Применение электролиза в технике. Практическое применение электролиза. Вопросы для самоконтроля

Данный процесс широко применяется в промышленности. Без него практически невозможно представить производство цветных металлов и некоторые отрасли химической промышленности, в частности основу технологии изготовления меди, алюминия, цинка и ряда других химических элементов составляет электролиз. Кроме того, он играет важную роль при получении водорода, кислорода и хлора.

Что такое электролиз

Под данным явлением понимается совокупность физических и химических процессов, которые осуществляются в электролите (специальном растворе или расплаве проводящей жидкости) при направленном воздействии на него электрического тока. В результате электролиза на электродах образуются молекулы металлов, содержащихся в первоначальном веществе.

История данного явления начинается с конца XVII-начала XIX века, когда были проведены первые опыты в электрохимии. Сама наука появилась благодаря исследованиям Л. Гальвани (в честь него названо одно из применений описываемого процесса – осуществление гальванического покрытия для придания веществам дополнительных свойств). Не менее важную роль сыграл и А.Вольт, который изобрел первый химический источник тока.

В основе физико-химического явления лежат два закона Фарадея. Первый – утверждает, что масса вещества, которое аккумулировалось на катоде или перешло с анода в электролит, прямо пропорциональна объему электричества, которое было проведено через жидкость. Второй закон Фарадея гласит, что масса вещества, произведенного с помощью электролиза при определенном количестве электричества, прямо пропорциональна атомной массе и обратно пропорциональна валентности.

Эффект от применения описываемого процесса объясняется возможностью осуществления химических реакций под воздействием электрического тока. Сама технология образования новых частиц состоит из нескольких операций:

• Перемещение ионов (положительно заряженные частицы мигрируют к катоду, а отрицательные – к аноду);
• Диффузия ионов, которые, попадая на электроды (катод и анод), разряжаются и начинают хаотично перемещаться;
• Химические реакции при контакте электродов и электролита, а также образуемых молекул веществ между собой.

Все это делает саму технологию очень сложной и требующей постоянного контроля со стороны специалистов. Основным же преимуществом такого способа изготовления металлов является его относительная экономическая эффективность, а также в некоторых случаях невозможность получить химический элемент другим методом.

Электролиз расплавов

Устройства, в которых происходит реакция, и производятся технологические операции, называются электролизерами. Чтобы получить в результате описываемого физико-химического процесса нужное вещество, необходимо правильно подобрать электроды и электролит. Главным требованием к электроду является его проводимость, поэтому чаще всего в электролизе в качестве электродов используются стержни из неметаллических веществ, например, из графита или углерода.

Положительно заряженный электрод называется анодом. К нему притягиваются анионы – частицы с отрицательным зарядом. В результате данной реакции он окисляется (растворяется в электролите), поэтому вещество, из которого изготовлен анод, должно быть таким, чтобы в результате попадания его в раствор процесс получения химических элементов не нарушился, и ненужные частицы не испортили качество готовой продукции.

Отрицательно заряженный электрод называется катод. Он является центром притяжения для катионов, которые и наносят на него покрытие из металла, содержащегося в расплаве. Таким способом осуществляется либо производство необходимых химических элементов, либо покрытие изделий каким-либо веществом, содержащимся в расплавленной соли.

Ключевым отличием электролиза расплавов от аналогичного процесса с растворами является то, что при изготовлении химических элементов из расплавов солей в реакции участвуют только ионы самого вещества. Примерами электролиза данного типа является производства натрия, при котором на аноде будет аккумулироваться газ «хлор», а на катоде – необходимое вещество. Данный метод применяется при получении щелочных химических элементов, поскольку они легко растворяются в воде, и выделять их из раствора для них очень сложно. К таким металлам относятся кальций, натрий, литий и другие.

Электролиз растворов

Чаще всего описываемым методом производятся медь и алюминий. При их получении из растворов необходимо помнить, что в этом случае в химической реакции участвуют еще молекулы воды, что может как помочь, так и помешать.

Начинается электролиз меди или других металлов, получаемых из раствора, также с подбора катода и анода. Требования к ним предъявляются абсолютно аналогичные: желательно, чтобы анод был инертным (при растворении не образовывал примесей), а катодом может быть любая металлическая пластина или стержень с соответствующим зарядом.

Далее в электролизер помещается раствор необходимой соли (для электролиза меди используется раствор медного купороса), и через него пропускается ток. По завершении химико-физической реакции анод растворится (как правило, для него используется графитовый стержень, но в производствах, требующих высокой чистоты получаемых химических элементов, может применяться и платина), а на катоде появится темно-красный налет – это медь, которую теперь можно использовать в других отраслях промышленности после переработки.

