля катодного тока расходуется на выделение
254
отдельных компонентов полученного сплава? Каков
удельный расход электроэнергии в расчете на 1 т ка-
тодного сплава, если напряжение на ванне VB^9,0 в?
Сколько солевого расплава и при каком весовом соот-
ношении LiCl и СаС12 нужно ежесуточно вводить в ван-
ну для восполнения расхода солей на собственно элек-
тролиз?
Решение
1) Теоретический удельный расход электричества на единицу
массы катодного сплава
°С"Л = ЯСа />Са + 9Li PLi ~
= 0J47 °’60 + 0159-0’40 = 2’35 а • ч1г-
2) Электрохимический эквивалент сплава
*7спл == с 3 2 35 = 0,425 г/а • ч.
3) Теоретическая суточная производительность ванны по сплаву
gTeop = /т^СП1 — 3,0 • 24 • 0,425 = 30,6 кг.
4) Выход по току для сплава
спл £факт 27,0
В =-г— ЮО = -^- 100 = 88,2%.
т £теор 30,6
5) Доля катодного тока, расходуемого на выделение:
а) кальция
1
?Са 1>Са
ССП I
вСа = вспл
88,2 —4— 0,60
0,747
2,35 = 30,2%;
б) лития
BLi = B^_B^ = 88i2_30>2 = 58>0%
255
6) Удельный расход электроэнергии на 1 т сплава
7) В полученном за сутки сплаве содержится кальция и лития
gCa = 2фактРСа = 27,0 • 0,60 = 16,2 кг;
§и=£факт—£Са = 27 — 16,2 = 10,8 кг.
Для их получения затрачено:
Iici 42 4
£TLi ---------= 10,8 . = 66 кг LiCl.
Следовательно, для восполнения расхода на собственно электро-
лиз необходимо ежесуточно вводить в ванну солевого расплава
Яраспл = 44,9 + 66 = 110,9 кг.
44,9
Расплав должен содержать 11 q д' • 100 = 40,5%СаС12 и
59,5% LiCl.
306. При получении металлического кальция электро-
лизом расплавленного СаС12 с использованием принципа
«катода касания» применена катодная плотность тока
D = 40 а,'см2. Электролизер имеет нагрузку /= 1200 а
и работает с выходом по току Вт порядка 50% при
среднем напряжении V = 27 в.
Рассчитать: а) суточную производительность ванны
при ее непрерывной работе; б) удельный расход электро-
энергии на 1 т получаемого металла; в) продолжитель-
ность наращивания кальциевого катода длиной /=500 мм
(при +20° С).
256
Решение
1) Суточная производительность ванны
gCn = Вт = 1,2 • 24 • 0,747 • 0,50 = 10,75 кг,
2) Удельный расход электроэнергии на 1 т кальция
V 27 . 1000
=-------------= 72 300 кет • ч/т.
8 ’сЛ1 °-747 • °-50
3) Определяем продолжительность наращивания кальциевой
«штанги». Количеств:» осажденного кальция за цикл наращивания
g = Izq Вт = Sid .
sCa Са т Са
Отсюда
Id Id 50-1,55
-----------=-----------=------------------- =5,2 ч.
I в Р?саВт 40-0,747*0,50
S ^СаВт
307. Одним из споссбов получения металлического
кальция является электролитическое изготовление медно-
кальциевого сплава, из которого кальций отгоняется за-
тем в специальной дистилляционной печи. Электролиз
осуществляется в ваннах, залитых расплавом, содержа-
щим 80—85 ?о СаС12 и 20—15% КС1. Ванны работают
периодически. Загрузка электролизера проводится обед-
ненным катодным сплавом (после дистилляции), содер-
жащим 30% Са(рСа) и 70% Cu(pCll); извлекается из
ванны обогащенный кальцием сплав, содержащий 63%
Са(рСл) и 37 % меди (рСп).
Рассчитать: а) длительность рабочего периода ванны
нагрузкой / = 12 ка, если в ванну одновременно загру-
жается £-спл = 60 кг обедненного медно-кальциевого спла-
ва, средний выход по току Вг составляет 72%; б) вели-
чину единовременной выгрузки обогащенного катодного
257
сплава; в) количество металлического кальция (в сплаве),
получаемое за рабочий период ванны; г) среднесуточную
загрузку СаС12 в ванну, если его потери составляют 5%
от расхода СаС12 на собственно электролиз (/<=1,05);
д) удельный расход электроэнергии на 1 т металличе-
ского кальция и обогащенного медно-кальциевого сплава,
если среднее напряжение на ванне У = 9,0 в.
Решение
1) В исходном катодном сплаве ванны содержится следующее
количество кальция и меди:
£са — £спл Рса — 60 • 0 30 — 18 кг Са;
gCu = £спл — 5са = 60 — 18 = 42 кг Си.
Масса меди в сплаве в ходе электролиза не изменяется. Осно-
вываясь па этом, определяем массу полученного обогащенного
сплава
2) Масса кальция, выделившегося за рабочий период ванны
Sea = £спл — £спл = 113,5 —60 = 53,5кг.
3) Продолжительность рабочего цикла ванны
8Са 53,5
- /<7С1 Вт ~ 12 • 0,747 • 0,72
4) Удельный расход электроэнергии на 1 т:
а) металлического кальция
W
Са
IV Т 12 000 • 9,0 . 8,3
53-4 5
= 16 770 кет ч/т
258
б) медно-кальциевого сплава
— 7890 кет • ч/т.
СаС12
„„ ZVt 12000-9,0.8,3
^спл“ У “ 113,5
бспл
5) Электрохимический эквивалент для <
_ ^CaCh _ 111,0
’СаС1г zF 2-26,8
6) Суточный расход СаС12 (при непрерывной работе ванны)
= 2,07 г/а • ч.
g =lzq втХ = 12 . 24 . 2,07 • 0,72 . 1,05 = 450 кг.
308. При электролизе с соответствующими электро-
дами расплавленной смеси KF и HF на аноде идет обра-
зование элементарного фтора (на катоде выделяется во-
дород). Расходуемый при процессе HF восполняется
подачей в электролит расчетных количеств фтористого
водорода.
Рассчитать суточную производительность по фтору
серии из п = 10 последовательно включенных электро-
лизеров нагрузкой / = 3000 а, если выход по току для
фтора Вт = 80%. Каков удельный расход электроэнергии
на 1 т фтора (рабочее напряжение V на серию состав-
ляет НО в)? С какой скоростью должен подаваться в
каждую ванну фтористый водород для восполнения его
расхода на электролиз и улетучивание, если отходящие
анодные газы содержат 90 сбъемн. % F2h8% HF? Унос
HF с катодными газами принять равным уносу с анодным
газом. Анодный и катодный выходы по току считать
одинаковыми.
Решение
1) Реакция суммарного электрохимического процесса в ванне
1 1
HF^-TH24--FF2
259
2) Электрохимические эквиваленты компонентов реакции:
q = 0,709 г[а • ч\
F 2
3) Суточная производительность серии по фтору
g = Iiq Втп = 3,0 • 24 • 0,709 • 0,80 • 10 = 408,5 кг/сутки.
Fa
4) Удельный расход электроэнергии на 1 т фтора
V 110-1000
= nqp Вт = 10 • 0,709 • 0,80 = 19 400 квт ’ ч1т-
э) Часовой расход HF на собственно электролиз в одной ванне
g,,„ = /Чо» вт = 3000 • 1 • 0,746 • 0,80 = 1790 г/ч.
HF HF
6) Определил! расход HF на унос с анодными газами. Часовая
производительность одной ванны по фтору
?F = _£ц_ = _^500_ = 1700 = _1700_ = 4 5
F2 пт 10-24 38,0
Составляем пропорцию:
в анодных газах на 90 моль F2 приходится 8 моль HF
» » » » 44,75 моль F2 » х » HF
44,75 - 8
х =----gjj--= 3,98 моль = 3,98 • 20 = 79,6 г/ч.
Такое же количество HF будет уноситься и с катодными газами
(по условию).
7) Нужно подавать фтористого водорода в 1 ч в каждую ванну
gHF = 1790 + 79.6 • 2^ 1949 г/ч.
309. Рассчитать падение напряжения в электролите
алюминиевого электролизера нагрузкой 70 ка, имеющего
рабочую площадь (сечение) анода 180 х 430 см, межпо-
люсное расстояние I = 4,0 см. Удельное сопротивление
260
расплавленного электролита при температуре электро-
лиза о = 0,48 ом • см.
