Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники и технологии. С использованием элект-ролиза в промышленных масштабах получают хлор и фтор, щело- чи, хлораты и перхлораты, химически чистые водород и кислород и т.д.

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и другие металлы. Для очистки металлов используютэлектрохимическое рафинирование. 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 осадок чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми (выпадают в виде анодного шлама), либо переходят в раствор электролита 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. Особо необходимо отметить значение гальванических покрытий в высоких технологиях (HiTec) таких, как микроструктурная техника, электроника и другие. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается с покрываемым металлом (или специально обработанным неметаллическим предметом), служащим катодом электролизера. Покрытие изделий цинком, кадмием, никелем, хромом, золотом и другими металлами придает изделиям не только красивый внешний вид, но и предохраняет металл от коррозионного разрушения.

Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий (матриц) с различных как неметаллических, так и металлических рельефных предметов. С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д.

Кроме того, с помощью электролиза:

 получают защитные и декоративные оксидные пленки на поверхности металлов (анодирование),

 осуществляют электрохимическую размерную обработку металла (электрохимическое фрезерование),

 проводят обработку поверхности металлического изделия (электрохимическое полирование),

 осуществляют электрохимическое окрашивание металлов, проводят электрохимическую заточку режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т. д.),

 наносят металлические покрытия на изношенные металлические покрытия для ремонтных целей,

 наносят эмалевые покрытия порошково-электростатическим методом.

12.1. Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электролиз?

2. Какие процессы имеют место при электролизе?

3. Как устроен электролизер?

4. Какой заряд имеют при электролизе а) анод, б) катод?

5. К какому электроду движутся при электролизе катионы?

6. Как заряжен электрод, к которому движутся при электролизе анионы?

7. Какой процесс протекает при электролизе:

а) на аноде, б) на катоде?

8. Какие виды анодов используют при электролизе?

9. Какой процесс протекает при электролизе на растворимом аноде?

10. Из каких материалов изготавливают инертные (нерастворимые) аноды?

11. Какова последовательность разряда ионов при электролизе на аноде?

12. Какова очередность восстановления катионов при электролизе на катоде?

13. На основании какого закона устанавливается зависимость массы вещества, образовавшегося при электролизе, от времени, силы тока и природы электролита?

14. Приведите формулировку I закона Фарадея.

15. Приведите формулировку II закона Фарадея.

16. Какое значение имеет постоянная Фарадея?

17. Что такое электрохимический эквивалент? Какую размерность он имеет?

18. Как рассчитывается электрохимический эквивалент для металлов?

20. Что такое выход по току?

21. Назовите области применения электролиза.

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

1. 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.

1. 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.

1. 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:

1. получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

1. электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка );

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

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

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

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

На рубеже 18 и 19 веков было сделано несколько открытий, которые стали толчком для рождения новой науки - электрохимии. А основателями этой науки стали двое ученых. Это итальянский физиолог Л. Гальвани и английский физик А. Вольт, который в 1799 году создал первый источник химического тока - «Вольтов столб». Именно этим ученым удалось выяснить, что когда электрический ток проходит через водный раствор какой-нибудь соли, то в этом растворе происходят химические превращения, которые сейчас называют электролитическими. Сам по себе электролиз является довольно сложной совокупностью различных процессов. (отрицательные ионы стремятся к аноду, а положительные к катоду) и диффузия ионов. Это также различные электрохимические и химические реакции, которые возникают между самими продуктами электролиза, между этими продуктами и электролитом, между ними и электродами.

А изучение этих процессов имеет не только научную ценность. Практическое применение электролиза сейчас очень актуально. Например, чистый водород, натрий или никель можно получить только таким образом. И в промышленности электролитические процессы используют для самых различных целей. С их помощью получают такие как кислород, водород, щелочи, хлор и прочие неметаллы. Также электролиз применяют для очистки некоторых металлов (серебра, меди). Еще электролитические процессы стали основой для получения лития, калия, натрия, цинка, магния и других металлов, а также металлических сплавов.

Кроме этого применение электролиза в технике - это еще и получение органических веществ, гальванических покрытий и обработка металлических поверхностей (электрополировка, борирование, очистка и азотирование). Есть еще электрофорез, электродиализ, гальванопластика и другие подобные процессы, имеющие практическое применение. Также ценность электролиза заключается в том, что с его помощью получаются чистые, практически стопроцентные металлы.

Взять хотя бы медь. В медной руде содержатся ее окислы, сернистые соединения, а также примеси других металлов. И медь, полученная из этой руды, со всеми этими примесями отливается в виде пластин. Потом эти пластины в качестве анода помещаются в раствор сульфата меди (CuSO4). И далее следует применение электролиза. На электроды ванны подается определенное напряжение и на катоде выделяется чистый металл. А все посторонние примеси выпадают в осадок или переходят в электролит, не выделяясь на катоде.

Также применение электролиза актуально и для получения алюминия. Водный раствор в этом процессе не применяется, его заменяют расплавленные бокситы. В таких рудах содержится окись алюминия, а также окись железа и кремния. После обработки бокситов щелочью получают продукт, называемый глиноземом. Этот глинозем загружается в огнеупорную печь, на дне и стенках которой выложены угольные пластины. Эти пластины подключены к минусу источника питания. А к плюсу подключают угольный анод, который проходит через стенку этой печи. И при опускании анода в печь возникает расплавляющая глинозем. Потом уже в этой расплавленной массе происходит электролитический процесс. И на дне печи скапливается чистый (до 99,5%) алюминий, который потом разливается по формам.