Таким способом можно получать и газы, причем даже в домашних условиях. Для этого необходимо взять раствор пищевой соды, поместить в него электроды и воздействовать на него электричеством. В результате около анода электролит начнет пузыриться – это выделяется кислород. Водород будет аккумулироваться на катоде. Причиной этого является то, что к аноду притягиваются отрицательно заряженные ионы ОН, в которых содержится кислород, а к катодам – положительно заряженный водород. Данная реакция возможна только при использовании растворов, поскольку в расплавах молекул воды не содержится, а значит, не будет такого выделения водорода и кислорода.

Применение электролиза

Законы электрохимии активно используются в промышленности при производстве различных веществ. Причем некоторые из них получаются в результате восстановления на катодах, а другие – путем окисления на анодах.

Применение электролиза в настоящее время можно увидеть в следующих областях и направлениях:

• Получение необходимых химических элементов;
• Производство металлов, особенно популярным является электролиз меди и алюминия;
• Очистка различных веществ от примесей;
• Изготовление сплавов;
• Покрытие поверхностей (цинком, хромом, серебром, золотом и так далее), данные операции приобрели особую популярность в настоящее время);
• Лечение людей с помощью аппаратов для электрофореза, диализа и так далее.

Исследования электролиза для расширения возможностей его применения продолжаются. В частности металлы для повышения их прочности могут покрываться различными защитными пленками. Это позволяет помещать их в агрессивные среды, создавая новые механизмы и двигатели. Применяется данная технология и для заточки медицинских инструментов, а также при очистке воды в химической и медицинской промышленностях. Таким образом, электролиз является одним из самых популярных способов применения тока в промышленности, ведь некоторые технологические операции стали возможны только после открытия законов Фарадея и проведения опытов Гальвани.

Видео

Электролиз нашел широкое применение в технике, например в металлургии, химической промышленности и т. д.

1. Покрытие металлов слоем другого металла при помощи электролиза (гальваностегия).

Для предохранения металлов от окисления, а также для придания изделиям прочности и лучшего внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов

(золото, серебро) или малоокисляющимися металлами (хром, никель).

Предмет, подлежащий гальваническому покрытию, тщательно очищают, полируют и обезжиривают, после чего погружают в качестве катода в гальваническую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуществляется покрытие. Анодом служит пластина из того же металла. На рис. 45 изображена ванна для никелирования. Электролитом служит водный раствор вещества, содержащего никель (например, сернокислый никель NiS04), катодом является предмет, подвергающийся покрытию. Величина
тока, пропускаемого через ванну, должна соответствовать величине t покрываемой поверхности. Для равномерного покрытия предмета его помещают между двумя анодными пластинами. После покрытия предмет вынимают из ванны, сушат и полируют.

2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальвано­пластика).

Для получения копий с металлических предметов (монет, медалей, барельефов и т. п.) делают слепки из какого-нибудь пластичного материала (например, воска). Для придания слепку электропроводимости его покрывают графитовой пылью, погружают в ванну в качестве катода и получают на нем слой металла нужной толщины. Затем путем нагревания удаляют воск.

Производство патефонных пластинок основано на применении гальванопластики (рис. 40). Восковая пластина с нанесенной на ней записью, опыленная для электропроводимости золотом, погружается в раствор медного купороса в качестве катода. Медный анод поддерживает концентрацию раствора постоянной. Полученный металлический рельефный негативный отпечаток служит для штампования из нагретой пластмассы большого числа патефонных пластинок.

Гальванопластика применяется во многих отраслях промышленности, в том числе в полиграфии. Процесс гальванопластики был разработан в 5836 г. русским академиком Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874). Б. С. Якоби известен своими многочисленными работами в области электротехники. Он является изобретателем первого электродвигателя с непосредственным вращением вала, коллектора для выпрямления тока, пишущих телеграфных аппаратов, а также первого в мире буквопечатающего телеграфного аппарата; им впервые (в 1838 г.) осуществлено движение лодки при помощи электрической энергии.

Якоби созданы приборы для измерения электрического сопротивления, изготовлен эталон сопротивления, сконструирован вольтметр.

3. Рафинирование (очистка) металлов.

