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.).
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.);
электролиз анод электрический ток
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.).
7.7.1. Применение электролиза в технике
Электролиз находит весьма широкое применение в технике. Электролизом получают некоторые металлы; многие металлы, полученные неэлектрическим методом, очищают от примесей. Электролизом соответствующих растворов получают кислород, водород, хлор, "тяжелую воду". Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металла, а также изготавливают рельефные металлические копии нужных изделий. На электролизе основана зарядка аккумуляторов. Каждое из возможных применений электролиза получило свое название. Рассмотрим сущность некоторых из применений электролиза в технике.
Гальванопластика – получение металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и т.п.). Для этого с предмета сначала снимают слепок из воска (стеарина), покрывают поверхность слепка порошкообразным графитом для придания электропроводности и затем используют слепок в качестве катода в электролитической ванне, содержащей растворенную соль металла. При электролизе металл электролита выделяется на поверхности слепка и образует металлическую копию предмета. Этим способом, в частности, изготавливают типографские клише, бесшовные трубы, а также другие металлические детали сложной формы.
Гальваностегия. Электролитическое осаждение металлов широко используется для покрытия металлических предметов слоем благородных металлов или защитным слоем другого металла, обладающего механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Таково электролитическое серебрение, золочение и платинирование, покрытие хромом и никелем, электролитическое покрытие железа цинком.
Очистка (рафинирование) металлов (получение чистых металлов). Для этого очищаемый металл отливают в виде пластин, и делают их анодом в электролитической ванне. Электролитом служит раствор соли данного металла. При правильном выборе напряжения между анодом и катодом добиваются того, чтобы только очищаемый металл переходил с анода в раствор и выделялся на катоде. Примеси выпадают на дно электролитической ванны в виде осадка (анодный шлам).
Очисткой путем электролиза получают, например, очень чистую (так называемую электролитическую рафинированную) медь, широко применяемую в электротехнике.
Электрометаллургия. В настоящее время многие металлы получают с помощью электролиза руд в расплавленном состоянии. Примером может служить получение алюминия. Электролизу подвергают расплав смеси глинозема Al 2 O 3 и криолита Na 2 AlF 6. Анодами служат опускаемые в расплав угольные стержни. Электролиз производится при температуре около 900 o C, причем высокая температура поддерживается самим током. Электролизом получают также натрий, магний, бериллий, фтор и другие элементы.
Электролитическое травление и полировка. Помещая металлические предметы в электролитическую ванну в качестве анода, можно заставить металл растворяться. При наличии шероховатостей у поверхности электролитическое растворение происходит быстрее у выступов и заострений, так как напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность тока возле них больше. Поэтому с помощью электролиза можно производить травление и полировку поверхностей.
Электролитические конденсаторы. На явлении электролиза основано действие так называемых электролитических конденсаторов ("электролитов"), широко применяемых в современной электротехнике и радиотехнике. Они имеют два алюминиевых электрода, находящихся в электролите. Состав электролита может быть разным, например из смеси борной кислоты и раствора аммиака с добавлением глицерина. Электролит часто изготовляют в виде густой пасты и пропитывают им бумажную прокладку, находящуюся между электродами. Работу электролитического конденсатора можно представить так: положительный полюс конденсатора покрыт тончайшим слоем окислов алюминия, который поддерживается вследствие электролиза. Этот слой является диэлектриком конденсатора, а обкладками служат алюминиевый электрод и электролит. Второй алюминиевый электрод является пассивным и служит только для включения конденсатора в цепь. Благодаря малой толщине слоя окислов емкость электролитических конденсаторов достигает многих сотен микрофарад на м 2 площади пластин.
Электролитический конденсатор обладает большой емкостью только при определенной полярности напряжения, а именно в том случае, когда окисленный электрод соединен с положительным полюсом источника. При обратном включении в цепь изолирующий слой исчезает и через конденсатор проходит большой ток, разрушающий его.
Недостатками электролитических конденсаторов являются сравнительно большие утечки, необходимость соблюдать полярность, малая величина пробойных напряжений и невозможность использования их в цепях переменного тока.
