Что такое электролиз и где он применяется на практике

Теоретическая часть

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих под действием постоянного электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита. При электролизе химическая реакция осуществляется за счет энергии электрического тока, подводимой извне. Электролиз проводят в особых приборах – электролизерах. Это сосуд с раствором или расплавом электролита и опущенными в него электродами из металла или графита. К электродам прикладывают разность потенциалов от внешнего источника постоянного тока. Катод отдает электроны частицам вещества в электролите и восстанавливает их. Анод отбирает электроны от частиц в электролите, окисляя их.

Электролиз расплавов оснований.

При электролизе процессы окисления и восстановления протекают на различных электродах – аноде и катоде. Анод – это электрод, на котором происходит процесс окисления. При электролизе анод заряжен положительно. Катод – это электрод, на котором происходит процесс восстановления. При электролизе катод заряжен отрицательно. На окислительно-восстановительные процессы, протекающие при электролизе, влияют различные факторы:

  • Природа электролита и растворителя;
  • Материал электродов;
  • Режим электролиза (напряжение, сила тока, температура).

Различают 2 типа электролиза: электролиз расплава и электролиз растворов электролитов. Электролиз расплавов оксидов На катоде идет восстановление катионов металла: Men++ nē = Me0 , т.е. на катоде выделяется металл. На аноде окисляется кислород: O –2 –2ē = O2 Например, электролиз расплава оксида калия: 2K2O = 4K + O2 При изучении алюминия, способов получения металлов, надо знать электролиз оксида алюминия. Металлический алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите Na2AlF6 при 960–970°С. Электролиз Al2O3 можно представить следующей схемой: в расплаве оксид алюминия диссоциирует: Al2O3= Al3++ AlO3 3– , на катоде восстанавливаются ионы Al3+ : Al3++3ē Al0 , на аноде окисляются ионы AlO3 3– : 4AlO3 3– – 12ē 2Al2O3 + 3O2. Суммарное уравнение процесса: 2Al2O3 4Al + 3O2. Жидкий алюминий собирается на дне электролизера.

Электролиз расплавов оснований

На катоде традиционно восстанавливается металл: Men+ +nē = Me0 На аноде будет окисляться кислород в составе гидроксид-группы: 4OH− −4ē =2H2O + O2 Электролиз расплавов солей 1. Электролиз расплава бескислородной соли: На катоде всегда восстанавливается металл: Men + nē = Me0 На аноде окисляется бескислородный анион: A n– – nē = A0 Например: Электролиз расплава NaCl: 2NaCl = 2Na + Cl2 2.Электролиз расплава кислородсодержащей соли (элемент аниона находится не в высшей степени окисления): На катоде всегда восстанавливается металл: Men++ nē = Me0 На аноде будет окисляться элемент аниона: SO3 2– – 2ē = SO3 0 Например, электролиз расплава сульфита натрия: Na2SO3 = 2Na + SO3 Сера S в сульфите имеет степень окисления +4, при электролизе она окисляется до +6 (SO3). 3.

Электролиз расплава кислородсодержащей соли (элемент аниона в высшей степени окисления): На катоде всегда восстанавливается металл: Men++ nē = Me0 На аноде: т.к

элемент уже в высшей степени окисления, то окисляться будет кислород, например: 2CO3 –2 – 4ē = 2CO2 + O2 Например, электролиз расплава карбоната натрия: 2Na2CO3 = 4Na + 2CO2+ O2 Важно понимать, что эти реакции не идут сами по себе. Их протекание возможно только при действии электрического тока. Электролиз растворов На катоде могут протекать следующие реакции восстановления

Электролиз растворов На катоде могут протекать следующие реакции восстановления.

Электролиз расплавов оснований.

Как работает электролиз.

Использование процесса

Электролиз растворов используется в разных отраслях современной промышленности. В химической отрасли с помощью данного процесса получают хлор, щелочи, перхлораты, хлораты, персульфаты, органические вещества, перманганат калия, надсерную кислоту, фтор, кислород, водород, иные ценные продукты.

В цветной металлургии электролиз расплавов применяют для извлечения чистого металла из руд. Металлы, которые нельзя выделять из-за высокого отрицательного потенциала из водных растворов, в цветной металлургии получают электролизом расплавов. Среди металлов, которые получают путем электролиза так называемых расплавленных сред, отметим магний, алюминий, уран, бериллий, цирконий.