Решение
Расчет проводим по формуле Форсблома и Машовца [10]
ДЕ = S + (2,5 4- /) р ’
где S — анодная поверхность (сечение анода); Р — периметр анода,
S = 180 • 430 = 77300 см2\
р = (180 4- 430) • 2 = 1220 см.
Отсюда
0,48 • 4,0 • 70000 _
77 300+(2,5 4- 4,0) • 1220 ~ 1’58 **
310. Как повышается удельный расход электроэнергии
на 1 т получаемого алюминия за счет появления «анод-
ных вспышек» в алюминиевом электролизере при частоте
«вспышек»: а) 1 раз в 2 суток; б) 1 раз в сутки; в) 2 раза
в сутки. Продолжительность «анодной вспышки» 6 мин,
среднее повышение напряжения при этом против обыч-
ного 30 в; катодный выход по току В1 равен 89%.
Решение
1) Повышение среднего напряжения па ванне за счет времен»
ного повышения напряжения при «анодных вспышках»
= 24 • 60 '
где Еэф — напряжение на ванне в период «анодной вспышки» («анод-
ного эффекта»); V'paQ — напряжение на ванне при ее нормальной
работе; п — число «вспышек» в сутки; т — продолжительность
«вспышки», мин.
261
2) Повышение удельного расхода электроэнергии за счет появ-
ления анодных вспышек
AV
Alt7g = -O- R
8
3) Изменение параметров электролиза при заданной частоте
анодных «вспышек»:
, 30.0,5-6
a) A Vi — 24-60 — 0,0625 в.
a ™ • 1UUU
= “6,3355 • 0,89' ~ 210 квт ч1т A1>
д 30 . 1 . 6
б) ДV2 — 24-60 — 0,125 в;
Д№2 = 420 квт • ч/т А1;
а 30 • 2 • 6 Л Л
в) ДУ3 — 24-60 — 0,250 ej
Д1Г3 = 840 квт - ч/т А1
311. Рабочее напряжение на магниевом электролизере
/в = 7,0 в; ванна работает с выходом по току для маг-
ния Вт = 85%. Напряжение разложения Е?азл расплава
MgCl2 (в смеси с другими хлоридами) составляет 2,6 в.
Каково значение теоретического удельного расхода
электроэнергии для магния и выход по энергии для
магниевого электролизера?
Решение
1) Значение теоретического удельного расхода электроэнергии
на 1 т магния
£разл
^теор = ~—
ЧЬ\>
2,6 - 1000
0,454
= 5725 квт • ч/т.
262
2) Выход по энергии
£разл 2,6
вэ = —В, . 85 = 31 .6%.
312. В магниевом электролизере с верхним вводом
анодов нагрузкой I = 70 ка установлено 5 анодных бло-
ков шириной по 1600 мм, каждый из которых состоит из
восьми графитированных электродов сечением 200Х150 мм
и общей длиной L = 1950мч (длина указана от середи-
ны верхнего зажимного контакта). Рабочая длина анодов
L' = 890 мм. Аноды работают двусторонне. Удельное
сопротивление графитированных электродов при + 20сС
р20 = 9,0 ом • мм2/м. Температурный коэффициент сопро-
тивления графита а = 0,000346. Средняя температура
анодов t ~ 500°С.
Рассчитать падение напряжения в неработавших гра-
фитовых анодах электролизера.
Решение
1) Проходиое сечение анодов в ванне
S= 1600* 150 * 5 = 1,2* 106 nut2.
2) Удельное сопротивление графита при 500°С
Рвоо = р20 [1 -4- а (* — 20)1 = 9,0 [1 + 0,000346 • 480] = 10,5 ом-мм2/м,
3) Падение напряжения в нерабочей части анодов
А1 _ , L-L' 7 . IO* * 10,5 * (1 ,95 - 0,89) _
AVi = 1R = /р----£---=-----------ГТТГоб----------= 0,650 в.
4) При расчете падения напряжения в рабочей части анодов
учитываем, что сила тока по длине рабочей части анодов умень-
шается от полного тока / до нуля. Поэтому для расчеюв можно
принять проходную плотность тока в рабочей части анода равной
половине плотности тока в нерабочей части анодов
А1 / L' 7-104 0,89
AV* — р — 2 ‘ 19,5 । 2 , |Q6 =0,273в.
263
5) Суммарное падение напряжения в анодах
kv = Alz! + ДГ2 = 0,650 -I- 0,273 = 0,923 в.
313. Рассчитать значение теоретического напряжения
разложения глпноземпо-криолитового расплава (для слу-
чая платиновых анодов), если изменение энтальпии ДН
при 950сС для реакции
2А1 + 1,5О2-> А12О3
равно —392,64 ккал, а изменение энтропии Д5Э
= —83,6 кал'моль • СК.
Решение
1) Термодинамический потенциал Гиббса
. « . (273 + 940) • 83,6
ДФ = Д/У — ТД5Э= — 392,64 + -----------------— = —290,3 ккал.
С1.,(С) равна
2) Теоретическое напряжение разложения
ДФ 290,3
£рэл- zFt =- 6.23,06 ~2’106,
314. Э.д.с. системы Ыа(ж) I расплав
I NaCI
3,43 в (при 650°С); температурный коэффициент э.д.с.
составляет = — 0,00078 в/°С.
at
Какова величина теплового эффекта реакции
Na (ж) + С12 -> NaCI (ж)
при температуре процесса + 600°С?
Решение
Для расчета используем уравнение Гиббса—Гельмгольца
QT dE
E = 7F~T+T-dT>
264
отсюда
Qt = zF/ \Е—Т ~дТ
1) Э.д с. системы при 600 С
dE 4
Еооо = сГ)5(, + ДТ =3,43 —0,78 . 10'4600- 650) = 3,47 в.
2) Тепловой эффект реакции
QT = 1 • 23,06 [3,47+ (600 4-273) • 0,00078] = 95,7 ккал [моль.
315. Рабочее напряжение на внешних шинах магние-
вого электролизера равно 6,57 в, в том числе потери
напряжения во внешних шинопроводах и контактах ван-
ны 0,32 в. Изменение энталышп при реакции
«во (M->«gw + a,
равно 142,56 ккал'моль. Какое количество джоулевого
тепла выделяется в электролизере нагрузкой 1 =70 ка,
если выход по току Вт составляет 85% (при расчете
пренебречь выделением на электродах всех продуктов,
кроме Mg и С12)?
Решение
1) Перепад напряжения между катодом и анодом электролизера
Ду = 6,57 — 0,32 = 6,25 в.
2) Тепловое напряжение разложения расплава
ДН 142,56
Ет- zF^ _ 2 . 23 06 _ 3,09 в.
3) Количеств.» джоулева тепла, выделяемого за 1 ч в ванне
QT = 0,860/ (ДТВ — £т = и,860 • 70 000(6,25 — 3,09 • 0,85) =
= 218 000 кка 1[ч.
265
316. Средний выход потоку Вт в алюминиевом электро-
лизере нагрузкой / = 70 ка равен 88%; рабочее напря-
жение на ванне 4,60 в, в том числе во внешних, «негрею-
1цих», шинопроводах и контактах — 0,40 в\ состав газа,
полученного при сгорании анодов, 55 объемн. % СО2 и
45% СО.
Теплоты реакций при 950°С:
а) А12О3 + ЗС->2А1+ ЗСО —312 ккал;
б) 2А12О3 + ЗС -» 4А1 + ЗСО2 — 492,5 ккал.
Какое количество джоулева тепла выделяется за
1 ч в электролизере?
Решение
1) Тепловое напряжение разложения для электрохимических
процессов:
для реакции (а)
312
ет = — 6 • 23,06 = 2,255 в;
для реакции (б)
492,5
12 . 23,06 “ 1 ’78в’
2) Доля полезного тока, идущая на реакцию (а)
Ва = _____________=______I3____= 0,29.
Рсо?+Рсо 55-2 + 45
Доля полезного тока, затрачиваемая на реакцию (б)
1 --0,29 = 0,71.
В расчете принято во внимание, что на образование 1 моль СО,
затрачивается в 2 раза больше электричества, чем на образование
1 моль СО.
266
3) Внутреннее падение напряжения в ванне
Ду = 4,60 —0,40 = 4,20 в.
4) Часовое количество джоулсва тепла, выделяемое в ванне
QT = 0,860/ [ДУ-Вт(е' B‘J + е" В^)] = 0,860- 70 000 [4,20 —
— 0,88 (2,255 • 0,29 + 1,78 • 0,71) = 151 000 кксиЦч.
