Termiz muhandislik-texnologiya instituti

4-rasm. Temirbetondan yasalgan vannaning yon (а) va old (б) tomondan qirqimi.
1. Elektrolitni to‘kish uchun mo‘jallangan o‘yiq; 2. Elektrolitni quyish uchun mo‘ljallangan nov; 3. Аnod; 4. Каtod; 5. Каtodni osish uchun mo‘ljallangan temir tirgak.

2.4. Elektroliz jarayonida misning ta’siri
Agar elektrolit eritmasiga tushirilgan tokuzatkich orqali mis anodiga musbat tok berilsa, katodga esa manfiy zaryad bog‘lansa, elektr zanjiri tutashadi va elektrolit hajmidan tok o‘tadi. Bunda anodda quyidagi jarayonlar yuz beradi:
1) metall ionining anoddan ajralib chiqib, ortiqcha elektronni tashqi zanjirga o‘tishi kechadi:
Su ↔ Su²⁺ + 2e (7.13)

2) SuH₂O²⁺ kationining gidratatsiyasi (metall ionining eritmada suv molekulasi bilan bog‘lanishi);

3) kationning eritmaga o‘tishi.
Katod jarayoni quyidagi bosqichlardan iborat:
1) Kationning eritma hajmidan katod yuziga o‘tishi;
2) Kationning elektron yordamida tiklanishi:

Su²⁺ + 2e = Su^o; (7.14)

3) Metall atomining katod kristallik tuzilishiga qo‘shilishi.
Bunday sxemada mis anoddan erib, katod listiga yopishadi va katod eni o‘sib boradi. Suratda ko‘rsatilganidek (7.6-rasm), toza olingan 99,99% li misli katod tasmalar orqali bog‘lanib, sotuvga chiqariladi.



2-rasm. Sotuvga tayyorlangan 99,99% li misli katod.
Jarayon davrida elektr quvvati elektrolitning shina va kontakt­lari qar­shiligini bartaraf qilish uchun sarflanadi. Faradey qonuniga binoan, katodga o‘tadigan metalning gramm-ekvivalenti zanjirdan o‘ta­digan elektr tokiga bog‘liqdir. Bir gramm-ekvivalent metalni o‘tkazishga 96500 Kulon elektr toki sarflanadi yoki 96500 : 3600 = 26,8 A-soat.
Katodda 1A-soat tok yordamida o‘tkaziladigan metall massa shu metal­ning elektr kimyoviy ekvivalenti deb ataladi.
Eritmadan 1A soat elektr toki o‘tsa, katodda 31,78:26,8 =1,186 g mis yopishadi. Gramm ekvivalent deb grammda o‘lchangan metall atom massasining valentligiga bo‘linganligiga aytiladi. Masalan, ikki valent­li misning gramm-ekvivalenti quyidagiga teng: 63,56:2=31,78 g.
Amaliyotda katodda o‘tiradigan metalning massasi ushbu ko‘rsatil­gan raqamdan kamroqdir. Amaliy metall massasining nazariy olish mumkin bo‘lgan massasiga nisbati har doim birdan kam bo‘ladi va foiz orqali belgilanadi. Bu nisbiylik tokdan chiqish deb aytiladi.
Metallik mis mavjudligida, mis sulfat eritmasida ikki va bir valentli mis oralig‘ida muvozanat bo‘ladi:
SuSO₄ = Su + 2SO₄ (7.15)

Anodda bir valentli misning paydo bo‘lishi tokdan chiqishni ko‘paytiradi, chunki misning elektrokimyoviy ekvivalenti 2,374 g ga teng va ikki valentli misning ekvivalentidan ikki marta ko‘proqdir. Afsuski, bir valentli mis eritmada mustahkam emas va quyidagicha ajraladi:

2Su+ = Su²⁺ + Su (7.16)

Bu reaksiyaning o‘zgarmas doimiysi quyidagicha:

K = [Su⁺]² / [Su^2+] = 0,62 ·10^-6

Boshqa so‘z bilan aytganda, bir valentli misning miqdori ikki valentli mis miqdoriga nisbatan taxminan 60000 marta kamroqdir.

Nordon eritmalarda misning bevosita erish jarayoni ham boradi:

Su + H₂SO₄ + 0,5O₂ = SuSO₄ + H₂O (7.17)