Электролиз и так называемая электролитическая поляризация получили важное техническое применение в аккумуляторах, или, иначе, вторичных источниках тока (элементах). Они представляют собой гальванические элементы, в которых вещества, предварительно накопленные на электродах в процессе электролиза (в процессе зарядки аккумулятора), расходуются при отборе тока.
Наибольшее распространение получили свинцовые, или кислотные, аккумуляторы. В простейшем виде они состоят из двух свинцовых электродов, находящихся в растворе серной кислоты. При погружении в кислоту на электродах образуется сернокислый свинец PbSO 4 , и раствор насыщается этой же солью.
При зарядке аккумулятора на его электроде, соединенном с положительным полюсом источника тока, свинец окисляется в перекись PbO 2 , а второй электрод превращается в чистый свинец. При зарядке аккумулятора появляются дополнительные молекулы кислоты, поэтому концентрация кислоты увеличивается.
При разрядке аккумулятора его положительный полюс постепенно раскисляется, и на нем происходит вновь образование сернокислого свинца, который появляется также и на отрицательном электроде. При разрядке концентрация кислоты уменьшается.
Аккумуляторы характеризуются, помимо ЭДС, емкостью, т.е. величиной заряда, отдаваемого при разрядке. Она измеряется в ампер-часах и, очевидно, тем больше, чем больше поверхность электродов.
Для увеличения емкости электроды аккумуляторов отливают в виде пластин с многочисленными ячейками наподобие пчелиных сотов и в ячейки запрессовывают окислы свинца.
Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы, которые отличаются меньшей массой при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой – из никеля, а электролитом служит 20-процентный раствор едкого калия KOH. В заряженном состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля Ni(OH) 3 , а катодом – железо.
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 .
Х
имическим
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.
|
Катионы активных металлов |
Катионы менее активных металлов |
Катионы неактивных металлов |
|
Li + , Cs + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Be 2+ , Al 3+ |
Mn 2+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Ga 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , In 3+ , Tl + , Co 2+ , Ni 2+ , Mo 4+ , Sn 2+ , Pb 2+ |
Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pd 3+ , Pt 2+ , Au 3+ |
|
тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением водорода |
В водном растворе восстанавливаются металлы (при малой концентрации катионов в растворе - металл и водород) |
Легко разряжаются и восстанавливается только металлы |
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.
Электролиз находит весьма широкое применение в технике. Электролизом получают некоторые металлы; многие, полученные неэлектрическим методом, очищают от примесей. Электролизом соответствующих растворов получают кислород, водород, хлор, "тяжелую воду". Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металла, а также изготавливают рельефные металлические копии нужных изделий. На электролизе основана зарядка аккумуляторов. Каждое из возможных применений электролиза получило свое название. Рассмотрим сущность некоторых из применений электролиза в технике.
Гальванопластика – получение металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и т.п.). Для этого с предмета сначала снимают слепок из воска (стеарина), покрывают поверхность слепка порошкообразным графитом для придания электропроводности и затем используют слепок в качестве катода в электролитической ванне, содержащей растворенную соль металла. При электролизе металл электролита выделяется на поверхности слепка и образует металлическую копию предмета. Этим способом, в частности, изготавливают типографские клише, бесшовные трубы, а также другие металлические детали сложной формы.
Гальваностегия. Электролитическое осаждение металлов широко используется для покрытия металлических предметов слоем благородных металлов или защитным слоем другого металла, обладающего механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Таково электролитическое серебрение, золочение и патинирование, покрытие хромом и никелем, электролитическое покрытие железа цинком.
Очистка (рафинирование) металлов (получение чистых металлов). Для этого очищаемый металл отливают в виде пластин, и делают их анодом в электролитической ванне. Электролитом служит раствор соли данного металла. При правильном выборе напряжения между анодом и катодом добиваются того, чтобы только очищаемый металл переходил с анода в раствор и выделялся на катоде. Примеси выпадают на дно электролитической ванны в виде осадка (анодный шлам).
