Влияния вязкости растворов на размеры выделяющихся пузырей газа при электролизе концентрированных растворов щелочей
Атапин А. Г., Нефедов В. Г.
Chemistry and modern technologies
Размеры пузырей отрывающихся от электрода при электролизе не должны зависеть от вязкости:
где σlg – поверхностное натяжение раствора на границе с воздухом, ρl – плотность жидкости, ρg – плотность газа, Θ – краевой угол смачивания.
Однако, в растворах гидроксидов натрия и калия имеющих примерно одинаковое поверхностне натяжение, но разную вязкость размеры кислородных пузырей при прочих равных условиях значительно отличаются, как видно из рисунка 1.
Рисунок 1 – Зависимость размеров кислородных, выделяющихся в растворах гидроксидов натрия (а) и калия (б), от концентрации растворов. Плотность тока при электролизе: 1 – 10 мА/см2, 2– 30 мА/см2 , 3 – 50 мА/см2, 4 – 70 мА/см2 . Материал электрода – Ст3пс
Объяснить влияние вязкости раствора на размеры пузырей можно с использованием теории плоского зародыша. Формула для расчета диаметра плоского зародыша (диаметра основания пузыря) выглядит, как:
(2)
где εε0=8,8×10–12 – диэлектрическая проницаемость газов, δ=6×10–8 м –толщина плоского зародыша; Δφ–разница потенциалов поверхностей раздела фаз электрод-газ, h – толщина слоя жидкости над электродом.
Очевидно, что диаметр основания пузыря будет тем больше, чем больше поверхностное натяжение, толщина плоского зародыша и чем меньше искривляющие силы.
Формирование плоского зародыша проходит в две стадии. На первой стадии происходит накопление необходимого количества газовых молекул, запас энергии, которых должен быть равным поверхностной энергии раздела фаз.
На второй стадии происходит разделение газа и жидкости, время которого зависит от подвижности молекул и толщины пересыщенного слоя.
Нами было определено, что время электролиза, пересыщение и толщина пересыщенного слоя увеличиваются пропорционально η0,5: . То есть, чем больше вязкость раствора, тем больше толщина пересыщенного слоя и пропорционального ей толщина плоского зародыша. С учетом изменения вязкости раствора, толщина плоского зародыша в формуле (6) с плоского зародыша должен выглядеть, как .
Для проверки были построены зависимости размеров пузырей от корня квадратного из вязкости при одинаковых плотностях тока, которые показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 – Зависимость размеров кислородных и водородных пузырей, выделяющихся в растворах гидроксидов натрия (1) и калия (2), от вязкости растворов. Плотность тока при выделении газов – 50 мА/см2. Материал электрода – Ст3пс
Из рисунка видно, что при выделении газов в растворах гидроксида натрия и калия разных концентраций размеры пузырей действительно увеличиваются пропорционально корню квадрат-ному из вязкости. Если сравнивать выделение газов в разных растворах, то при примерно одинаковых вязкостях около 6–7 мПа∙с (на рис. 2 эта величина соответствует 2,6 мПас0,5) наблюдается увеличение диаметров кислородных пузырей, в растворе гидроксида натрия больше чем в два раза по сравнению с размерами пузырей в растворе гидроксида калия. Нарушение пропорциональности «размер пузыря–вязкость» при переходе от одного электролита к другому указывает на влияние не только вязкости, но и его природы. При этом, природа электролита определяет не только разную смачиваемость электродов и размеры основания пузырей, но и транспорт газов к пузырям.