Wydział: WMN	Imię i nazwisko: Bartosz Jakimko Justyna Juszkiewicz 3.Karol Krukowski 4. Damian Krupiński	Rok: III	Grupa: III
Laboratorium Procesów Metalurgii Ekstrakcyjnej II	Otrzymywanie cynku poprzez elektrolizę ZnSO4	Nr ćwiczenia: 2
Data wykonania: 28.10.2015r	Data oddania: 18.11.2015r	Zwrot do poprawy:	Data oddania:

1. Wstęp teoretyczny:

Elektroliza: ogólna nazwa na wszystkie zmiany chemiczne substancji, które zachodzą pod wpływem zewnętrznego napięcia elektrycznego.

Katoda: elektroda, przez którą z urządzenia wypływa prąd elektryczny. W odbiornikach prądu elektrycznego katoda jest ujemna, natomiast w źródłach prądu dodatnia. Występuje zawsze w parze z anodą, przez którą wpływa prąd do układu.

I prawo Faradaya: masa substancji wydzielonej na katodzie jest wprost proporcjonalna do czasu trwania elektrolizy i natężenia prądu:

m = k * I * t, gdzie:

m- masa produktu wydzielonego na katodzie,

k – współczynnik proporcjonalności,

I – natężenie prądu

t- czas

II prawo Faradaya: masy substancji wydzielonych w elektrolizerze na elektrodach podczas przepływu tego samego ładunku są wprost proporcjonalne do ich mas równoważnikowych.

$\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{M_{R1}}{M_{R2}}$ , gdzie:

m₁, m₂ – masy substancji wydzielonych na elektrodach,

M_R1, M_R2 – masy równoważnikowe substancji

2. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z procesem otrzymywanie cynku w procesie elektrolizy ZnSO₄.

3. Część eksperymentalna:

Metodyka pomiarowa:

I) Katody zostały przez nas zważone, a ich masy zostały zapisane w karcie z wynikami.

II) Do elektrolizerów zawierających odpowiednio

100 g/dm³ Zn; 30 g/ dm³ H₂SO₄

100 g/dm³ Zn; 60 g/ dm³ H₂SO₄

100 g/dm³ Zn; 120 g/ dm³ H₂SO₄

zanurzono katody

III) Pomiar czasu został rozpoczęty w momencie załączenia zasilania

IV) Napięcie na poszczególnych katodach było mierzone podczas procesu w odstępach czasu, co 5 minut

V) Po 20 minutach delikatnie wyciągaliśmy katody z elektrolizerów, umieszczaliśmy w zlewce z wodą destylowaną, po czym pod dygestorium opłukiwaliśmy alkoholem

VI) Po przepłukaniu dokładnie suszyliśmy katody suszarką

VII) Elektrolizę przeprowadzaliśmy przy natężeniach prądu 1 ; 1,503; 1,898 A

4. Obserwacje własne:

W elektrolizerach nie było jednakowych poziomów roztworów, oraz katody nie były dokładnie wyczyszczone po poprzednich zajęciach, co mogło wpłynąć na wyniki naszych badań.

5. Przykładowe obliczenia:

Dla:

I = 1,5 A

m_w = 0,603 g

t = 1200 s

Równoważnik elektrochemiczny:

k = $\frac{M}{z*F} = \ \frac{65,4}{2*96500} = 0,00034\ \frac{g}{C}$

k – równoważnik elektrochemiczny

M – masa molowa substancji

Z – elektronowość

F – stała Faradaya

Masa obliczona z prawa Faradaya:

m = k * I * t = 0, 00034 * 1, 5 * 1200 = 0, 612 g

I – natężenie prądu

t – czas

Gęstość prądowa:

i = $\frac{I}{A} = \ \frac{1,5}{0,000539} = 2782,9\text{\ A}/m^{2}\ $

A – pole przekroju

Wydajność prądowa:

η$= \ \frac{m_{W}}{m}*100\% = \ \frac{0,603}{0,612}*100\% = 98,53\%$

Zużycie energii elektrycznej:

$$E = \ \frac{U_{sr} I t}{m} \div 1000 = \frac{3,466 1,5 \frac{1}{3}}{0,000000591} \div 1000 = 2902,99\left\lbrack kWh/t \right\rbrack$$

U_Śr – uśrednione napięcie prądu

I – natężenie prądu

t - czas

m – masa wydzielona na katodzie

6. Tabele z wynikami:

Dla I = 1A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,444	104,95	3,224	0,466	2306,15
60 g/ dm^3 H2SO4	0,444	97,07	3,218	0,431	2488,79
120 g/ dm^3 H2SO4	0,444	56,53	3,244	0,251	4308,1

Dla I = 1,503A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,6136	96	3,466	0,591	2902,99
60 g/ dm^3 H2SO4	0,6136	97	3,26	0,603	2676,12
120 g/ dm^3 H2SO4	0,6136	61	3,525	0,376	4640,63

Dla I = 1,898A

Stężenia kwasu siarkowego	Masa wynikająca z prawa Faradaya [g]	Wydajność prądowa elektrolizy [%]	Średnie napięcie [V]	Masa wydzielonego cynku [g]	Zużycie energii [kWh/t]
30 g/ dm^3 H2SO4	0,7743	98	3,577	0,761	2944,04
60 g/ dm^3 H2SO4	0,7743	101	3,382	0,780	2715,75
120 g/ dm^3 H2SO4	0,7743	95	3,717	0,735	3167,49

7. Wykresy:

b) Wykres zużycia mocy w funkcji stężenia H₂SO₄ dla różnych gęstości prądowych:

c) Wykres średniego napięcia od stężenia H₂SO₄ przy różnych gęstościach prądu:

9.Wnioski:

Podczas wykonywania ćwiczenia ilości roztworów elektrolitu różniły się w poszczególnych pojemnikach, co spowodowało różne powierzchnie styku katody z elektrolitem. Na nasze wyniki wpłynęło także to, że elektrolizery nie były w zupełnie oczyszczone, można było zauważyć warstewki osadzających się tlenków, co przeszkadzało w dokładnym pomiarze napięć przy pomocy multimetru. W niektórych przypadkach wydajność prądowa wyniosła powyżej 100% co mogło być spowodowane nierównoległym położeniem katody względem anod podczas procesu lub niedokładnym osuszeniem katody. Masa wydzielonego cynku wzrastała wraz ze wzrostem napięcia w przeprowadzanej elektrolizie.

10. Literatura:

1. S.Chodkowski: Metalurgia metali nieżelaznych

2. A. Staronka, Chemia fizyczna.

3. Z. Szczygieł: Metalurgia ogólna metali nieżelaznych

4. Wykład Prof. M. Kucharski „ Procesy Metalurgii ekstrakcyjnej ”