ЗАДАЧИ
317. Алюминиевый электролизер нагрузкой 65 ка ра-
ботает с выходом по току 89?о при среднерасчетном
напряжении на ванне Кср = 4,8 в (с учетом повышения
напряжения за счет периодических «анодных вспышек»).
Машинное время работы электролизера 0,96.
Каковы годовая производительность по алюминию
одного электролизера и удельный расход электроэнергии
на 1 т получаемого металла?
318. В алюминиевом электролизере нагрузкой 30 кт,
установлено 14 анодов обожженного типа габаритами
40x40x55 см. Продукты сгорания анодов содержат по
50 объемн. % СО2 и СО. Выход по току Вг = 85% (при-
нять равным для катодного и анодного процессов). Ме-
ханическое разрушение анодов при работе равно 15?6 от
расхода анодов на собственно электрохимический про-
цесс (на образование СО и СО2). Анодные огарки состав-
ляют 25 % от первоначального веса анодов. Кажущаяся
плотность анодов d= 1,6 г/см3.
Рассчитать срок службы анодов и их удельный рас-
ход на 1 т алюминия, получаемого в ванне.
319. Падение напряжения между катодной и анодной
шинами алюминиевого электролизера нагрузкой 65/ш рав-
но 4,70 в, в том числе во внешних шинах и контактах 0,46 в.
Выход потоку для алюминия составляет 89%. Анодный
267
газ, выходящий из электролизера, содержит примерно
равные объемы СО и СО2.
Теплоты реакций протекающих в электролизере
(для 950 С):
а) А12О3 Т ЗС-> 2А1 4 ЗСО — 312 ккал
б) 2А12О3 + ЗС -> 4А1 + ЗСО2 — 492,5 ккал
Какое количество джоулева тепла выделяется в
электролизере за 1 <<?
320. Какое количество джоулева тепла выделится
в алюминиевом электролизере нагрузкой 70 ка за период
«анодной вспышки» длительностью G мчн при среднем
напряжении на ванне в этот период 35 6?
Сумма теплового напряжения разложения электролита
и внешних потерь напряжения в ванне равна 2,0 в.
321 Выход по току при электролитическом рафини-
ровании алюминия (с применением трехслойного метода)
рав'ш 96%, а напряжение на ванне = 6,5 в.
Какова величина удельных затрат электроэнергии на
1 т рафинированного алюминия?
322. За сутки работы магниевого электролизера на-
грузкой 50 ка получено 475 кг металла, содержащего
98,5% Mg. Среднее рабочее напряжение на ванне равно
7,0 в.
Рассчитать выход по току и удельный расход элек-
троэнергии для 100%-ного магния.
323. В цехе электролиза хлорида магния годовой
производительностью 10 тыс. т рафинированного магния
установлены электролизеры, работающие при нагрузке
50 ка со средним напряжением на ванне 6,4 в. Катод-
ный выход по току для магния при электролизе 86%.
«Угар» магния в процессе его рафинирования 3%. Ма-
шинное время работы электролизеров 0,95. Какое кол ri-
ses
чество магниевых электролизеров необходимо установить
в цехе? Какое напряжение будет на электролизной серии,
если все магниевые ванны цеха, в том числе и резерв-
ные, будут соединены последовательно? Принять потери
напряжения в главном и соединительных шинопроводах
равными 3% от суммарного напряжения всех работающих
ванн цеха.
324. Магниевый электролизер работает при катодной
плотности тока £>к — 0,70 а'см2 и анодной плотности
тока Оа = 0,50 а/см2; межэлектродное расстояние в ванне
равно 7 см; удельное сопротивление электролита при
температуре процесса р = 0,46 ом • см (проходную плот-
ность тока в электролите рассчитать, как среднюю гео-
метрическую от DK и Da).
Каково будет падение напряжения в электролите
ванны?
325. Анодные газы, получаемые с магниевого электро-
лизера, содержат 82 объемн. % С12 и 1,5объемн. % СО.
Анодный (для С12) и катодный (для Mg) выходы по току
равны 85%.
Каков удельный расход (на 1 т Mg) графитирован-
ных анодов на процесс их электрохимического окисле-
ния (без учета механического разрушения электро-
дов и наличия анодного скрапа), протекающего по
реакции
С + О2- —2гСО?
326. С натриевого электролизера нагрузкой 8000 а,
залитого расплавом едкого натра, за сутки получено
85 кг металлического натрия при среднем напряжении
на ванне 5,0 е.
Рассчитать выход по току и удельный расход электро-
энергии для полученного металла.
269
327. Напряжение разложения для расплава едкого
натра, используемого в качестве электролита при произ-
водстве металлического натрия, равно 2,25 в.
Чему равен теоретический расход электроэнергии
при получении металлического натрия в ваннах с таким
электролитом? С каким выходом по энергии работает
натриевый электролизер, имеющий рабочее напряжение
Ув = 5,0в и выход по току Вт = 52%?
328. Цех металлического натрия имеет 50 работаю-
щих электролизеров, каждый нагрузкой 8000 а; выход
по току для получаемого натрия Вт = 5296; потери элек-
тролита—едкого натра—составляют на всех операциях 5%
от его расхода на собственно электролиз.
Какова суточная потребность цеха в едком натре?
329. В цехе металлического натрия годовой произ-
водительностью 7,0 тыс. т металла установлены электро-
лизеры нагрузкой 18 ка. Ванны, залитые хлоридным
расплавом, работают при выходе по току Вт = 75?о и
среднем рабочем напряжении Кв = 7,0 в. Машинное вре-
мя работы электролизеров равно 0,94.
Сколько натриевых электролизеров необходимо уста-
новить в цехе? Каксе напряжение будет на последователь-
ной серии, в которую соединены все ванны цеха, в том
числе и резервные, если потери напряжения в главном
и соединительных шинопроводах составляют 2?6 от па-
дения напряжения в ваннах?
330. Электролитом в натриевом электролизере на-
грузкой 30 ка служит расплав хлоридов натрия и каль-
ция. Выходы по току для получаемых натрия и хлора
равны 75%; напряжение на ванне Кв = 7,0 в\ машинное
время работы электролизера f — 0,95.
Рассчитать годовую производительность электролизера
по металлическому натрию и хлору. Чему равен удель-
ный расход электроэнергии для получаемого натрия?
270
331. Натриевый электролизер с хлоридным электро-
литом эксплуатируется при катодной плотности тока
DK = 0,8 а! см- и анодной плотности тока Оа = 1,0 а!см2.
Межэлектродное расстояние равно 40 мм; удельное со-
противление электролита о = 1,52 ом~' • см~1.
Какова величина падения напряжения в электролите
ванны (проходную плотность тока в электролите рас-
считать как среднюю геометрическую от катодной и
анодной плотностей тока)?
332. Натриевый электролизер с хлоридно-натриевым
электролитом работает под нагрузкой 18 ка при среднем
напряжении Кв = 6,5в и выходе по току равнОхМ 75%.
Какое количество джоулева тепла выделяется за
1 ч в ванне?
Теплота реакции Na/M. +-4-CL-> NaCl . равна
95,6 ккал!моль (при расчете принять, что Na и С12 являют-
ся единственными конечными продуктами процесса).
333. При электролизе содово-хлоридного расплава с
жидким свинцовым катодом образуется тройной сплав
следующего состава: 9О?оРЬ; 9,25%Na и 0,75% калия.
Какова суточная производительность по тройному
катодному сплаву (в расчете на непрерывную работу)
электролизера нагрузкой 18 ка, если выход по току ра-
вен 90%? Каков удельный расход электроэнергии на
1 т тройного сплава при среднем напряжении на ванну
5,5 в?
334. В ванне нагрузкой 3000 а с электролитом—рас-
плавленным LiCl (с добавками)—за сутки получено 16,8 кг
металлического лития при среднем напряжении на ванне
7,1 в. Рассчитать выход по току и удельный расход
электроэнергии для полученного лития. Каков удельный
расход LiCl на 1 кг металла, если потери соли состав-
ляют 5% от ее расхода на собственно электролиз?
271
335. При электролизе расплавленной смеси из равных
количеств LiCl и СаС12 на катоде выделяется сплав, со-
держащий 75% металлического кальция и 25% лития.