Очисткой путем электролиза получают, например, очень чистую (так называемую электролитическую рафинированную) медь, широко применяемую в электротехнике.
Электрометаллургия. В настоящее время многие металлы получают с помощью электролиза руд в расплавленном состоянии. Примером может служить получение алюминия. Электролизу подвергают расплав смеси глинозема Al 2 O 3 и криолита Na 2 AlF 6. Анодами служат опускаемые в расплав угольные стержни. Электролиз производится при температуре около 900 o C, причем высокая температура поддерживается самим током. Электролизом получают также натрий, магний, бериллий, фтор и другие элементы.
Электролитическое травление и полировка. Помещая металлические предметы в электролитическую ванну в качестве анода, можно заставить металл растворяться. При наличии шероховатостей у поверхности электролитическое растворение происходит быстрее у выступов и заострений, так как напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность тока возле них больше. Поэтому с помощью электролиза можно производить травление и полировку поверхностей.
Электролитические конденсаторы. На явлении электролиза основано действие так называемых электролитических конденсаторов ("электролитов"), широко применяемых в современной электротехнике и радиотехнике. Они имеют два алюминиевых электрода, находящихся в электролите. Состав электролита может быть разным, например из смеси борной кислоты и раствора аммиака с добавлением глицерина. Электролит часто изготовляют в виде густой пасты и пропитывают им бумажную прокладку, находящуюся между электродами. Работу электролитического конденсатора можно представить так: положительный полюс конденсатора покрыт тончайшим слоем окислов алюминия, который поддерживается вследствие электролиза. Этот слой является диэлектриком конденсатора, а обкладками служат алюминиевый электрод и электролит. Второй алюминиевый электрод является пассивным и служит только для включения конденсатора в цепь. Благодаря малой толщине слоя окислов емкость электролитических конденсаторов достигает многих сотен микрофарад на м 2 площади пластин.
Электролитический конденсатор обладает большой емкостью только при определенной полярности напряжения, а именно в том случае, когда окисленный электрод соединен с положительным полюсом источника. При обратном включении в цепь изолирующий слой исчезает и через конденсатор проходит большой ток, разрушающий его.
Недостатками электролитических конденсаторов являются сравнительно большие утечки, необходимость соблюдать полярность, малая величина пробойных напряжений и невозможность использования их в цепях переменного тока.
Электролиз и так называемая электролитическая поляризация получили важное техническое применение в аккумуляторах, или, иначе, вторичных источниках тока (элементах). Они представляют собой гальванические элементы, в которых вещества, предварительно накопленные на электродах в процессе электролиза (в процессе зарядки аккумулятора), расходуются при отборе тока.
Наибольшее распространение получили свинцовые, или кислотные, аккумуляторы. В простейшем виде они состоят из двух свинцовых электродов, находящихся в растворе серной кислоты. При погружении в кислоту на электродах образуется сернокислый свинец PbSO 4 , и раствор насыщается этой же солью.
При зарядке аккумулятора на его электроде, соединенном с положительным полюсом источника тока, свинец окисляется в перекись PbO 2 , а второй электрод превращается в чистый свинец. При зарядке аккумулятора появляются дополнительные молекулы кислоты, поэтому концентрация кислоты увеличивается.
При разрядке аккумулятора его положительный полюс постепенно раскисляется, и на нем происходит вновь образование сернокислого свинца, который появляется также и на отрицательном электроде. При разрядке концентрация кислоты уменьшается.
Аккумуляторы характеризуются, помимо ЭДС, емкостью, т.е. величиной заряда, отдаваемого при разрядке. Она измеряется в ампер-часах и, очевидно, тем больше, чем больше поверхность электродов.
Для увеличения емкости электроды аккумуляторов отливают в виде пластин с многочисленными ячейками наподобие пчелиных сотов и в ячейки запрессовывают окислы свинца.
Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы, которые отличаются меньшей массой при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой – из никеля, а электролитом служит 20-процентный раствор едкого калия KOH. В заряженном состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля Ni(OH) 3 , а катодом – железо.