Bevosita misning erishi elektrolitning sirtiga o‘tadi, chunki u yerda sistema atmosferada kislorod bilan kontaktda bo‘ladi. Bu jarayon elektrolitni ortiqcha misni boyitishga olib keladi va maxsus choralar bilan normal holatga olib kelinadi.
Misni elektrolitik tozalashda anodning yuzi atrofida mayda mis kukuni ajralib chiqishi kutiladi. Bu jarayon (7.16) reaksiyaning borishi natijasida kuzatiladi. Amaliyotda vannadagi misning soni 2 % ni tashkil qiladi. Anoddan katodga mis yarim sulfidi va yarim oksidi ham o‘tmasdan cho‘kma fazasiga o‘tadi. Bu cho‘kmalar nodir metallar bilan shlam fazasini tashkil qiladi.
Mis elektrolizida elektr quvvatining sarfi tokning chiqishi va vannadagi kuchlanishiga bog‘liq. Voltda o‘lchanadigan vannadagi kuchla­nish quyidagi tenglama orqali topiladi:
U = J(R₁+R₂) (7.18)
bunda: J – tokning kuchi, a;
R₁ – eritma qarshiligi, om;
R₂ – tokda uchraydigan qarshiliklar (shina, kontakt va bosh­qalar).
Tok kuchi J tok zichligiga (I) bog‘liqdir. Tok zichligi – bu 1 m katod yuziga to‘g‘ri keladigan tokning kuchidir. I yuqori bo‘lsa, shuncha katodning yuzi o‘zgarmagan holda, tokning kuchi ko‘p (J) bo‘ladi.
_R1 – eritmaning qarshiligiga ta’sir qiladi:
1) anod va katodning joylashgan masofasi.
Bu masofa qancha kam bo‘lsa, shuncha R₁ kam bo‘ladi va U ning qiymati past bo‘ladi. Agar masofani kamaytirsa, qisqa tutashuv imko­niyati paydo bo‘ladi va tokdan chiqish qiymati kamayadi;
2) eritmaning tarkibi qancha nordonroq bo‘lsa, unda shuncha vodorod ko‘p bo‘ladi va eritmaning qarshiligi kamayadi va vannadagi kuchlanish pasayadi.
3) eritmaning harorati. Harorat qancha yuqori bo‘lsa, zarralarning harakatchanligi shuncha yuqori bo‘ladi, eritmaning qarshiligi va vanna­dagi kuchlanishlar past bo‘ladi.
Sulfat kislotaning qarshiligi, taxminan, mis sulfati qar­shiligidan 10 marta kamroqdir. Shuning uchun nordon eritmalarning qar­shiligi ancha pastroq. Faqat shuni inobatga olish kerakki, sul­fat kislotaning miqdori qancha ko‘p bo‘lsa, mis sulfatining erish qobiliyati shuncha kam bo‘ladi. Bu solvatatsiya effekti deb aytiladi. Shuning uchun zamonaviy zavodlarda eritmada 35–40 g/l Su (175-200 g/l SuSO₄ + 5H₂O) ushlab turiladi. Agar misning miqdori bundan kamayib ketsa, katod yuzi oldida mis bilan birga boshqa kationlar ham katodga o‘tirib, uning sifatini pasaytiradi va elektr tokining befoyda sarflanishiga olib keladi.
Eritma harorati 45–60⁰C oralig‘ida bo‘ladi. 25⁰C dagi eritma­ning qarshiligiga nisbatan, 50–55⁰C da qarshilik taxminan 2 marta kam va vannadagi kuchlanish ham shuncha kam. Faqat yuqori harorat uning inten­siv bug‘lanishiga, atrof-muhitni zaharlashiga olib kelishi mumkin. Bug‘lanish qancha ko‘pligini quyidagi misolda ko‘rish mumkin.
Agar mis elektroliz sexida 1000 ta vanna bo‘lsa va har bir van­naning eritma yuzi 5 m² bo‘lsa, unda 60⁰C da bir soatda 30 t suv bug‘lanadi.
Qarshilik R ning qiymatini kamaytirish uchun toza shinalar va kontaktlardan foydalanish kerak. Amaliyotda vannadagi kuchlanish 0,25–0,30 V atrofida ushlab turiladi. Ushbu ko‘rsatkich kichik bo‘lsa, shuncha, ya’ni 1 t misga kamroq elektr quvvati sarflanadi.
Mis elektrolizida elektr quvvatining sarflanishini Faradey qonuniga binoan quyidagicha hisoblash mumkin: 1A-soatda katodga 1,186 g mis o‘tkaziladi. Agar vannadagi kuchlanish 0,25 V ga teng bo‘lsa, 1 g misni o‘tkazishga nazariya bo‘yicha sarflanadigan elektr quvvati:

W = U/1,186 = 0,25 · 1/1,186 = 0,210 Vt^.soat yoki 1 t misga

0,210 + 1000 · 1000 / 1000 = 210 kvt^.s.

Agar tokning chiqish darajasi 95 % bo‘lsa, 1 t katodli mis o‘tkazishga sarflanadi:

210 : 0,95 = 222 kvt^.s.
Amaliyotda 1 t katodli mis olishga 230–300 kvt^.s elektr quvvati sarflanadi.
Oxirgi paytlarda vannalarga 14000–15000 A tok kuchi beriladi, bunday katta kuch elektrodlarning soni, ularning o‘lchamlari va tok zich­ligini orttirish orqali olib boriladi.
Mis elektroliz jarayonida tok zichligi 200–270 a/m² ni tashkil qiladi. Tok zichligini quyidagi tenglama orqali aniqlash mumkin:

I = J/n 2S (7.19)

bunda: I – tok zichligi, a/m²;
J – tok kuchi (vannadagi yuklama), a;
n – vannadagi katodlar soni;
S – katod yuzining maydoni, m².
Agar J = 14000 a, n=35:S = 0,9 · 0,9 = 0,81 m², bo‘lsa I= 14000: 35 · 2· 0,81) = 247 a/m².
Vannadagi tok kuchi aniq bo‘lsa, vannaning ishlab chiqarish unumdorligi quyidagi ifodadan topiladi:

R = J aδ · 22/100 · 1000 (7.20)

Bunda: a – misning elektrokimyoviy ekvivalenti, 1,186 g;
δ – tokning chiqishi;
22 – vannaning bir sutkada ishlash soati.
Vannadagi tok kuchi 14000 A, tokning chiqish unumdorligi quyida­gicha bo‘ladi:

R = 14000 · 1,186 + 96 · 22/100 · 1000 = 352 kg.

Katodli mis bo‘yicha sexning ishlab chiqish hajmi 200000 t bo‘lsa, sexda o‘rnatiladigan vannalarning soni:

N = 200 000 / 365 · 352 = 1750 vanna bo‘ladi.

Bunda: 365 – bir yildagi kunlar soni;
1,1–10 % – vannalarning ta’mirda bo‘luvchi kunlarini hisobga oluvchi ko‘rsatkich.