Рассчитать: а) суточную производительность по ка-
тодному сплаву ванны нагрузкой 3000 а, если выход по
току для сплава равен 90%; б) выход по току для каж-
дого компонента полученного сплава; в) удельный расход
электроэнергии на 1 т литий-кальциевого сплава (сред-
нее напряжение на ванне равняется 9,1 в); г) количество
солевого расплава, которое нужно вводить ежесуточно в
ванну для восполнения расхода электролита на процесс
(потери электролита принять равными 5% от его расхода
на собственно электролиз); д) соотношение LiCl и СаС12
во вводимом солевом расплаве (рассчитывать по расходу
только на собственно электролиз).
336. Для получения свинцово-кальциевой лигатуры
может быть использован электролиз расплава хлоридов
кальция и натрия с жидким свинцовым катодом.
Какова суточная производительность электролизера
нагрузкой 2000 а: а) по кальцию и б) по полученной ли-
гатуре, содержащей 3,4% кальция, если выход по току
для кальция равен 75%?
337. В электролизер периодического действия нагруз-
кой 2000 а, залитый расплавом ВаС12 и КО, загружено
608 кг расплавленного свинца, являющегося жидким
катодом. После 48 ч электролиза на катоде получен
сплав свинца с 26% бария.
Рассчитать: а) выход по току для бария; б) количе-
ство ВаС12, которое необходимо ежесуточно вводить в
ванну для восполнения его расхода (принять потери
ВаС12 равными 5% от его расхода на электрохимическое
разложение).
338. В серии из пяти последовательно соединенных
электролизеров нагрузкой 500 а, залитых расплавом смеси
272
равных весовых количеств ВеС12 и NaCI, за сутки полу-
чено 6,5 кг металлического бериллия. Среднее напряже-
ние на серии 44 в.
Рассчитать: а) выход по току для бериллия; б) удель-
ный расход электроэнергии; в) количество ВеС12, которое
необходимо ежесуточно вводить в каждую ванну серии
для восполнения его расхода (потери ВеС12 принять рав-
ными 5% от его расхода на собственно электролиз).
339. Одним из способов получения металлического
титана является электролиз с твердым катодом расплава
смесей NaCI — КС1 — MgCl2 или NaCI — СаС!2 — ВаС12, в
ходе которого в расплав вводится в оптимальных ко-
личествах парообразный четыреххлористый титан TiCl4.
Какое количество титана может быть получено за
сутки с электролизера нагрузкой 10 ка, работающего с
выходом по току, равным 75%? С какой скоростью не-
обходимо подавать TiCl4 в работающую ванну, если
коэффициент его использования составляет 90%?
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Н. А. Измайлов. Электрохимия растворов. Изд-во Харь-
ковского ун-та, 1959.
2. Э. А. Менджерицкий, В. С. Багицкий. Научно-
исследовательские работы ВНИИТ, № 1, 94 (1960), М.
3. R. С. Kirk, А. В. Fry. Trans. Electrochem. Soc., 97,
277 (1948).
4. D. M. Smyth. G. Electrochem. Soc., 106, 635 (1959).
5. S. Hills. G. Electrochem. Soc., 108, № 8, 810 (1961).
6. В. H. Флёров. Ж. физ. хим., 37, № 8, 1733 (1963).
7. В. Н. Флёров, Ш. С. Щеголь, Л. В. Армейская,
Л. Г. Галкин. Ж- прикл. хим., 33, 2746 (1960).
8. В. И. Перельман. Краткий справочник химика. Госхим-
издат, 1963.
9. Прикладная электрохимия. Под ред. Н. П. Федотьева.
Госхимиздат, М.—Л., 1962.
10. В. В. Стендер. Прикладная электрохимия. Изд-во Харь-
ковского ун-та, 1961.
11. Л. С. Генин. Электролиз растворов поваренной соли.
Госхимиздат, М., 1960.
12. Ж. Биллитер. Промышленный электролиз водных ра-
створов. Госхимиздат, М., 1959.
13. В. И. Лайнер. Н. Т. Кудрявцев. Основы гальвано-
стегии. Ч. II. Металлу ргиздат, М., 1957.
14 А. Т. Баграмян, 3. А. Соловьева. Методы иссле-
дования процессов электроосаждения металлов. Изд-во АН СССР
М., 1955.
274
15. «Справочник химика». Т. III. Изд-во «Химия», М.—Л., 1964.
16. Г. Т. Бахвалов, Л. Н. Биркган, В. П. Лабутин.
Справочник гальваностега. Металлургиздат, М., 1954.
17. 10. В. Ба йм а ков, А. И. Ж У р и н. Электролиз в гид-
рометаллургии. Металлургиздат, М., 1963,
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Общая
И. П. Федотьев, А. Ф. Алабышев, А. Л. Роти ня н,
П. М. В я ч е с л а в о в, П. Б. Ж и в о т и н с к и й, А А. Галь-
нбек. Прикладная электрохимия. Госхимиздат, Л., 1962.
В. В. Стендер. Прикладная электрохимия. Изд-во Харьков-
ского ун-та, 1961.
В. Г. Хомяков, В. П. М а ш о в е ц, Л. Л. К У з ь м и н. Тех-
нология электрохимических производств. Госхимиздат, М.—Л., 1949.
Л И. Антропов. Теоретическая электрохимия Изд-во «Выс-
шая школа», М., 1965.
А. И. Левин. Теоретические основы электрохимии. Метал-
лургиздат, М., 1963.
В. В. С к о р ч е л л е тти. Теоретическая электрохимия. Гос-
хпмиздат, Л., 1963.
Н. А. Изгарышев, С. В. Горбачев. Курс теоретической
электрохимии. Госхимиздат, М.—Л., 1961.
С. Г лесс тон. Введение в электрохимию. ИЛ., 1951.
А. Н. Фрумкин, В. С. Багоцкий, 3. А. И оф а,
Б. Н. Кабанов. Кинетика электродных процессов. Изд-во МГУ
1952.
Л. М. Б а тун ер, М. Е. Поз н. Математические методы в
химической технике. Госхимиздат, Л., 1960.
С. Д. Бесков. Технохимические расчеты. Изд-во «Высшая
школа», М., 1962.
«Справочник химика». Под ред. Б. П. Никольского. Гос-
химиздат, М.—Л., т. I, 1963 г.; т. II, 1963; т. III, 1964.
G. Perry. Chemical Engineerings Handbook, III ed., Me. Grow-
Hill, N.-Y., 1950.
«Handbook of Chemistry and Physics». 37 ed. pt. II. Ch. D.
Hodgman, Cleveland, 1955.
«Справочник физических, химических и технологических величии».
Советская технологическая энциклопедия 1931 —1936
В. И. Перельман. Краткий справочник химика. Госхимиз-
дат, 1963.
275
К гл. II
М. А. Дасоян. Химические источники тока. Госэнергоиздат,
М.—Л., 1961.
В. С. Багоцкий, В. Н. Флёров. Новейшие достижения в
области химических источников тока. Госэнергоиздат, М.—Л., 1963.
И. В. Боровков. Химические источники тока. Л., 1958.
А. П. Окатов. Химические источники тока. Госхимиздат,
М.—Л., 1948.
Г. Г. Морозов, С. А. Гантман. Химические источники
тока для питания средств связи. Воениздат, 1949.
В. Г. Сочеванов. Гальванические элементы. Госэнергоиздат,
1951.
И. Г. Куликов. Аккумуляторы. Воениздат, 1958.
Дж. В айн ел. Аккумуляторные батареи. Госэнергоиздат,
1960.
К. Я. Грачев. Щелочные аккумуляторы. Госэнергоиздат,
1951.
Ф. Ф. Томашевский, А. Г. Гершман, Е. А. Шварц-
ман. Производство свинцовых аккумуляторов. Госэнергоиздат, 1956.
М. М. Константинов, Б. А. Герчиков, И. А. Се-
лиц кий. Производство свинцовых аккумуляторов. Госэнергоиздат,
1947.
М. Ф. Скалозубов. Активные массы электрических аккуму-
ляторов. Изд-во Новочеркасского политехнического ин-та, 1962.’
«Топливные элементы». Под ред. Г. Д. Янга. ИЛ, М., 1963.
К гл. Ill
В. В. Стендер. Электролитическое производство хлора и
щелочей. Госхимиздат, 1935.
Л. С. Генин. Электролиз растворов поваренной соли. Госхим-
издат, 1960.
Ж- Биллитер. Промышленный электролиз водных раство-
ров. Пер. с нем., Госхимиздат, 1959.
