Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ЕЛЕКТРОЛІЗ

Відомо, що вода є дуже стійким до розкладання речовиною, але і вона може бути розкладена на прості речовини електролізом:

Перед нами окислювально-відновна реакція, що не йде мимовільно. Потрібні примусовий відрив електронів від кисню і перенесення їх до водню. На це витрачається електрична робота.

Електролізом називається проведення несамопроізвольное окислювально-відновної реакції під дією електричного струму з витратою електричної роботи.

Пристрій для електролізу називається електролізером або електролізної осередком в залежності від розміру. Це ємність з розчином або розплавом електроліту і опущеними в нього електродами з металу або графіту. Катодом може служити металевий матеріал ємності. До електродів прикладають різниця потенціалів від зовнішнього джерела постійного струму. Негативний електрод - катод - віддає електрони частинкам речовини в електроліті і відновлює їх. Позитивний електрод - анод - відбирає електрони від частинок в електроліті, окислюючи їх. Процес електролізу йде тільки при достатній різниці потенціалів між електродами, що забезпечує витрату необхідної роботи.

Електролізна осередок працює як пристрій, протилежне за своєю суттю гальванічного елемента. Очевидно, що різниця потенціалів, прикладена до електродів при електролізі, не може бути менше ЕРС гальванічного елемента, так як при електролізі йде несамопроізвольное реакція, зворотна по відношенню до реакції в гальванічному елементі. Насправді при електролізі додаткове падіння напруги відбувається при проходженні струму в електроліті, виникає так звана поляризація електродів. Все це викликає необхідність підвищення напруги електролізу але порівняно з різницею потенціалів окисно-відновних пар.

Розглянемо електроліз хлороводню у водному розчині. Іони водню рухаються до катода і отримують від пего електрони. Атоми водню з'єднуються в молекули, і з електроліту поблизу катода виділяється газоподібний водень (рис. 15.5, а).

Іони хлору рухаються до анода і віддають електрони. Атоми хлору теж з'єднуються в молекули, і виділяється газоподібний хлор (рис. 15.5, б).

Процес електролізу розчину хлороводню

Мал. 15.5. Процес електролізу розчину хлороводню

Сумарна реакція в електролізері виражається рівнянням

Гази, що виділяються при електролізі на анод і катод, не повинні змішуватися, так як між ними можлива мимовільна хімічна реакція. Замкнутий простір над анодом і катодом поділяють перегородкою, а газоподібні речовини перекачують в балони (рис. 15.6).

Схема пристрою електролізера

Мал. 15.6. Схема пристрою електролізера

Процес електролізу одного і того ж речовини може протікати по-різному в різних середовищах. Наприклад, електроліз розплавленого хлориду натрію йде з виділенням рідкого натрію на катоді, виготовленому з нікелю, і газоподібного хлору на графітовому аноді:

При електролізі хлориду натрію у водному розчині натрій утворитися не може, тому що перш натрію починає відновлюватися водень. За табл. 15.1 можна знайти потенціал натрію -2,71 В, а потенціал водню, як відомо, прийнятий за 0. Електроліз йде за рівнянням

Електроліз застосовують для отримання багатотоннажних хімічних продуктів, відновлення та очищення металів, нанесення захисних та художніх покриттів на метали.

Розглянемо процес очищення міді електролізом. В цьому випадку в реакції електролізу бере участь матеріал анода. Катодом служить тонка пластина чистого металу, а анодом - злиток чорновий (неочищеної) міді. На аноді атоми міді втрачають електрони і переходять в розчин (рис. 15.7, а). У електроліті іони міді рухаються до катода, отримують з нього електрони і осідають на поверхні у вигляді чистого металу (рис. 15.7, б). Анод поступово розчиняється, а на катоді нарощується чиста мідь. Деякі домішки осідають на дно електролізера, а інші залишаються в електроліті. На анод і катод йдуть протилежні процеси з одним і тим же елементом, і в результаті сумарна реакція при очищенні металу електролізом відсутня.

Процес очищення міді електролізом

Мал. 15.7. Процес очищення міді електролізом

Якщо матеріал анода бере участь в реакції окислення, то процес називається електролізом з активним анодом.

Електроліз може проводитися в електролітах двох типів - розчинах і розплавах. При електролізі речовини в розчині не потрібно застосування високої температури, але при цьому неможливо отримувати речовини, що реагують з водою. До таких речовин відносяться багато метали, наприклад натрій. Його можна отримати тільки при електролізі розплавленої солі або лугу при досить високій температурі, що перевищує температуру плавлення солі.

Кількісні закони електролізу були відкриті англійським вченим М. Фарадеєм (1791 - 1867). Закони електролізу випливають з дискретної природи електрики, квант якого дорівнює заряду електрона.

Тому розрахунки, пов'язані з процесами електролізу, нічим, в принципі, не відрізняються від розрахунків за звичайними рівняннями хімічних реакцій. У рівняннях, що містять електрони, останні розглядаються як одне з беруть участь в реакції речовин, і до них можна застосувати стехиометрическое правило. Наприклад, для реакції

по стехиометрическому правилом

Кількість речовини електронів розраховують на основі електричних вимірювань:

де I - сила струму при електролізі в амперах (1 А = = 1 кд / с); At - тривалість процесу електролізу; F = = 96 500 Кл / моль. Далі можна розрахувати кількість і масу продукту електролізу.

У процесі електролізу можливі побічні реакції, через що зменшується кількість отриманого продукту. Реальний процес електролізу характеризується виходом по току.

де т - маса продукту; т - розрахована маса товару за кількістю витраченого електрики; М - молярна маса продукту; v (e ~) - стехиометрический коефіцієнт електронів в даному процесі.

Приклад 15.13. Для сріблення кубка його занурили в розчин діціаноаргентата (1) калію K | Ag (CN) 2 ] і з'єднали з негативним полюсом джерела постійного струму. Електроліз тривав 30 хв при силі струму 8 А. При цьому маса кубка збільшилася на 15,4 м Розрахуйте вихід за струмом.

Рішення. При електролізі відновлювалося срібло, осідаючи на поверхні металу:

Очевидно, маса кубка збільшилася на масу обложеного срібла.

З реакції очевидно, що кількість речовини електронів теоретично дорівнює кількості речовини срібла, або v (e ) = 1. Зробимо обчислення за рівнянням

(15.6):

 
<<   ЗМІСТ   >>