Электролиз

Электролиз

Сложно переоценить практическое значение электролиза – комплексного механизма физико-химических процессов.
Его механизм достаточно прост, но позволяет эффективно применять электролиз в разных сферах хозяйственной деятельности – от металлургической промышленности до декоративно-прикладной, его можно применять даже в домашних условиях.
Электролиз изучает физика и химия, в каждой области наук разработаны специфические технологии, в основе которых лежит один и тот же принцип.

Что такое электролиз

Чтобы понять, что такое электролиз, нужно представить систему, состоящую из электродов с противоположной полярностью, погруженных в жидкий электролит.
Электролиз – система процессов, работающих при взаимодействии элементов системы в присутствии постоянного электрического тока из стороннего источника и приводящих к возникновению ионного тока.

В упрощенном виде схема электролиза выглядит так.

Положительный электрод (анод) и отрицательный (катод) притягивают к себе находящиеся в жидкой среде электроны с противоположной полярностью.

Частицы с отрицательным зарядом (их принято называть анионами) движутся к аноду, катионы, несущие положительный потенциал, – к катоду.

На аноде анионы отдают свободные электроны, производя окислительную реакцию.
Катионы, наоборот, забирают на катоде электроны, проводя восстановительную реакцию, имеющую вид Men+ + ne → Me (где n – валентность металла).
Так происходит окислительно-восстановительный процесс в системе.

Чаще всего в роли катионов выступают водород и ионы металлов, а в роли анионов – хлор или кислород.

Электролиз

Электролиз и законы Фарадея

Майкл Фарадей – английский физик-экспериментатор, совершивший несколько важных открытий, касающихся электромагнитных явлений.
Электрохимические исследования природы реакций, опубликованные ученым в 1836 году, позволили ему сформулировать законы электролиза.
Они формулируют связь между количеством вещества, полученного в процессе электрохимической реакции, и объемом электроэнергии, повлиявшей на электролит.

Первый закон

В общем виде первое правило электролиза Фарадея звучит так: масса вещества, присоединившаяся к электроду при реакции прямо пропорциональна объему электричества, прошедшего через электролит с помощью электродов.
Формула реакции:

m = kq = k*I*t

(значения переменных: q – заряд, k –электрохимический эквивалент (коэффициент) вещества, I – сила тока, влияющего на электролит, t – время прохождения электричества).

Электролиз

Второй закон

Следующее правило электролиза Фарадея формулируется: масса вещества, которую получит электрод при воздействии определенного количества тока, прямо пропорциональна эквивалентной массе этого же вещества.

Этим термином обозначают молярную массу, деленную на целое число, определяющееся реакцией химии, в которой элемент участвует.
В другой формулировке закон выглядит так: равное количество электроэнергии ведет к выделению на электродах в течение электролиза эквивалентных масс разных элементов.

Для выделения одного моля вещества нужно затратить определенный объем электроэнергии, равный 96 485 Кл/моль.

Эта константа стала называться числом Фарадея.
Самая простая формулировка закона гласит: электрохимический эквивалент каждого элемента прямо пропорционален его молярной массе и обратно пропорционален валентности этого же элемента.
Формула:

m = Q/F*A/z

(значения переменных: m – искомая масса полученного вещества, Q – количество полного заряда, прошедшего через электроды, F – число Фарадея, А- молярная масса, z – химическая валентность элемента).
Соединяя вместе все значения, описанные в обоих законах, можно вывести общую формулу, определяющую массу собранного на электродах вещества:
m = A*I*t/(n*F) (n – заряд иона или количество электронов, участвующих в реакции электролиза).

Электролиз

Факторы, влияющие на электролиз

Формулы описывают прохождение реакции в идеальной среде, без учета множества сопутствующих факторов, способных изменить ожидаемый результат.
Кроме учтенного в законах комплекса составляющих, на  суммарное составляющие реакции влияют:

  • Состав электролита. На ход реакции и ее результат влияют посторонние примеси, попавшие в электролит.
    Их разделяют на катионные, анионные и органические.
    Посторонние молекулы имеют более или менее отрицательный потенциал, чем основное соединение, а это сильно мешает процессу.
    У концентрации органических загрязнений (это могут быть ПАВ или масла) есть конечное допустимое значение.
  • Плотность электричества.
    Законы Фарадея утверждают, что, чем мощнее сила тока, тем больше количество вещества, которое осядет на электродах.
    На практике увеличение силы тока часто становится причиной неблагоприятных явлений – интенсивный нагрев электролита, концентрированная поляризация электродов, чрезмерное напряжение тока.
    Чтобы получить ожидаемый от электролиза результат, следует соблюдать оптимальные для каждой ситуации значения плотности энергии.
  • Температура электролита. Ее действие неоднозначно. С одной стороны, с ее увеличением растет интенсивность реакции, с другой – повышается активность посторонних примесей.
    Поэтому необходимо следить, чтобы температура жидкости находилась в оптимальных пределах для конкретного случая, обычно это 38-45 градусов.
  • Кислотно-щелочной баланс электролита. Оптимальное значение pH среды зависит от определенного вещества.
    Возможно контролировать скорость протекания электролиза и его результат, доводя его до оптимального, если верно сочетать влияние имеющихся факторов.
    Для каждого вида реакции опытным путем выработаны нужные режимы работы, которых необходимо придерживаться.