М. Е. Поз ин. Перекись водорода и перекисные соединения.
Госхимиздат, 1951.
У. Шамб, И. Сеттерфильд, Р. Вентворс. Перекись
водорода. ИЛ., 1963.
С. Я. Ф а й н ш т е й н. Производство хлора методом диафраг-
менного электролиза. Госхимиздат, 1964.
276
Л. М. Якименко. Электролизеры с твердым катодом для
производства хлора и каустической щелочи. Изд-во «Химия», 1965.
Е. Шумахер. Перхлораты. Госхимиздат, 1963.
К гл. IV
В. И. Лайнер, Н. Т. Кудрявцев. Основы гальваносте-
гии. Металлургиздат. Ч. I, 1953; Ч. II, 1957.
Д. Бартл, О. Мудрох. Технология химической и электро-
химической обработки поверхностей металлов. Машгиз, 1961.
Я. В. Вайнер, М. А. Да со ян, Оборудование, автомати-
зация и механизация цехов электрохимических покрытий. Машгиз,
1961.
В. Т е г а р т. Электролитическое и химическое полирование ме-
таллов. ИЛ., 1957.
В. И. Лайнер. Гальванические покрытия легких сплавов.
Металлургиздат, 1959.
Н. П. Федотьев, Н. Н. Бибиков, П. М. Вячеславов,
С. Я. Грнлихес. Электролитические сплавы. Машгиз, 1962.
«Электролитическое осаждение сплавов». Машгиз, 1961.
Н. Н. Бибиков. Осаждение металлов на токе переменной
полярности. Машгиз, 1961.
Л. Я. Поп ило в. Гальванопластика. Машгиз, 1961.
Б. Я. Казначей. Гальванопластика в промышленности. Рос-
гизместпром, М., 1955.
Г. Т. Бахвалов, Л. Н. Биркган, В. П. Лабутин.
Справочник гальвансстега. Металлургиздат, 1954.
Я. В. Вайнер, М. А. Дасоян, Д. Я. Дринберг,
А. А. Тарасенко И. И. Хайн. Справочник по защитно-деко-
ративным покрытиям. Машгиз 1951.
К гл. V
Ю. В. Ба йм а ков, А. И. Ж у р и н. Электролиз в гидро-
металлургии. Металлургиздат, 1963.
В. И. Смирнов. Металлургия меди и никеля. Металлург-
издат, 1950.
А. А. Цейдлер. Металлургия никеля. Металлургиздат, 1947.
Ф. М. Лоскутов. Металлургия свинца и цинка. Металлург-
издат, 1956.
О. Е. Звягинцев. Аффинаж золота, серебра и металлов
платиновой группы, Металлургиздат, 1945.
277
Производство селена и теллура. Металлург.
Д. М. 10 х т а н о в.
издат, 1955.
И. II. Плаксин, Д. М.
Металлургиздат, 1949
В. Г. А г е е н к о в, И. А.
гия водных растворов (расчеты).
О. К у д р а, Е. Г и т м а и.
10 х т а н о в. Гидрометаллургия,
Каковски й. Электрометаллур-
Металлургиздат, 1947.
Электролитическое получение ме.
Киев, 1952.
таллпческих порошков. Изд-во АН УССР,
К гл. VI
А. И. Беляев. Металлургия легких металлов. Металлург-
издат, 1954.
А. И. Беляев, М. Б. Р а п п о и о р т, Л. А. Ф и р с а и о в а.
Электрометаллургия алюминия. Металлургиздат, 1953.
С. И. Кузнецов, А. М. Эпштейн. Электролитическое
производство алюминия. Металлургиздат, 1953.
В П. Машовец, Г В. Форс б л ом. Электролитическое
производство алюминия. Металлургиздат, 1951.
В. М. Г у с ь к о в. Электролитическое рафинирование алюминия.
Металлургиздат, 1945.
X. А. Стрелец, A. IO. Тайн, Б. С. Г у л я н и ц к и й.
Металлургия магния. Металлургиздат, 1950.
Н. А. Доронин. Металлургия кальция. Атомиздат, 1959.
Ф. И. Шам рай. Литий и его сплавы. Изд-во АН СССР, 1952.
В. В. К р и в о р у ч е н к о, М. А. Коробов. Тепловые и
энергетические балансы алюминиевых и магниевых электролизеров.
Металлургиздат, 1963.
ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ
Глава II
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
29. 12,0г. 30. 2,2 а • ч. 31. 25,2%. 32. 19,0 г. 33. 3,49 а • ч.
34. 62,7 а • ч. 35. 10,7 г. 36. 4,37 а • ч. 37. А = 82,9%; Дре =
= 17,1%; Q = 4,72 а-ч. 38. §п = 97,6 кг-, т = 6,79 г/а • ч
39. §= 1073 г. 40. 26,8 г. 41. 1,28 а-ч. 42. К*,сп = 127,0%;
^исп = 63>5%- 43- 67-7%- 44- gZn= 1,98 кг; §2пО = 5,93 кг\ §Смз =
= 1,59 кг. 45. Ансп = 66,5%; шсм = 8,4 г/а • ч. 46. 69,1%. 47. =
= 500 г; v. = 2,66 л. 48. 75%. 49. 152 мл. 50. 166,5 г. 51. Кнсп =
= 84,5%; Дд г =24,9%; Д =75,1%. 52. 77,2%. 53. А. 155г..
AgCI KsSjOa »
Б. 88,7 г. 54. 32,9 л в сутки. 55. g± = 105,8 кг; g_ = 134,5 кг;
К™п=54,5%; К^сп= 13,35%. 56. VHa„ = 0,754 в- VKOH = 0,439 e
57.58,5 а-ч. 58. = 1,045 л; и =11,5 л; цОбщий = 12,545 л.
59. Для батареи: Qv = 6,1 а-ч/л; Qg = 3,64 а-ч/кг; = 36,6 вт-ч/л;
№„ = 21,84 вт-ч/кг; в расчете на одиночный аккумулятор: Qv =
= 18,3 а • ч/л; <2^= 10,93 а • ч/кг. 60. Qv = 33,1 а • ч/л; Qg =
= 16,35 а • ч/кг; №^ = 39,1 вт • ч/л; №„ = 19,3 вт-ч/кг. 61. Qd =
= 64,5 а • ч/л; Q„ = 35,6 а • ч/кг; №^ = 71,0 вт-ч/л; №^ =
= 39,2 вт-ч/кг. 62.&Для батарей: Qv = 0,933а-ч/л; Qg = 0,612 а-ч/кг;
Wv = 72,8 вт - ч/л; №^ = 47,7 вт - ч/кг; в расчете на одиночный
элемент: Qz, = 65,2 а-ч/л, 9^ = 42,8 а-ч/кг. 63. В начале разряда:
Nv = 553 вт/л; Ng — 257 вт/кг; в середине разряда: Nv = 467 вт/л;
N= 217 вт/кг; в конце: Nv = 162 вт/л; Ng = 75,2 вт/кг. 64. 13,12 ч
279
65. 1т = 69,7%; ?э = 52,3%. 66. ь = 69,2%; 7э = 50,0%. 67. 7т =
= 99,5%; 7Э tx 83,7%. 68. 7Э = 78,8%. 69.— 1,32в. 70. Еа = 1,379в;
Еб=1,153в. 71. Еа = 1,188в; Еб= 1,094 в; Ев = 1 ,039 в; Ег =
= 1,002 в; Ед = 0,901 в; равновесный потенциал реального электро-
да определяет реакция (д). 72. 9,1 мв. 73. При 18°С: ДГ8 = 74,Зл!в,
ДУ4 37,2 мв; при —5°С: Д|/8 = 154 мв, /ЬУ^ — Пмв. 74. /?а =
= 0,010 ом; Rq ~ 0,018 ом. 75. ПндЧ = 8,27 в; VKJoHI=x2,33 в.
