Почему графит используется в качестве электрода при электролизе?

Графит, встречающаяся в природе аморфная форма углерода, наделен многими уникальными свойствами, которые делают его пригодным для использования в различных электрохимических процессах. Благодаря высокой электропроводности, термической стабильности, химической инертности, долговечности и чистоте графит находит широкое применение в качестве электрода на коммерческом уровне.

Электролиз, процесс извлечения чистых элементов с помощью постоянного электрического тока, - еще один электрохимический процесс, который можно эффективно проводить с использованием графита.

Электролиз в научных терминах

При электролизе два электрода помещаются в электролитический раствор (раствор, способствующий прохождению тока). В присутствии внешнего источника тока происходит электролиз. Эта установка работает как батарея.

Графит - распространенный материал для электродов

Как правило, для изготовления электродов используются такие проводящие материалы, как золото, серебро, платина, медь и латунь. Однако, поскольку эти металлы дороги, их использование на коммерческом уровне нецелесообразно.

Графит, с другой стороны, обладает всеми предпочтительными качествами хорошего электрода и легко доступен, что делает его подходящим для электролиза.

Химический состав и происхождение графита

Графит - это разновидность углерода, встречающаяся в природе и имеющая кристаллическую структуру. В стандартных условиях графит остается стабильным и нереактивным. В таких отраслях, как литейные цехаВ промышленности, производящей литий-ионные батареи и т.д., графит используется в больших масштабах. Его низкая стоимость, доступность, термическая и химическая инертность делают его полезным во многих промышленных приложениях.

Физические свойства

Графит имеет непрозрачный и блестящий вид. Он очень мягкий и скользкий на ощупь. Кроме того, он не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Он не воспламеняется и прекрасно ломается в виде гибких листов.

Почему графит подходит для электролиза

Вот химические и физические свойства графита, которые делают его пригодным для электролиза:

• Электропроводность - уникальная внутренняя структура графита делает его хорошим проводником электричества. Таким образом, электролиз может быть проведен эффективно.
• Химическая инертность - благодаря химической инертности графит не вступает в реакцию с большинством органических и неорганических сред, поэтому вероятность загрязнения ничтожно мала.
• Высокая температура плавления - температура плавления 3600 градусов Цельсия делает графит применимым в различных высокотемпературных приложениях.
• Низкая стоимость и доступность. Графит обычно встречается в месторождениях в различных местах в виде метаморфических пород, таких как мрамор, сланцы и гнейсы. Благодаря своей доступности он дешев и пользуется большим спросом.

Графит как электрод в электролизе

Роль в проведении электричества

Благодаря гексагональной структуре графита, он позволяет свободно проводить электричество. Более того, свободные электроны в структуре перемещаются, перенося заряд.

Взаимодействие с электролитами и ионами

Эффективность графита в качестве электрода зависит от типа используемого электролита и ионов. Как правило, ионы лития, натрия и калия хорошо работают с графитом в качестве электрода. Таким образом, использование его с правильным электролитом может дать лучшие результаты.

Преимущества графита, используемого в качестве электрода

Прочность и долговечность

Прочная структура графита позволяет ему сохранять работоспособность в течение длительного времени, что сокращает частоту замены, минимизирует время простоя и снижает общие эксплуатационные расходы.

Универсальность

Графитовые электроды широко используются во многих отраслях промышленности - от производства фосфора, карбида кальция и кремния до сталелитейного производства.

Устойчивость к коррозии

Естественная устойчивость графита к коррозии делает его пригодным для использования в средах, где электроды подвергаются воздействию агрессивных химикатов или электролитов. Таким образом, он может превосходить по своим характеристикам электроды, работающие в высокореактивных средах, например, в химической промышленности.

Способность выдерживать высокие температуры

Графит выдерживает температуру до 3000°C (5432°F), не плавясь, и обладает хорошей устойчивостью к тепловому удару. Таким образом, графитовые электроды могут выдерживать высокие и быстро меняющиеся температуры без растрескивания или потери структурной целостности в промышленных приложениях.

Экономическая эффективность

Хотя первоначальная стоимость может быть выше, общая экономичность графитовых электродов в сочетании с их эффективностью делает их экономически выгодным выбором для коммерческого использования.

Специфические применения графитовых электродов в электролизе

Графитовые электроды благодаря своим уникальным свойствам играют решающую роль в различных процессах электролиза. Некоторые из их специфических применений таковы:

1. Хлор-щелочное производство

В хлорно-щелочной промышленности графитовые электроды используются в качестве анода при электролизе раствора хлорида натрия для получения хлора, гидроксида натрия и водорода.

2. Производство алюминия

Графит является одновременно катодом и анодом в процессе Холла-Эроульта, используемом для производства алюминия.

3. Электровыжиг цинка

В цинковой промышленности графитовые электроды используются в процессе электроотжига для извлечения цинка из растворов цинкового купороса.

4. Рафинирование меди

Графитовые электроды используются для получения высокочистой меди из менее чистых медных анодов в процессе электролитического рафинирования.

5. Очистка воды

В процессах электрохимической обработки воды графитовые электроды используются для получения окислителей для дезинфекции.

Ограничения и соображения, связанные с использованием графита в качестве электрода

При многочисленных преимуществах использование графита в качестве электрода сопряжено с определенными ограничениями и соображениями. Например, графит может окисляться при высоких температурах, обычно выше 400°C (752°F) на воздухе. Это может привести к изменению химического процесса. Таким образом, необходим контроль температуры. Кроме того, при высоких механических нагрузках или истирании графитовые электроды могут изнашиваться быстрее, чем металлические.

Кроме того, пористая структура графита может привести к газопроницаемости и проникновению электролита. Это может повлиять на общий срок службы. В приложениях, требующих сверхвысокой чистоты, графит может содержать частицы углерода. Графит имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения, что означает, что он может расширяться при повышении температуры. Это может вызвать проблемы в системах с большими перепадами температур. При проектировании таких систем необходимо учитывать тепловое расширение.

Учитывая эти ограничения, можно разработать оптимальную систему электролиза с использованием графита или более подходящих альтернатив.

Альтернативы графитовым электродам

Хотя графитовые электроды широко используются, в зависимости от конкретных требований можно рассмотреть возможность применения некоторых альтернативных материалов. Металлические электроды, такие как платина, обладают отличной химической стабильностью, а золото - высокой проводимостью. Электроды из оксидов металлов благодаря своей высокой стабильности, длительному сроку службы и каталитическим свойствам являются еще одним вариантом для таких областей применения, как производство хлора и очистка воды.

Заключение

Благодаря своим химическим и физическим свойствам графит является отличным электродом в электролизе. Будучи легкодоступным и дешевым, он считается отличным вариантом для коммерческих приложений, связанных с электролизом. Однако из-за некоторых ограничений важно рассмотреть его альтернативы для использования в определенных приложениях.