Электролиз

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Электроды – стержни, сделанные из материалов с высокой электропроводностью.
Их можно разделить на две категории – активные электроды, которые, окисляясь, участвуют в обмене ионами, и инертные – из графита, угля или платины, исполняющие только функцию проводников.

Активные электроды – аноды – могут окислиться до полного растворения в электролите, отдав ионы катоду.

Чтобы правильно рассчитывать формулы и получать ожидаемый результат электролиза – будь то в рамках школьной подготовки к ЕГЭ, экзаменам или в процессе работы предприятия – необходимо понимать, как именно участвуют электроды разной полярности в течении реакции.
К электроду, имеющему отрицательный заряд, – катоду – притягиваются ионы с противоположным зарядом «+», например, металлы: натрий (Na+), калий (K+), медь (Cu2+), железо (Fe3+), серебро (Ag+) и прочие.

Процесс электролиза на катоде сильно зависит от того, насколько активно вещество.

Определить фактор поможет его позиция в ряду электрохимической активности металлов:

  • Сильно активный металл (литий, натрий, калий), взаимодействуя с катодом, вместо себя восстанавливает молекулы воды, из которых, в свою очередь, выделяется водород.
  • Средняя активность металла (хрома, железа, кадмия) способствует образованию на катоде и воды, и молекул вещества.
  • Малая активность металла (меди, серебра) позволяет получить молекулы вещества в чистом виде.

Электролиз

Промежуточным звеном в ряду напряжения между высоко- и среднеактивными металлами считается алюминий.

Все металлы, находящиеся в ряду до него включительно, не восстанавливаются на катоде, выделяя только водород из молекул воды.

Чистое вещество помогает получить электролиз AlCl3 (хлорида алюминия) и других металлов высокой активности в безводном расплаве – исходная смесь распадается на составные части, например, AlCl3 → Al + Cl2.

К положительно заряженному аноду стремятся анионы с «+», а к отрицательно заряженному катоду катионы с «-«.

Они притягивают к себе электроны из проводника, окисляя его, меняют заряд на положительный и притягиваются к катоду.

Анодный процесс иногда приводит к полному растворению электрода из активного вещества в электролите.

Анионы разных элементов также различаются по степени активности.
Такой процесс, как окисление, имеет особенности, зависящие от дополнительных составляющих анионов:

  • Молекулы, содержащие кислород – сульфаты, фосфорные кислоты – при электролизе окисляют молекулы воды, выделяя из них кислород.
  • Бескислородные анионы, взаимодействуя с анодом, выделяют определенные галогены: как примеры, из сульфидов выделяется сера, из хлоридов — хлор.
    Все неметаллы проще окисляются, чем кислород.
    Исключение – фтор, который, как самое электроотрицательное вещество, в результате реакции окисляет молекулы воды в растворе до кислорода.
  • Органический элемент окисляется на аноде так: присоединенный к карбоксильной группе радикал удваивается, а сама группа принимает форму газа (CO2).

Электролиз в средах

Различие принципов прохождения электролиза расплавов и растворов – это то, что в растворе, кроме частиц вещества, присутствуют молекулы воды, которые препятствуют восстановлению на катоде некоторых веществ.

Вода

Включаясь в реакцию электролиза, вода H2O конкурирует с ионами электролита и анода за восстановление на катоде.

В зависимости от свойств вещества в процессе электролиза водного раствора на отрицательном электроде могут восстановится кислород, катионы из жидкой среды или молекулы растворимого анода.

Например, в случае NaF электролиза процесс проходит только для ионов воды, разделяющихся на кислород и водород.

2H2O → 2H2 + O2

Расплавы солей

Из-за отсутствия «конкуренции» молекул воды электролиз расплавов предсказывается и просчитывается проще, чем реакция раствора.

Все металлы, вне зависимости от активности, реагируют одинаково.

В качестве примера можно рассмотреть электролиз расплава хлорида натрия.
При прохождении через расплав NaCl электрического тока на катионе произойдет восстановление частиц натрия, а на аноде – окисление хлористого остатка.
Общее уравнение в этом случае выглядит так: 2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20. Аналогичным образов происходит разделение вещества при электролизе солей остальных металлов.