76. Изменение термодинамических функций, рассчитанное: а) по эк-
dE
спериментальным величинам Е и *-^уг: для реакции (1) ДФХ =
= — 73,3 ккал/моль; Д/Л = — 75,6 ккал/моль; Д51 —
=— 7,75кал/град-моль; для реакции (2): ДФ2 = —84,4ккал/моль;
&Н2 =—83,6 ккал/моль; Д52 = 2,63 кал/град-моль; б) по таблич-
ным данным: для реакции (1): ДФ1 = — 73,46 ккал/моль; ДН| =
= — 75,87 ккал/моль; Д^ = —8,08 кал/град-моль; для реакции
(2): ДФ2 = — 83,84 ккал/моль; ^Н2~ — 87,32 ккал/моль; Д32 =
= — 11,7 кал/град-моль. Значительное несовпадение величии ДЙ и
ДЕЭ, рассчитанных для реакции (2) из электрохимических характе-
ристик аккумулятора и из табличных данных, свидетельствует о
более сложном протекании процесса на этой электрохимической ста-
дии, чем это выражается реакцией (2). 77. Изменение термодинами-
ческих функций, рассчитанное: а) по экспериментальным величинам
Е и “jyr : ДФ1 =— 94,1 ккал/моль; /ЬН^ —— 75,4 ккал!моль;
Д5Х = 62,7 кал/град-моль; б) по табличным данным: ДФ2 =
= — 94,14 ккал/моль; АН2 = — 75,7 ккал/моль, Д52 =
= 61 ,84 кал/град• модь. 78. Еа = 1 ,17 в; Еб=1,Н5в, Ев = 0,891 в;
Ег=1,415в; Ед==1,42в. Э.д.с. - определяющими реакциями могут
быть реакции (г) и (д). 79. 32,4°С. 80. Q* = 7,17 кал; Q& = 40.2 кал.
81. 54,2 кал; — 111 ,5кал. 82. Q* = 49,1 ккал; (^=81,4 кхал.
83. QjJ = 5,03 ккал; — 1,59 ккал; Q* =*= 0,945 ккал.
Глава III
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БЕЗ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
113. 68,8 г/л. 114. г>н =8,27 нм*/ч; £н = 0,744 кг/ч; t>cJ =
= 7,95 нм3/ч; g = 25,2 кг/ч; g = 28,3 кг/ч; цЩСл = 202 л/ч.
С1д JNdUrl
28Q
115. CNaCi = 166 г/л; Xp = 55,2%; До = 0,85. 116. 107 л/ч-
117. irN = 2400 кет-= 2700 квт-ч1т. 118. 258 г/i-
119. 0,359 в. 120. £n oii = 42,9 кг/ч; = 1,082 кг/ч; =
= 38,2 кг/ч; иЩС1 = 65 л/ч; §щСЛ = 95,8 кг/ч; gHQ = 52,9 кг14'
fpacco.ia = 26,2 л/лши. 121. gpT = 317 кг/мин или 23,5 л[мин.
122. Вт = 95,8%; 1Г „„ = 3230квт-ч]т\ W = 3630 кет ч}т.
NaOH С12
123. 121 ч. 124. 0,487 в. 125. И? =2160 кв/п • ч/m; W„, =
__ NaOH CI 2
= 2430 кет • ч/т. 126. 33 600 ккал/ч. 127. 401 л/ч • м2. 128. Вт =
= 91,8%; Wg =* 1890 кет • ч/т. 129. иэ = 765 л/ч; ия = 15,3 л/ч.
130. 33 400 ккал/ч. 131. Вт = 99,2%; =5,43 кв/?г-ч/я,и3 Н2;
= 13,65 т или 9550 нм3. 132. 525 «г/ч/133. 1,01 млн. ккал/ч.
134. 400 ванн. 135. 84%. 136. [H2SO4] = 260 г/л; [(NH4)2SO4] =
= 213,5 г/л. 137. иэ = 782 л/ч; [H2SO4] = 192,5 г/л; [(NH4)2SO4] =
= 55,5 г/л. 138. 135,5ял13/ч. 139. 12 500 квт-ч/т. 140. иэ= 1085л/ч;
[H2SO4] =31,3 г/л; [(NH4)2SO4] = 227,9 г/л. 141. иэ = 52,1 л/ч;
UZg = 6,72 кет-ч/кг; /п = 5,35 кг NaCI. 142. т = 273 ч; [NaC103] =
= 408 г/л; gNaCI0 = 251 кг\ Wg = 5,73 квт-ч/кг; /?zNaC1 =0,757 кг.
143. Вт = 84,8%; Wg = 7,3 кет-ч/кг; [NaCI] = 186 г/л. 144. унач =
= 371 л/ч; иКон = 324 л/ч; U7g = 7,12 кет-ч/кг; [NaCI] = 175 г/л.
145. Вт = 82,2%; Wg = 3470 квт-ч/т. 146. т = 148 ч; [NaClO4] =
= 823 г/л; Wg = 3000 квт-ч/т. 147. Перборат = 8030 кг в месяц;
£бура —41,5 яг; 117^=3610 квт-ч/т. 148. т = 27,1 ч; [K4Fe(CN)6] =
= 45,2 г/л; Wg = 271 квт-ч/т. 149. т = 48,4 ч; Wg = 948 квт-ч/т;
[КОН] = 195,5" г/л. 150. Вт = 53,6%; =163 кг; Wg =
= 980 кет-ч!т\ [КОН] = 196,7 г/л; Вв = 91,2%. ‘151. о = 76,2 кг
в сутки; Wtr= 1515 кет • ч{т\ т = 84,5 ч. 152. инач Ю,75 л/ч;
£СгО =1,27 кг 1ч; U^g = 3,31 кет • ч/кг; [Cr2(SO4)3] = 26,4 г/л;
[СгО3] = 127 г/л; [H2SO4] = 455,5 г/л. 153. Вт = 87,6%; Wg =
= 1930 квт'Ч/т. 154. 45,7 кет-ч1т. 155. g = 28,3 кг в сутки;
Wg= 1760 кет • ч/т; vQQ =33,5 л/ч. 156. Вт = 62,1%; Wg =
= 15200 кет • ч/т. 157. Вт = 52,8%; Wg = 17 500 кет • ч/т.
158. 26 ванн.
281
Глава IV
ГАЛЬВАНОТЕХНИКА
194. 32,2 мин. 195. g = 3,08 г; 6 = 16 мк. 196 Вт = 92%; / =
— 2,11 а. 197. та = 37,9 мин; = 25 мин. 198 т = 18,8 мин;
Ws = 0,940 квт-ч/м2; Вт = 40% 199 g = 1097 г/м2; 6 = 157 мк.
200. та 30,5 мин; тб = 8,25 мин. 201. Вт = 90,5%; = 167 мл;
о=108 мк. 202. g =20,0 г; -г = 235 мин; tn =315 г/м2.
6 Си Ag
203. т = 22,5 мин; т = 0,579 г/дм2. 204. Вт = 30,6%; 6 = 7,07 мк.
205. 47 600 м2 в год. 206. п = 4; К3 = 0,847. 207. L = 4,58 м;
тп = 2,3 мин; $и = 298 м2 в сутки; / = 2220 а. 208. L = 4,8m;
тп = 2,9 мин; Sn = 157 м2; /= 1510а. 209. и = 2,90 м/мин; Р =
= 1,745- 107 м в год; / = 965 а. 210. 26,4 м. 211 т = 6\,\г/м2
покрытия; £Сг0 =566 г/ч. 212. т = 102,1 г/м2; рразл = 97,0%.
213. tn = 12,14 г/м2; рраз1 = 74,2%. 214. 77,1 г/м2. 215. $а = 1280 м2;
$6 = 2560 м2. 216. 11575 ч. 217. 42,1 мин. 218. 2,48 ч. 219. 15 мин.
220. 74,7%. 221. 93,8%. 222. Д/^ = 30,4%; Д/Рв =69,6%. 223.
/Zn~90 а*» /С)П~ 510а. 224. 52,3%. 225. 1215 загрузок. 226. 79%.
227. В? = 60,7%; В® = 32,3%; В“ = 7,0%. 228. 4,05мк. 229. 18,44мк.
230. 1F = 667квт-ч/м2-, исм = 6,27 л/мин. 231. 89,7%. 232. 0,445 об/ч.
233.172 ч. 234. 13,7%. 235,—14,8%. 236.— 1,24 в. 237. 0,2046 ож"1 х
Хсж"1. 238. AVa =0,875 в; AV6= 1,315 в. 239. 8,11 в. 240. 5,17в.
241. 11,6 в. 242. 2220 ккал/ч. 243. 6430 ккал/ч. 244. 2320 ккал/ч.
245. $мин = 550 мм2.
Глава V
ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
262. Вт = 94,6%; Wg = 260 квт-ч/т. 263. 91,8 кг. 264. g =
= 313 кг; 6 = 37,4 мм. 265. Д [CuSO4 • 5НоО] = +0,665 г/л;
A[H2SO4] = —0,261 г/л. 266. [CuSO4] = 62,5 г/л; [H2SO4] =
= 174,8 г/л; =2,03 нм3/ч. 267. т«25,6 суток; g= 188,5 кг.