Электролиз используют в машиностроении, электронной промышленности, радиотехнике, полиграфии, чтобы наносить тонкие металлические покрытия на изделия, защищая их от коррозии, увеличивая износостойкость, повышая жаропрочность.

Устройство и принцип работы

Самая простейшая электролизная установка состоит из нескольких «ячеек», каждая из которых включает в себя:

  • 2 пластинчатых электрода – катод (отрицательный) и анод (положительный);
  • Резиновую прокладку, располагающуюся по периметру двух смежных разноименных электродов.

Крайние ячейки оснащаются специальными патрубками, через которые отводятся выделяющиеся газы.

Несколько соединенных между собой «ячеек» электролизной установки

Электролизер может содержать от 1 до 30-40 и более таких «ячеек», одноименные пластины которых подключены последовательно.

Важно! При использовании источников питания с переменным током дополнительно применяют выпрямители, самым простейшим из которых является диодный мост. Работает такая установка следующим образом:. Работает такая установка следующим образом:

Работает такая установка следующим образом:

  • В пространство между электродами заливают дистиллированную воду с растворенной в ней щелочью или обычной пищевой содой;
  • От источника питания на электроды всех ячеек установки подается напряжение номиналом 1,8-2,0 В;
  • В результате протекания процесса электролиза к отрицательно заряженному катоду притягиваются анионы (положительно заряженные ионы) растворенного в воде вещества, в результате чего на нем образуется тонкая пленка натрия;
  • На положительно заряженном аноде происходит разрушение молекул воды, при этом из каждой образуется 2 атома водорода и 1 атом кислорода;
  • Выделяющийся гремучий газ по отводным патрубкам попадает в предназначенную для него емкость.

Интенсивность процесса электролиза зависит от величины напряжения и силы тока – при малых значениях данных характеристик процесс протекать не будет. Если источник питания будет подавать ток со слишком большими значениями вольт-амперной характеристики, заливаемый в электролизер раствор будет сильно нагреваться и выкипать.

Лабораторная работа №4.

1. Электролиз водного раствора иодида калия.

2KJ+2H2O электролиз J2+2H2+2KOH

Процесс на аноде.

А(+): 2J—2e-→J2

Процесс на катоде.

К(-): 2H2O+2e-→H2+2OH-

В результате электролиза наблюдаем:

При добавлении фенолфталеина в околокатодное пространство раствор становится малинового цвета, так как при восстановлении молекул воды образуются ионы ОН-, которые создают щелочную среду.

При добавлении раствора крахмала в околоанодное простанство наблюдаем появление синего окрашивания, которое является качественной реакцией на молекулярный йод, который образуется при окислении ионов J-.

2. Электролиз водного раствора сульфата натрия.

  • Na2SO4+2H2O электролиз Na2SO4+2H2+O2↑
  • 2H2O электролиз 2H2+O2↑

Процесс на аноде.

А(+): H2O-4e-→O2+4H+

Процесс на катоде.

К(-): 2H2O+2e-→H2+2OH-

При добавлении раствора универсального индикатора в околокатодное пространство наблюдаем синее окрашивание, так как при восстановлении молекул воды образуются ОН- ионы, которые дают щелочную среду.

При добавлении раствора универсального индикатора в околоанодное пространство наблюдаем красное окрашивание, так как при окислении молекул воды образуются H+ ионы, кторые дают кислую среду.

Сульфат натрия не принимает участия в электролизе. Протекает только электролиз воды.

3. Электролиз водного раствора сульфата меди (II).

2CuSO4+2H2Oэлектролиз 2Cu+O2+2H2SO4

Процесс на аноде.

А(+): H2O-4e-→O2+4H+

Процесс на катоде.

К(-): Cu2++2е-→Сu0

При электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде наблюдаем выделение осадка красной меди.

В околоанодном пространстве выделяются пузырьки кислорода.

Вывод по проведенной работе:

Электролиз -окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного тока через систему, включающую электролит.

Электролиз растворов осложняется участием в электродных процессах ионов Н⁺ и ОН⁻. Кроме того, молекулы воды сами могут подвергаться электродному окислению или восстановлению.

Катодные процессы в водных растворах при электролизе зависят от природы катиона.

Процессы, происходящие на катоде зависят от окислительной способности катиона металла:

  • Li, K, Ca, Na, Mg, Al Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb H Cu, Hg, Ag, Pt, Au
  • Меn⁺не восстанавливается (остаётся в растворе)
  • 2 Н₂О+ 2ē = Н₂↑+2 ОН⁻ Меn⁺ + nē = Me°
  • 2 H₂O + 2ē = H₂↑ + 2 OH⁻ Men⁺ + nē = Me°

Анодные процессы в водных растворах зависят от материала анода и природы аниона.