Но применение электролиза это не только электрометаллургия. Таким способом можно одни металлы покрывать слоем другого металла. Называется этот процесс гальваностегией и применяется он для того, чтобы предохранить поверхность металла от окисления, придания ей большей прочности, а также для придания этой поверхности лучшего внешнего вида. И в качестве покрытий обычно применяют никель и хром, которые мало подвержены окислению или благородные металлы, такие как серебро и золото.

В этом случае изделие, подлежащее тщательно обезжиривают, очищают и полируют. Потом его в качестве катода помещают в Электролитом в этой ванной служит раствор соли металла, которым будет покрываться изделия. А анод выполняется из того же металла. И чтобы это покрытие получилось равномерным, катод помещается между двумя анодами. Потом на электроды подается ток определенной мощности, и катод покрывается слоем серебра, золота, никеля или хрома.

Есть еще такое применение электролиза, которое называют гальванопластикой. Этим методом получают копии с различных металлических предметов (медалей, монет, барельефов). Для этого из пластичного материала, такого как воск, делается копия предмета. Потом ее покрывают графитовой пылью, чтобы придать ей электропроводимости и помещают эту копию в ванну, где она служит в качестве катода. И методом электролиза эта копия покрывается слоем металла нужной толщины. А воск затем удаляется путем нагревания. И это только малая часть возможностей, которые предоставляет метод под названием электролиз.

Электролиз – окислительно-восстановительные реакции, протекающие под действием постоянного электрического тока на поверхности электродов, помещенных в расплав или раствор электролита.

На отрицательно заряженном электроде – катоде – происходит процесс восстановления ионов или молекул электролита, а на положительно заряженном – аноде – процесс окисления. Последовательность протекания электродных реакций при электролизе зависит от многих факторов, основными из которых являются состав электролита, материал электродов, плотность тока, температура и др. Эти факторы влияют на величины потенциалов электродных систем, образующихся при электролизе, которые и будут определять возможность преимущественного протекания той или иной реакции. Для определения наиболее вероятных катодных и анодных реакций необходимо знать значения равновесных потенциалов и вид поляризационных кривых (см. 8.4) всех возможных электродных систем, которые могут возникнуть при электролизе.

Катодный процесс. Независимо от материала катода на нем будет протекать реакция восстановления только ионов металла () при электролизе расплавов и ионов металла или ионов водорода (молекул воды) при электролизе водных растворов электролитов.

Возможные катодные реакции при электролизе расплава электролита: восстановление катионов металла + nē ® .

Возможные катодные реакции при электролизе водного раствора: восстановление катионов металла + nē ® ,

восстановление ионов водорода 2H 2 O + 2ē ®H 2 ­ + 2OH - (pH ³7);

2H + + 2ē ®H 2 ­ (pH <7).

Последовательность протекания катодных реакций определяется величиной электродных потенциалов систем, которые возникают при протекании в системе тока. В первую очередь будут восстанавливаться более сильные окислители (Ox i ), т. е. ионы или молекулы с большим значением электродного потенциала ( > > >…> ).

Катодные процессы, протекающие при электролизе водного раствора электролита, условно можно разделить на три группы (рис.8.13).

Рис. 8‑13 Схема поляризационных кривых восстановления ионов металлаи молекул воды на катоде при рН =const

1. Восстановление только ионов металла: Me n + + nē ® Me 0 .

Данная реакция протекает при электролизе растворов, содержащих катионы, стандартные потенциалы которых больше потенциала стандартного водородного электрода, т. е. . Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . В системе, независимо от величины плотности тока и pH раствора, . При токе i потенциал катода равен j 1, а скорость выделения металла определяется величиной .

Если в растворе имеется несколько катионов, стандартные потенциалы которых положительны: , то среди них в первую очередь восстанавливаются те, у которых величина электродного потенциала больше.

При электролизе расплавов в системе не образуется водородный электрод и на катоде восстанавливаются металлы с любым значением стандартного электродного потенциала.

2. Восстановление только молекул воды или ионов водорода. При pH ³7 реакция записывается как 2H 2 O + 2ē ®H 2 ­ + 2OH - , а при pH <7 – 2H + + 2ē ®H 2 ­.

Данная реакция протекает при электролизе растворов, содержащих катионы, стандартные потенциалы которых существенно меньше потенциала стандартного водородного электрода: В. В этом случае, независимо от величины плотности тока и pH раствора, . Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . При токе i потенциал катода равен j 2, а скорость выделения водорода определяется величиной .

3. Если В, то, в зависимости от условий, в основном от плотности тока и от концентрации ионов водорода (pH электролита), возможно восстановление как ионов металла, так и молекул воды или ионов водорода.

Вероятность протекания этих реакций определяется величиной неравновесных электродных потенциалов водородного и металлического электродов. Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . При малых плотностях тока (i) и происходит восстановление преимущественно водорода. При больших плотностях тока(i >i p ) одновременно протекают обе реакции, причем скорость восстановления металла () больше, чем скорость восстановления водорода (). В точке р скорости восстановления металла и водорода равны. При больших величинах плотности тока >> , т. е. на катоде будет происходить преимущественно восстановление ионов металла.