В электротехнике благодаря хорошей электропроводимости наиболее широкое применение как проводниковый материал имеет

медь. Медные руды, кроме меди, содержат много примесей, таких, как, например, железо, сера, сурьма, мышьяк, висмут, свинец, фосфор и т. п. Процесс получения меди из руды заключается в следующем. Руду измельчают и обжигают в особых печах, где некоторые примеси выгорают, а медь переходит в окись меди, которую снова плавят в печах вместе с углем. Происходит восстановительный процесс, и получают продукт,

называемый черной медью, с содержанием меди 98-99%. Медь, идущая на нужды электротехники, должна быть наиболее чистой, так как всякие примеси уменьшают электропроводимость меди. Такая медь получается из черной меди путем рафинирования ее электрическим способом.

Неочищенная медь подвешивается в качестве анода в ванну с раствором медного купороса (рис. 47). Катодом служит лист чистой меди. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, а оттуда осаждается на катод. Электролитическая медь содержит до 99,95% меди.

Медь в электротехнике применяется для изготовлений голых к изолированных проводов, кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, медных полос, лент, коллекторных пластин, деталей машин и аппаратов.

Второе место после меди в электротехнике занимает алюминий. Сырьем для получения алюминия служат бокситы, состоящие из окиси алюминия (до 70%), окиси кремния и окиси железа. В результате обработки бокситов щелочью получается продукт, называемый глиноземом (Аl 2 O 3).

Глинозем с некоторыми добавлениями (для снижения температуры плавления) загружается в огнеупорную печь, стенки и дно которой выложены угольными пластинами, соединенными с отрицательным полюсом источника напряжения. Через крышку печи проходит угольный стержень, который служит анодом. Сначала опускают угольный анод, в результате чего возникает электрическая дуга, которая расплавляет глинозем. В дальнейшем происходит электролиз расплавленной массы. Чистый алюминий скапливается на дне сосуда, откуда его выливают в формы. Процентное содержание алюминия в металле достигает 99,5%. Для получения алюминия требуется большое количество электроэнергии. Поэтому алюминиевые заводы строятся около больших гидроэлектростанций с дешевой электроэнергией.

Алюминий в электротехнике употребляется для изготовления проводов, кабелей, получения некоторых сплавов.

Электролиз и сферы его применения.

Ведение 3

Теоретическое обоснование процессов электролиза. 5

Применение электролиза в промышленности 8

Производство хлора и едкого натрия при помощи электролиза. 10

Заключение 12

Введение

Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии.
Еще в начале позапрошлого столетия было установлено, что при прохождении электрического тока через водные растворы солей происходят химические превращения, приводящие к образованию новых веществ. В результате этого, в начале прошлого века возникло научное направление по изучению электрохимических процессов в растворах и расплавах веществ – электрохимия. К концу семидесятых годов оно разделилось на два самостоятельных раздела – ионику, изучающую явления электропроводности и движения заряженных частиц под воздействием электрического поля, и электродику, изучающую явления происходящие непосредственно на поверхности электродов, когда через границу электрод-раствор (расплав) протекает электрический ток. Химические превращения, происходящие при воздействии электрического тока на вещества, называются электролитическими.
Электролиз представляет собой довольно сложную совокупность процессов, к которым относятся: миграция ионов (положительных к катоду, отрицательных к аноду), диффузия ионов, разряжающихся на электродах, электрохимические реакции разряда ионов, вторичные химические реакции продуктов электролиза между собой, с веществом электролита и электрода.
Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно этим способом. Например, такие металлы как никель, натрий, чистый водород и другие, получают только с помощью этого метода. Кроме того с его помощью электролиза относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля самого элемента в которых стремиться к ста процентам. В промышленности алюминий и медь в большинстве случаев получают именно электролизом. Преимущество этого способа в относительной дешевизне и простоте. Однако чтобы производство было наиболее выгодным: с наименьшими затратами электроэнергии и с наибольшим выходом продукции, необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, материал электродов и др.).
На сегодняшний день большой популярностью пользуются различные предметы, покрытые драгоценными металлами. (позолоченные или посеребренные вещи).
К тому же металлические изделия покрывают слоем другого металла электролитическим способом с целью защитить его от коррозии.
Таким образом, исследование электрохимических процессов, определение факторов, влияющих на них, установление новых способов использования процессов электролиза в промышленных условиях сохранило свою актуальность и востребованность в наши дни.

Теоретическое обоснование процессов электролиза.