268. [Си2+] = 242,6 г/л; [H2SO4] = 37,1 г/л; Wg = 2430 квт-ч/т.
269. п = 32 ванны; №\.= 1860 квт-ч/т; тан = 27,5 ч; [Си2+]кон =
= 13,5 г/л; [H2SO4]KOh = 127,7 г/л. 270. g = 82,5 кг; 6 = 15,2 мм;
U7g=113 квт-ч/т. 271. g = 5,l кг; т = 4,27 ч; = 956 квт-ч/т.
282
272 ^а = 7,62 <</; z’6= 10,45 л/ч. 273. 49,2 г/л. 274. ~ 19 ч.
275. 39,6 кг. 276. g = 236 кг; 6 = 41,6 мм. 277. 1,52 в. 278. - 61,2 С.
279. 2650 квт-ч,т. 280. #ан — 8,56 кг/ч; g^=6,5 кг/ч; g$ =
= 2,26 кг/ч; т 550 ч; Wg- 3410 квт-ч/т. 281 /ц = 645 ванн;
п2 = 5 cepifii; ПЛг -3470 квт-ч/т. 282. g^8,6 кг; 6=1,84 мм.
283. 0,76 об/ч 284. Д = 5,2%; g = 607 кг; с =1,94 нм2/ч.
МпО2 О2
285. 0,275 в 286. 8600 ккал/ч. 287. QT = 8840 ккал/ч; т[10 =
= 0,803 мл/ч; mUiQ = 60,8 м2/т Zn. 288. £а = 2,022 в; Ес = 2,132 в;
Ев— 1,654 в; 117 а = 1655 квт-ч/т; U76 = 1745 квт-ч/т; U7B =
= 1355 квт-ч/т. 289. = 553 л/ч; Wg=-3?>76 квт-ч/т. 290. т =
= 118 ч; [H.,SO4] = 167,3 г/л. 291. 6 = 0,23 мм; g=l,31 кг;
Ws= 1410 квт-ч/т. 292. ^ = 5,82 кг; gQ^ =11,2 кг; Wg =
= 92,8 квт-ч/кг хрома. 293. ^ = 31,0 кг; U7 = 17,4 квт-ч/кг
294. 77,5%. 295. 91,0% 296. 1,81 в. 297. ^ = 10,7 т; W =
= 512 тыс. квт-ч; gty =5,4 т; Dy =0,9 а/мм2.
А1 А1
Глава VI
ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВЛЕННЫХ СРЕД
317. g=163 т; Wg = 16 100 квт-ч/т. 318. т = 338 ч; т =
= 0,683 т/т AI. 319 141 000 ккал/ч. 320. 199 тыс. ккал.
321. 20200 квт-ч/т 322. Вт = 85,8%; Wg^\S тыс. квт-ч/т
323. /г = 64 ванны; V = 422 в. 324. 1,91 в. 325. 9,04 кг/т Mg.
326. Вт = 51,5?G. Wg ж 11 300 квт - ч/т Na. 327. U7TCOp =
= 2620 квт-ч/т Na; Вэ = 23,4% 328. 7,8 т. 329. п = 74 ванны;
V = 528 в. 330. gNa = 161 т; g^ = 248 т; Wg=. 10 850 квт-ч/т Na.
331. 2,36 в. 332. 52 500 ккал/ч. 333. g = 3,45 т в сутки; Wg =
= 690 квт-ч/т 334. Вт = 90,0%; Wg = 30 450 квт-ч/т Li; т =
= 6,41 кг/кг Li. 335. gcni = 32,9 кг в сутки; В^1 = 44,1%; В^а =
= 45,9%; Wg = 19900 квт-ч/т сплава; gpacn.i = 124,5 кг; р =
= 42,3%; РСаС12 = 57,7о'о 336. ^ = 26,9 кг; g.1Hr = 791* кг
337 Br = 87%;2 =170,5 кг* 338. Вт = 64,5%; Wg =
= 81,2 квт-ч/кг; о = 12,1 кг. 339. Q =80,3 кг; g = 14,75 кг/ч
ВеС12 Ti TtCL
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложенае 1
Атомные веса некоторых элементов
Элсмен» Хими- ческий символ Атомный вес Элемент Хими- ческий символ Атомный вес
Азот . . . N 14,0067 Медь . . . . Си 63,54
Алюминий А1 26,9815 Молибден . . Мо 95,94
Барий . . . Ва 137,34 Мышьяк . . As 74,9216
Бериллий Be 9,0122 Натрий . . . Na 22,9898
Бор .... В 10,811 Никель . . . Ni 58,71
Бром . . . Вг 79,909 Олово . . . . Sn 118,69
Висмут . . Bi 208,980 Палладий . . Pd 106,4
Водород . . Н 1,00797 Платина . . . Pt 195,09
Вольфрам W 183,85 Ртуть . . . . Hg 200,59
Галлий . . Ga 69,72 Свинец . . . Pb 207,19
Германий Ge 72,59 Селен . . • . Se 78,96
Железо . . Fe 55,847 Сера . . . . S 32,064
Золото . . Au 196,967 Серебро . . . Ag 107,870
Индий . . . In 114,82 Стронций . . Sr 87,62
Иод . . . I 126,9044 Сурьма . , . Sb 121,75
Кадмий . . Cd 112,40 Таллий . . . T1 204,37
Калий . . К 39,102 Теллур . . . Те 127,60
Кальций . . Ca 40,08 Титан . . . . Ti 47,90
Кислород 0 15,9994 Углерод . . . C 12,01115
Кобальт . . Co 58,9332 Фосфор . . . P 30,9738
Кремний Si 28,086 Фтор . . . . F 18,9984
Литий . . . Li 6,939 Хлор . . . . Cl 35,453
Магний . . Mg 24,312 Хром . . . . Cr 51,996
Марганеи Mn 54,9381 Цинк . . . . Zn 65,37
284
Приложение '2
Электрохимические эквиваленты простых веществ
Элемент Символ И вменение вален I носiи 1 7 г/а • ч 1 племен I Символ Изменение валенiнос ги q г/a • ч
Алюминии AI 3 0,3355 Мышьяк As 3 0,932
Барин Ва 2 2,56 Натрий Na 1 0,858
Бериллий Be 2 0,168 Никель Ni 1 2,19
Бром Вг 1 2,98 2 1,035
Водород И 1 0,0376 Олово Sn 2 2,21
Вольфрам W 6 1,143 4 1,105
Железо Fe 2 1,042 ' Палладий Pd 2 1,985
3 0,695 Платина Pt 4 1,82
Золото Au 1 7,35 Ртуть Hg 1 7,70
3 2,45 2 3,35
Индий In 3 1,427 Свинец Pb 2 3,87
И од I 1 4,73 Сера S 4 1,935
5 0,946 2 0,600
Кадмий Cd 2 2,10 Серебро Ag 1 4,025
Калий К 1 1,459 2 2,012
Кальций Са 2 0,747 Сурьма Sb 3 1,515
Кислород О 2 0,298 Титан Ti 5 0,909
Кобальт Со 2 1,099 4 0,446
Литий Li 1 0,259 Фтор F 1 0,709
Магний Mg 2 0,454 Хлор Cl 1 1,325
Марганец Мп 1 2,05 2 0,662
2 1,025 6 0,2207
4 0,512 Хром Cr 3 0,647
7 0,293 6 0,323
Медь Си 1 2,37 Цинк Zn 2 1,22
2 1,185
285
Приложение 3
Нормальные электродные потенциалы в водных растворах
при 4- 25 С
(по отношению к нормальному водородному электроду)
Потен циалопрсдсляющая реакция «Po, 6
Ag+ + 7^ Ag 4-0,799
AgCl J- 7^ Ag-J-Cl" 4-0,222
2AgO 4 H2O 4-27^ Ag .0 4- 2OH' 4-0,57
Ag.,0 -i- H2O + 27vt 2Ag -1 2OH- 4 0,314
Al3+ 4- 37<> Al -1,67
HAsO2 4- 3H+ 4- З7ч± As 4- 2IL.0 4-0,2475
Au(CN)^" 4~ Au 2CN" -0,60
Ba2b 4-2?^ Ba —2,90
Ca21- -J- 2e Ca —2,87
Cd2+ 4-27^ Cd —0,402
Cd(CN)*- + 27^ Cd + 4CN- -0,90
Cd(OH)2 + 2e Cd + 2OH- —0,809
CdO + H2O + 27ч± Cd + 2OH-