Процессы, происходящие на аноде

Безкислородные кислотные остатки

Кислородсодержащие кислотные остатки

  • J⁻, Br⁻, S²⁻, Cl⁻ Окисление Аm⁻ (кроме F⁻)
  • Аm⁻ – m ē = A° OH⁻, SO₄²⁻, NO₃⁻, F⁻

В щелочной среде:

  • 4 ОН⁻ – 4 ē = О₂↑ + 2 Н₂О
  • в кислой и нейтральной среде: 2 Н₂О – 4 ē = О₂↑ + 4 Н⁺

(Влияние материала анода не рассматриваем, так как в лабораторной работе влияние материала анода на протекание электролиза не рассматривается).

8. Приведите формулировку законов Фарадея? Каковы их математические выражения? Что называют числом Фарадея? Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на инертных электродах при электролизе растворов CdCl2 и CdSO4.

Ответ:

Течение первичных анодных и катодных реакций во время протекания электролиза подчиняется законам Фарадея.

Первый закон Фарадея: масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, пропорциональная количеству электричества Q, прошедшему через электролит:

  • m = kQ, но Q =It (1)
  • где I – сила тока, А; t – время пропускание тока, с.
  • m = kIt (2)

k – коэффициент пропорциональности, равный количеству вещества, выделяемого при прохождении одного кулона (Кл) электричества (электрохимический эквивалент).

Второй закон Фарадея: массы различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, пропорциональных их химическим эквивалентам (Мэ):

Для выделения 1 грамма эквивалента вещества требуется пропустить через электролит одно и тоже количество электричества, равное приблизительно 96500 Кл (число Фарадея). Следовательно:

Подставив последнее уравнение в (2), получим формулу, объединяющую оба закона Фарадея.
(3)

Соотношение (3) используют в расчетах процессов при электролизе.

Электролиз водного раствора хлорида кадмия (II):

  • CdCl2Cd2++2Cl-
  • K(-):Cd2+, H2O А(+): Cl-, H2O
  • Cd2++2e-→Cd 2Cl—2e-→Cl2

Суммарное уравнение электролиза:

CdCl2→Сd+Cl2

Электролиз водного раствора сульфата кадмия (II):

  • CdSO4→ Cd2++SO42-
  • K(-):Cd2+, H2O А(+):SO42-, H2O
  • Cd2++2e-→Cd 2H2O-4e-→O2+4H+

Суммарное уравнение электролиза:

2CdSO4+2 H2O→2Cd+O2+2H2SO4

Направления исследований

Электролиз углекислого газа

Электрохимическое восстановление или электрокаталитическое преобразование CO 2 может давать химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан , этилен , этанол и т. Д. Электролиз диоксида углерода дает формиат или монооксид углерода, но иногда и более сложные органические соединения, такие как этилен . Эта технология изучается как углеродно-нейтральный путь к органическим соединениям.

Электролиз подкисленной воды

Электролиз воды производит водород и кислород в соотношении 2: 1 соответственно.

2 H 2 O (л) → 2 H 2 (г) + O 2 (г); E = +1,229 В

Энергетическая эффективность электролиза воды колеблется в широких пределах. Эффективность электролизера — это мера энтальпии, содержащейся в водороде (для сгорания с кислородом или какой-либо другой более поздней реакции), по сравнению с подводимой электрической энергией. Значения теплоты / энтальпии для водорода хорошо опубликованы в научных и технических текстах и ​​составляют 144 МДж / кг

Обратите внимание, что топливные элементы (не электролизеры) не могут использовать это полное количество тепла / энтальпии, что привело к некоторой путанице при вычислении значений эффективности для обоих типов технологий. В реакции часть энергии теряется в виде тепла

В некоторых отчетах указывается эффективность от 50% до 70% для щелочных электролизеров; однако гораздо более высокая практическая эффективность доступна при использовании электролиза с полимерным электролитом с мембраной и каталитической технологии, например 95% эффективности.

Национальная лаборатория возобновляемой энергии по оценкам , что 1 кг водорода (примерно эквивалентно 3 кг, или 4 л, нефти с точки зрения энергии) может быть получен путем Ветряные электролиза между $ 5,55 в ближайшем будущем и $ 2,27 в долгосрочной перспективе.