Электролиз протекает только в тех средах, которые проводят электрический ток. Способностью проводить ток обладают также водные растворы оснований и солей. Безводные кислоты – очень плохие проводники, но водные растворы кислот хорошо проводят ток. Растворы кислот, оснований и солей в других жидкостях в большинстве случаев тока не проводят, но и осмотическое давление таких растворов оказывается нормальным, точно так же не проводят тока водные растворы сахара, спирта, глицерина и другие растворы с нормальным осмотическим давлением.
Различные отношения веществ к электрическому току можно иллюстрировать следующим опытом:
Соединим провода идущие от осветительной сети, с двумя угольными электродами. В один из проводов включим электрическую лампу, позволяющую грубо судить о наличии тока в цепи. Погрузим теперь свободные концы электродов в сухую поваренную соль или безводную серную кислоту. Лампа не загорается, т.к. эти вещества не проводят тока и цепь остается не замкнутой. То же самое происходит, если погрузить электроды в стакан с чистой дистиллированной водой. Но стоит только растворить в воде немного соли или прибавить к ней какой-нибудь кислоты или основания, как лампа тотчас же начинает ярко светиться. Свечение прекращается если опустить электроды в раствор сахара или глицерина и т.п.
Таким образом, среди растворов способностью проводить ток обладают преимущественно водные растворы кислот, оснований и солей. Сухие соли, безводные кислоты и основания (в твердом виде) тока не проводят; почти не проводит тока чистая вода, очевидно, что при растворении в воде кислоты основания или соли подвергаются каким-то глубоким изменениям, которые и обуславливают электропроводность получаемых растворов.
Электрический ток, проходя через растворы, вызывает в них, так же как и в расплавах, химические изменения, выражающиеся в том, что из растворов выделяются продукты разложения растворенного вещества или растворителя. Вещества, растворы которые проводят электрический ток, получили названия электролитов. Электролитами являются кислоты, основания и соли.
Химический процесс, происходящий при пропускании тока через раствор электролита, называется электролизом. Исследуя продукты, выделяющиеся у электрода, при электролизе кислот, оснований и солей, установили, что у катодов всегда выделяются металлы и водород, а у анода кислотные остатки или гидроксильные группы, которые затем подвергаются дальнейшим изменениям. Таким образом, первичными продуктами электролиза оказываются те же части кислот, оснований и солей, которые при реакциях обмена, не изменяются, переходят из одного вещества в другое.
Теперь, рассмотрим процесс электролиза подробнее.
Через проводники первого рода электричество переносится электронами, а через проводники второго рода-ионами. В тех местах электрической цепи, где проводник первого рода граничит с проводником второго рода, электроны вступают во взаимодействие с ионами-происходят электрохимические процессы. Если эти процессы протекают самопроизвольно, то система называется химическим источником энергии. Если же их протекание обусловлено подводом электрической энергии извне, то происходит электролиз.
Примером электролиза может служить электролиз расплава хлорида магния. При прохождении тока через расплав MgCl 2 катионы магния по действием электрического поля движутся к отрицательному электроду. Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются: Анионы хлора перемещаются к положительному электроду, и, отдавая избыточные электроны, окисляются. При этом первичным процессом является собственно электрохимическая стадия-окисление ионов хлора, а вторичным-связывание образующихся атомов хлора в молекулы. Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава MgCl 2:
Mg 2 + 2Cl-l=Mg + Cl 2
Эта реакция не может протекать самопроизвольно; энергия, необходимая для её осуществления, поступает от внешнего источника тока.
Как и в случае химического источника электрической энергии, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом; электрод, на котором происходит окисление, называется анодом. Но при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод-положительно, т.е. распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеется при работе гальванического элемента. При электролизе химическая реакция осуществляется за счёт энергии электрического тока, подводимой извне, в то время как при работе гальванического элемента энергия самопроизвольно протекающей в нем химической реакции превращается в электрическую энергию. На основании этого были выведены следующие законы:
Первый закон Фарадея

В 1832 году Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, прошедшему через электролит:
если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Второй закон Фарадея

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты .

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

Где - постоянная Фарадея.

Первый закон Фарадея записывается в следующем виде:

где - молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося - оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, - сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), - время, в течение которого проводился электролиз, - постоянная Фарадея, - число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного). Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Не все вещества будут электролизироваться при пропускании электрического тока. Существуют некоторые закономерности и правила.

Мнемоническое правило

Для запоминания катодных и анодных процессов в электрохимии существует следующее мнемоническое правило:

На аноде анионы окисляются.

На катоде катионы восстанавливаются.

В первой строке все слова начинаются с гласной буквы, во второй - с согласной.