Cl2 + 27ч±2С1- 4-1,359
C1O- + H2O -Г 27ч± Cl- + 2OH- 4-0,94
HCIO + H+ + 2e Cl- + H2O 4-1.49
C1O^-+6H+ + 6F^C1- + 3H2O 4-1.45
286
Продолжение
Погелциалопределяющая реакция ?о» в
СЮ7 + Н2о + 27 CIO^ + 2ОН- Со2+ + 27^ Со Сг31' + 37ч±Сг Сг..о^~ + 14Н+ + 6?Ч± 2Сг3+ + 7Н2О Cu2t + 27^ Си Си4 + е 5± Си Cu2t 4-7^Си+ CuCl 4-7^ Си -hCI- Си21 -LCI- + 7?±СиС1 2Си(ОН)2 4-27^ Си,0 + 2ОН- + Нг9 2СиО + Н»О 4- 2ё Си2О 4- 2ОН" Си(ОН), + 27ч* Си 4- 2ОН- СиО 4- Н2О 4- 2е1* Си 4- 2ЭН* Си2О 4- Н2О 4-27ч± 2Си 4-2ОН" F24-2e+t2F- Fe2+ 4- 27ч* Fe Fe3+ 4- З7ч> Fe Fe(CN)|“ 4-7 Fe(CN)g— Fe(OH), 4-_2e\* Fe 4- 2ОЦ- Fe(OIJ)3 4-e Fe(OH)24- OH* 2H+ 4-27^ H2 2H2O 4- 27^ H2 + 2OH- +0,17 -0,277 -0,71 + 1,36 +0,345 + 0,522 +0,167 +0,124 +0,566 -0,080 -0,165 -0,224 -0,257 -0,358 +2,85 —0,44 -0,036 +0,36 -0,877 -0,56 0,0 —0,828
287
Продолжение
Потенциалопределяющая реакция ?(H
HgO + Н,0 + Hg + 2ОН- +0,098
In3+ 4- In +0,342
I2 + 2?^ 21- +0,5345
2107 + 12н+ + 10^ к +6Н2О + 1,195
К+ + Г^К —2,92
Li+ + е Li -2,96
Mg2+ + 27^ Mg —2,34
MnOf -f 7«t MnO2- +0,54
MnO2 + 4H+ + 27?>Mn2+ + 2H2O 4-1,28
Na+ 4- Na —2,71
Ni2+ 4-27?tNi -0,25
NiO2 + 2H2O + 2e& Ni(OH)2 4- 20 H" +0,49
O2 + 4H+ + 4~^2H2O +1,229
02 + 2H2O 4- 4T?s 40H- +0,401
Pb2+ 4- 2?5± Pb —0,126
PbO2 4- 4H+ 4- 2Гч* Pb2+ 4- 2H2O + 1,46
PbO2 4- S0^~4- 4H+ 4- 27PbSO4 4- 2H2O + 1,67
PbSO4 4- 2Г^> Pb 4- SO42- -0,35
S2O82- 4-27^2SO2“ +2,0э
2HSO7 4- 2H+4- 27S2O2“ 4- 2H2O 0,0
288
Продолжение
Потен циалопределяющая реакция <Г0, в
Sn2+ 4-27«*Sn —0,136
HSnO7 + Н.,0 + 27 ч* Sn + ЗОН- -0,79
Sn(OH);?- +27ч±Н5пО2-+ЗОН- + Н2О —0,96
Zn2+ + 2~+± Zn -0,76
Zn(CN)^- 4- 2?ч* Zn 4- 4CN” — 1,26
Zn(OH)2“ 4- 27чЬ Zn 4- 4ОН- — 1,216
Zn(NH3)*+ 4- 27 ч± Zn 4- 4NH3(b) — 1,03
Приложение 4
Плотность некоторых металлов
Металл d, г/слС Металл d, г'см3
Алюминий . . . 2,7 Магний . . . . 1,74
Барий 3,78 Марганец . . . 7,42
Бериллий .... 1,84 Медь 8,9
Ванад in 5,69 Натрий . . . . 0,971
Висмут 9,75 Никель . . . . 8,9
Вольфрам .... 19,0 Олово 7,3
Железо 7,8 Палладий . . . 12,16
Золо го 19,3 Платина . . . . 21,37
Индий 7,3 Ртуть 13,5
Кадмий 8,65 Свинец 11,3
Кал 1Й 0,87 Серебро . . . . 10,5
Кальций .... 1,55 Титан 4,5
Кобальт 8,71 Хром 7,0
Литий 0,531 Цинк 7,14
289
Термодинамические функции
Вещество ДФ ккал/моль АН ккал/моль S кал 'граох Хмоль ЛНР при растворе- нии и разбав- лении, ккал/моль
Ag (тв) 0 0 10,2 —
AgCl (тв) —26,22 —30,36 22,97 —
Ag2O (тв) -2,59 -7,3 29,09 —
AgO (тв) 4-2,6 —3,15 — —
А12О3 (тв) -376,8 —399,1 12,19 —
Cd (тв) 0 0 12,3 —
Cd(OH)2 (тв) -112,46 -133,26 22,8 —
СгО3 (тв) — —136,0 — —2,45
СгО3-Н2О (тв) -178,5 —213,3 17,5 —
Си (тв) 0 0 7,96 —
Си2О (тв) -34,98 —39,84 24,1 —
СиО (тв) -30,4 -37,1 10,4 —
Си(ОН)2 (тв) -85,3 — 107,2 — —
Нг(г) 0 0 31,21 —
HCI (г) -22,77 —22,06 44,64 -17,0
Hg (ж) 0 0 18,5 —
HgO (красн.) -13,99 —21,68 17,2 —
Н2О (ж) -56,69 —68,32 16,72 —
H2SO4 (ж) -177,31 — 193,91 4,1 -17,0
Mg (тв) 0 0 7,77 —
MgCI2 (тв) -141,57 —153,4 21,4 -34,0
MgO (тв) — 136,13 —143,84 6,4 —
Примечание. Величины изменения энтальпии при растворении
приводятся
290
Приложение 5
некоторых веществ (при 25° С, 760 мм рт. ст )
Вещество ДФ ккал>моль А/7 ккал моль S ккал граду. \МСЛ'- Л"р при раство- рении и раз- бавляй ни, ккал моль
МпО (тв) -86,8 —92,0 14,4 —
Мп(ОН)2 (тв) -145,9 —165,8 21,1 —
Мп2О3 (тв) —212,3 —232,1 22,1 —
Мп(ОН)3 (тв) -179 —189 22,2 —
МпО2 (тв) —111,4 — 124,5 12,7 —
MnSO4 (тв) —228,48 —254,24 26,8 -13,7
NaCl (тв) -91,78 -98,2 17,3 +0,46
(NH4)2SO4 (тв) —215,19 —281,9 52,65 + 1,5
(NH4)2S2Os (тв) — -396,4 — +-8,6
Ni(OH)2 (тв) -108,3 — 128,6 19 —
Ni(OH)3 (гв) -129,5 — 162,1 19,5 —
О2 (г) 0 0 49,0 —
РЬ (тв) 0 0 15,5 —
РЬО2 (тв) —52,34 -66,12 18,3 —
PbSO4 (тв) — 193,89 —219,5 35,2 —
Zn (тв) 0 0 9,95 —
ZnO (тв) —76,05 -83,17 10,5 —
Zn(OH)2 (тв) — 132,6 — 153,5 19,9 —
ZnSO4 (тв) —208,31 —233,88 29,8 -18,0
ZnSO4-7H2O (тв) —611,9 1 1 —735,1 92,4
растворов, которые
и разбавлении взягы для тех концентраций
в задачах.
291
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.............................................. 3
Основные условные обозначения ........................... 5
Глава /. Электрохимическая терминология, используемая в
расчетах ................................................ 9
Г лава II. Химические источники тока.................... 25
Глава III. Электролиз водных растворов без выделения ме-
таллов ................................................. 89
Глава IV. Гальванотехника ............................. 144
Глава V. Гидроэлектрометлтлургия ...................... 203
Г лава VI Электролиз расплавленных сред................ 244
Использованная литератора ............................. 274
Рекомендуемая литература .............................. 275
Приложения ............................................ 284
сборник
задач
В. И ФЛЕРМВ
по прикладной
зпектрохимиа