Тезисы
апрель 2017

Влияния вязкости растворов на размеры выделяющихся пузырей газа при электролизе концентрированных растворов щелочей


Атапин А. Г. , Нефедов В. Г.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

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.