Применение электролиза в промышленности
Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.
В цветной металлургии электролиз используется для рафинирования металлов, для извлечения металлов из руд. Металлы, которые не могут быть выделены из водных растворов вследствие высокого отрицательного потенциала получают в цветной металлургии электролизом расплавленных сред, в качестве которых служат соли этих металлов, содержащие добавки различных соединений, вводимые с целью понижения температуры плавления расплава, повышения электропроводности и т.д. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся алюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металлов.
Электролиз применяют во многих отраслях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металлических копий.
Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

Заключение

Исследование процессов электролиза растворов и расплавов электролитов не потеряло своей актуальности и в настоящее время, т.к. не только обогащает теоретические положения об этом достаточно сложно физико-химическом явлении, но и позволяет определить перспективные направления практического использования этого процесса с целью получения целевых продуктов с заданными свойствами и качествами.

Электролиз широко используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей, хлора, водорода.
Алюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, бериллий, титан получают только электролизом расплавов, т.к. потенциалы их выделения из водных растворов более отрицательны, чем потенциал выделения водорода.
Очистку меди, никеля, свинца проводят целиком электрохимическим методом. Производство фтора основано на электролизе расплавленной смеси фторида калия и фтороводородной кислоты, хлора – при электролизе водных растворов или расплавов хлоридов. Водород и кислород высокой степени чистоты получают электролизом водных растворов щелочей. Таким образом, с помощью электролиза удается осуществлять реакции окисления и восстановления с большим выходом и высокой селективностью, которые в обычных химических процессах трудно достижимы.
Важной отраслью применения электролиза является защита металлов от коррозии: при этом электрохимическим методом на поверхность металлических изделий наносится тонкий слой другого металла (хрома, серебра, меди, никеля, золота) устойчивого к коррозии.
Отличительной особенностью электролиза растворов или расплавов электролитов является возможность протекания на электродах совокупности конкурирующих химических реакций окисления и восстановления. Оказывает влияние на продукты электролиза и материал электродов.
При электролизе водных растворов электролитов окислительно-восстановительные процессы на катоде и аноде зависят от окислительной способности катионов и характера аниона электролита.
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы.

Доклад ученицы 10 кл. "Б"

школы 1257

Масоловой Елены по теме:

Применение электролиза.

Сущность электролиза.

Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролитов.

Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод , а к положительному полюсу - анод , после чего погружают их в электролизер с раствором или расплавом электролита.

Электроды, как правило, бывают металлические, но применяются и неметаллические, например графитовые (проводящие ток).

На поверхности электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катоде), ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т. е. протекает реакция электрохимического восстановления. На положительном электроде (аноде) происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления. Таким образом, сущность электролиза состоит в том, что на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.

В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т. п., - так называемые вторичные процессы.

Металлические аноды могут быть: а) нерастворимыми или инертными (Pt, Au, Ir, графит или уголь и др.), при электролизе они служат лишь передатчиками электронов; б) растворимыми (активными); при электролизе они окисляются.

В растворах и расплавах различных электролитов имеются разноименные по знаку ионы, т. е. катионы и анионы , которые находятся в хаотическом движении. Но если в такой расплав электролита, например расплав хлорида натрия NaCl, опустить электроды и пропускать постоянный электрический ток, то катионы Na + будут двигаться к катоду, а анионы Cl – - к аноду. На катоде электролизера происходит процесс восстановления катионов Na + электронами внешнего источника тока:

Na + + e – = Na 0

На аноде идет процесс окисления анионов хлора, причем отрыв избыточных электронов от Cl – осуществляется за счет энергии внешнего источника тока:

Cl – – e – = Cl 0

Выделяющиеся электронейтральные атомы хлора соединяются между собой, образуя молекулярный хлор: Cl + Cl = Cl 2 , который и выделяется на аноде.

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2NaCl -> 2Na + + 2Cl – - электролиз -> 2Na 0 + Cl 2 0

Окислительно-восстановительное действие электрического тока может быть во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Меняя напряжение на электродах, можно создать почти любой силы окислители и восстановители, которыми являются электроды электролитической ванны или электролизера.

Известно, что ни один самый сильный химический окислитель не может отнять у фторид-иона F – его электрон. Но это осуществимо при электролизе, например, расплава соли NaF. В этом случае на катоде (восстановитель) выделяется из ионного состояния металлический натрий или кальций:

Na + + e – = Na 0

на аноде (окислитель) выделяется ион фтора F – , переходя из отрицательного иона в свободное состояние:

F – – e – = F 0 ; F 0 + F 0 = F 2 0

Продукты, выделяющиеся на электродах, могут вступать между собой в химическое взаимодействие, поэтому анодное и катодное пространство разделяют диафрагмой.