Электролиз

Электролиз

 

ГИДРОКСИД НАТРИЯ, ВОДОРОД И ХЛОР ПОЛУЧАЮТ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ ВОДНОГО РАСТВОРА NaCI

Электролиз

 

 

Растворы солей

Рассчитать результат реакции электролиза раствора сложнее, даже если не учитывать наличие возможных примесей.
Ведь, кроме молекул солей металлов, при протекании электролита на процесс влияют молекулы воды, имеющие значимое влияние на ход процесса.

В течение электролиза растворов солей на отрицательном электроде будут восстанавливаться либо водород, либо катионы электролита, либо молекулы металла.

Результат зависит от того, сколько внешней энергии понадобится в каждом случае – в приоритете будет реакция с наименьшим потреблением электричества.

Электролиз растворов приведет к тому, что к катоду устремятся ионы с максимальным энергетическим потенциалом, а анод привлечет анионы, обладающие самым маленьким потенциалом.

В примере с электролизом раствора хлорида натрия на катоде можно получить лишь водород.

2H+2O +2ē → H20 + 2OH

Электролиз раствора соли карбоновых кислот способствует окислению атома углерода и происходит выделение углекислого газа

Раствор сульфата меди на аноде молекулы воды

2H2O-2 – 4ē → O2 + 4H+

 

Особенности электролиза в растворах

Результат водных реакций электролиза в присутствии воды зависит только от позиции металла в электрохимическом ряду напряжений.
Правила электрохимического процесса растворов на катоде таковы:

  • На отрицательном электроде появляется вода и выделяется кислород, если металл, содержащийся в электролите, располагается левее алюминия (входит в перечень от лития до алюминия), например, при электролизе раствора хлорида натрия.
  • Совместное восстановление воды и ионов металла происходит в случае нахождения металла в ряду от алюминия до водорода (от магния до свинца включительно).
  • Восстановление только металла на катоде возможно, если вещество электролита располагается правее водорода (ряд от меди до золота включительно).
    Электролиз раствора на аноде зависит от состава электрода.
    Активный анод в любом случае окисляется, а иногда и полностью растворяется сам.
    Инертный электрод, состоящий из графита, платины или золота, проявляет такие свойства:
  • В присутствии солей бескислородных кислот, исключая фториды, анод будет окисляться.
  • Электролиз оксикислот (таких, как раствор азотной кислоты HNO3) и соединений фтора ведет к окислению воды, ионы металла останутся в жидкости.
  • Прохождение электричества через раствор щелочей выделит из электролита гидроксид-ионы.
    Чтобы добиться реакции от некоторых кислот, например, провести электролиз уксусной кислоты, необходимо сделать достаточно разбавленный водный раствор, чтобы она стала проявлять признаки электропроводности.

Растворы электролитов с инертными электродами

Чтобы лучше понять процессы, проходящие с участием инертных электродов, стоит рассмотреть несколько наглядных примеров:

  • Гидроксид натрия (NaOH).
    Позиция натрия находится левее алюминия, следовательно, его катоды на будут восстанавливаться из электролита.
    При катодном электролизе раствора гидроксида натрия восстановится водород, гидроксиды 2OH на аноде окисляются до кислорода и воды.
  • Сульфат меди CuSO4.
    Место меди находится в ряду напряжений правее, чем водород, поэтому полностью восстановится на катоде.
    Анод окислит молекулы воды, а кислотные остатки кислородом останутся в электролите.
  • Серная кислота H2SO4.
    На катоде будут восстановлены только катионы водорода, на аноде будет идти процесс окисления воды.
  • Сульфат натрия Na2SO4.
    Как и в предыдущем примере, катионы натрия останутся в электролите, на катоде восстановится водород.
    Анион сульфат ион, как кислородсодержащих, так же не смогут выделиться из жидкости.

В газах

Газ сможет выступить в роли электролита лишь в присутствии ионизатора.

Электроэнергия сможет произвести ожидаемую реакцию на электродах, только пройдя через ионизированную среду.

В этом случае законы Фарадея не имеют силы.
Процесс газового электролиза подчиняется таким правилам:

  • Воздействию доступны только кислоты, находящиеся в газообразном состоянии и не содержащие кислорода, или некоторые газы.
  • Реакция не осуществится без искусственной ионизации среды, вне зависимости от силы или напряжения электроэнергии.

Если происходит распад электролита на ионы то это электролитическая диссоциация.

Таблица изменения веществ при электролизе

Электролиз

Электролиз в промышленности

Принцип разделения веществ с помощью электричества не сложен и хорошо изучен, поэтому много где применяется.
В результате разложения получаются различные химических вещества (металлы, щелочи, газы) в чистом виде, производится синтез органических частиц и неорганического материала, очистка сточных вод, разряжаются аккумуляторы, защищаются от коррозии и других негативных воздействий поверхности техники, инструментов и предметов быта.