Практическое применение электролиза.

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии , биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов.
Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами - процесс электрорафинирования или с нерастворимыми - процесс электроэкстракции.
Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах.

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При пропускании тока металл, подлежащий очистке, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит и удаляются.

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника пожразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

¨ Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера.

Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

¨ Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами.

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д.

Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:

Получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

Электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка );

Электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

-очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

Электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

Законы электролиза

С количественной стороны процесс электролиза был впервые изучен в тридцатых годах XIX века английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), который установил два закона электролиза:

1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества прошедшего через раствор или расплав электролита;

2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к образованию на электродах эквивалентных количеств разных веществ.

Для выделения при электролизе одного эквивалента вещества необходимо затратить 96500 кулонов. Величина 96500 Кл/моль называется постоянной Фарадея (F). Так при пропускании 96500 кулонов электричества через раствор CuCℓ 2 на катоде выделяется один моль-эквивалента меди (31,77 г) и одновременно на аноде выделяется одна молярная масса эквивалента хлора (35,45 г).

Законы Фарадея можно выразить уравнением

m= М э It/F = М э It/96500 или V = V э It/F = V э It/96500,

где m(V) –масса (объем) окисленного или восстановленного вещества, г (дм 3); М э (V э) - молярная масса (объем эквивалента), г/моль (дм 3); I - сила тока, А; t - продолжительность электролиза, с.

Если It = 1 Кл, то масса выделившегося вещества составит М э /F = Е. Величина Е называется электрохимическим эквивалентом вещества окисляющегося или восстанав­ливающегося на электродах при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Масса эквивалента связана с электрохимическим эквивалентом М э = ЕF.

При практическом проведении электролиза расход тока превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Происходит это вследствие протекания тех или иных побочных процессов, поэтому в электрохимии используют понятие выход по току (η, %). Выход по току отношение массы полученного веществ(m практ) к массе, теоретически вычисленной (m те o р)

η = (m практ /m теор)100%

Процессы электролиза получили широкое и разностороннее применение в промышленности:

1 . Электролизом расплавов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов получают Na, К, Са, Мg и др. Металлический алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия в расплавленном криолите 3NаF∙А1F 3 . Путем электролиза водного раствора поваренной соли получают едкий натр (каустическую соду) и хлор. Получение водорода, в больших количествах применяемого для синтеза NH 3 , НС1 и др., осуществляется электролизом H 2 O (используют не чистую воду, а растворы электролитов, ионы которых разряжаются труднее, чем Н + и ОН -);

2. Электролитическое окисление в случае, если на аноде выделяются О 2 и Сl 2 , используют для окисления и хлорирования находящихся в растворе веществ. Электролити-

ческое восстановление в случае, когда на катоде выделяется атомарный водород, часто применяется для гидрирования находящихся в растворе неорганических и органических веществ;

3. Гидроэлектрометаллургия – важная отрасль металлургии цветных металлов (Cu, Bi, Sb, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией ;

4. Электролиз применяется для очистки и получения особо чистых материалов (рафинирование металлов). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Чаще всего этот процесс используется для получения электролитически чистой меди. Листы неочищенной (черновой) меди служат анодом. Процесс сводится к растворению анода и выделению чистой меди на катоде; электролит регенерируется и сохраняется в растворе.

5. Электролитическое покрытие менее благородного металла более благородным металлом (гальваностегия ) широко используется для никелирования, хромирования, серебрения, меднения. Хромирование применяется для повышения коррозионной стойкости черных металлов, а также для увеличения твердости поверхностного слоя и сопротивления стиранию. Никелирование используется для изменения внешнего вида изделия. Цинкование и лужение - для защиты от коррозии. Меднение - для нанесения припоя и т.д. Гальваностегия осуществляется аналогично рафинированию меди. Покрываемое изделие служит катодом, покрывающий металл - анодом.

6. Гальванопластика - получение точных копий изделий с использованием электролиза. С ее помощью получают очень тонкослойные изделия для радиотехники и приборостроения. Например, на алюминиевую деталь сложной геометрической формы электролизом наносят слой меди нужной толщины. Затем алюминий растворяют в соляной кислоте или растворе щёлочи, с которыми медь не реагирует. Получают изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.

Электролиз нашел применение также для травления, оксидирования, полирования, заточки металлов и т.д.