Электролиз – это основной (а зачастую – и единственный) способ получения вещества высокой чистоты и качества.

Применение электролиза в технике, благодаря способности катода осаждать на себе молекулы химических элементов, позволяет создавать прочные бесшовные трубы, надежное защитное покрытие для металлических поверхностей, ювелирные украшения, точные слепки со сложных форм.

Добыча металлов

Электролиз расплавов эффективно используется при выделении из руды или солей активных металлов вроде алюминия, калия, бериллия или натрия.

Чтобы создать электролит из бокситов – алюминиевой руды, в которой металл находится в виде оксида – их растворяют в криолите.

В емкости, где проходит электролиз, катодом является дно, покрытое слоем углерода, а анодом – инертный углеродный стержень.
В результате этой реакции продукт электролиза – чистый алюминий – скапливается на дне и сливается через специальные отверстия.

Электролиз

Электрометаллургия

Добыча металлов в электрометаллургии производится двумя видами процессов – электротермическими и электрохимическими.
В первом случае выделение из руд и концентратов чистого вещества или образования сплава достигается за счет использования электричества как источника тепловой энергии.
Во втором случае производство металла основывается на принципах электрохимического взаимодействия веществ.

Электролиз расплава или раствора солей дает возможность получать металлы повышенной чистоты, отделяя их от примесей буквально по молекулам.

Процесс рафинирование – это очистка меди

Чтобы получить очень чистую, рафинированную медь, в качестве электродов используются стержни или пластины из уже очищенного и с примесями металла и электролита – раствора сульфата меди.

Загрязненный электрод заряжается положительно и, в качестве активного анода, растворяется в процессе реакции.

Молекулы меди осаждаются на чистом катоде, а примеси выпадают на дно емкости в виде осадка.
Таким же способом очищают золото, серебро и другие цветные металлы.

Гальванопластика

С помощью нанесения на исходный предмет равномерного металлического слоя возможно создать неограниченное число его копий.
Для этого с оригинала снимается слепок и покрывается слоем электропроводящего вещества.
Таким образом делаются слепки со сложных поверхностей, украшения и многого другого.

Электролиз

Гальванополировка

Принцип гальванополировки базируется на том, что, когда исходный предмет в электролите подвергается действию электричества, то самое сильное электрополе возникает на выступах его поверхности.

Если он заряжен положительно, то в процессе электролиза быстрее всего теряет выступающие электроны и таким способом становится более гладким, то есть полируется.

Анодирование

Защитное покрытие поверхности металла в этом случае выполняется за счет неметаллических соединений и серной кислоты.

Металлическая деталь выступает в роли анода, а электролитом служит кислота.

При электролизе на поверхности анода образуется декоративный и защитный слой из оксида металла.

Сфера применения технологии остаточно широка, ее принципы давно использовались даже в домашних условиях.
Но очень важно тщательно соблюдать технику безопасности.

Электролиз

Гальваническое покрытие

Электролизом можно нанести тонкий равномерный слой металла на поверхность предметов с целью сделать ее менее активной, защитить от негативных влияний, украсить, повысить или понизить электропроводимость.

При этом обрабатываемый предмет выступает в роли электрода, а соль металла – как электролит.

В зависимости от дальнейшего предназначения гальванизируемого предмета его таким способом покрывают цветными и драгоценными металлами.

Электрофорез

Лечебная процедура, использующая принцип электролиза, называется электрофорезом.
Препараты вводятся непосредственно в кожу, чтоб они быстрее попали в кровь и подействовали.
Для этого между специальными электродами и телом человека прокладывается материал, пропитанный электропроводящим лекарственным веществом.
Заряженные частицы под воздействием электричества проникают в кожу и тело пациента.

Скорость проникновения лекарства можно регулировать, варьируя силу тока.

Энергетические затраты

Применение электролиза требует высоких затрат энергии по нескольким причинам:

  • Чтобы процесс электролиза был эффективным, необходимо обеспечить присутствие постоянного тока на электроды в течение длительного времени;
  • Часто полезный результат реакции напрямую зависит от силы тока – чем выше напряжение, тем быстрее и качественнее она проходит.
  • Часть энергии теряется вследствие сопротивления электролита, анодного или катодного перенапряжения.

Течение реакции, энергетические затраты и полученную пользу можно спрогнозировать, зная основные законы электролиза.

 

Оцените статью
Сайт об основах электротехники для электриков и домашних мастеров
Добавить комментарий

  1. Kristen

    Спасибо как раз искал такую информацию.

    Ответить
  2. Seomasterseo

    You have helped us a lot. Thanks.

    Ответить
Adblock
detector