Около 4% газообразного водорода, производимого во всем мире, вырабатывается путем электролиза и обычно используется на месте. Водород используется для производства аммиака для удобрений с помощью процесса Габера и преобразования тяжелых нефтяных источников в более легкие фракции посредством гидрокрекинга . В последнее время для улавливания водорода в водородных топливных элементах в водородных транспортных средствах используется электролиз на месте .

Электролиз воды с использованием углерода / углеводородов

В последнее время для снижения энергозатрат использование углерода ( уголь ), спиртов (углеводородный раствор) и органических растворов ( глицерин , муравьиная кислота, этиленгликоль и т. Д.) При совместном электролизе воды было предложено в качестве жизнеспособного варианта. . Процесс электролиза воды с использованием углерода / углеводородов (так называемый CAWE) для производства водорода будет выполнять эту операцию в одном электрохимическом реакторе. Этот энергетический баланс системы может потребоваться только около 40% потребляемой электроэнергии, при этом 60% приходится на химическую энергию углерода или углеводорода. В этом процессе в качестве топлива используются твердые частицы угля / углерода или порошок в качестве топлива, диспергированного в кислотном / щелочном электролите в виде суспензии, а углеродсодержащий источник участвует в процессе электролиза в соответствии со следующими теоретическими общими реакциями:

Углеродно-угольная суспензия (C + 2H 2 O) -> CO 2 + 2H 2 E ‘= 0,21 В (обратимое напряжение) / E’ = 0,46 В (термо-нейтральное напряжение)

или

Углеродно-угольная суспензия (C + H 2 O) -> CO + H 2 E ‘= 0,52 В (обратимое напряжение) / E’ = 0,91 В (термо-нейтральное напряжение)

Таким образом, этот подход CAWE заключается в том, что фактическое перенапряжение ячейки может быть значительно снижено до уровня ниже 1 В по сравнению с 1,5 В для обычного электролиза воды.

Электрокристаллизация

Специализированное применение электролиза включает рост проводящих кристаллов на одном из электродов из окисленных или восстановленных частиц, которые образуются на месте. Метод был использован для получения монокристаллов низкоразмерных электрических проводников, таких как соли с переносом заряда и соединения с линейной цепью.

Особенности электролиза в растворах

Важно учитывать тот факт, что, помимо ионов электролита, есть также в растворе и продукты диссоциации воды: катионы водорода и анионы гидроксильной группы. Именно поэтому у катода возможна разрядка и катиона электролита, и протона водорода. У анода осуществляется разрядка гидроксильных ионов и анионов электролита

У анода осуществляется разрядка гидроксильных ионов и анионов электролита.

Также молекулы воды вполне могут подвергаться электрохимическому восстановлению или окислению.

При тщательном рассмотрении катодных процессов, которые протекают в ходе электролиза водного раствора, важно учитывать величину потенциала восстановления протонов водорода. Он зависит от концентрации катионов водорода, имеющего значение -0, 41 В. Если в растворе электролита присутствует металл, у которого электродный потенциал имеет более положительное значение, следовательно, у катода в рамках электролиза будет наблюдаться его восстановление

Это утверждение относится к тем металлам, которые в электрохимическом ряду напряжений Бекетова располагаются вблизи водорода. При более отрицательном значении электродного потенциала, чем у катионов водорода, металл не будет восстанавливаться на катоде. В таких случаях на данном электроде скапливается водород

Если в растворе электролита присутствует металл, у которого электродный потенциал имеет более положительное значение, следовательно, у катода в рамках электролиза будет наблюдаться его восстановление. Это утверждение относится к тем металлам, которые в электрохимическом ряду напряжений Бекетова располагаются вблизи водорода. При более отрицательном значении электродного потенциала, чем у катионов водорода, металл не будет восстанавливаться на катоде. В таких случаях на данном электроде скапливается водород.

При значении потенциала металла, сходном с показателем -0,41 В, допустимо одновременное образование на катоде как водорода, так и чистого металла .

На характер катодного процесса в случае электролиза раствора соли (щелочи) влияет расположение металла в ряду электрохимических напряжений металлов Бекетова.

При анализе процессов, протекающих на аноде, необходимо учитывать тот факт, что возможно окисление материала анода. Именно поэтому в электрохимии выделят инертный анод, а также электрод, состоящий их активного анода.

Инертным является тот анод, у которого в рамках протекающего электролиза материал не подвергается окислению. Активным считают анод, способный окисляться в ходе электролиза.

Для инертных анодов выбирают платину, уголь, графит. Именно этот вариант рассматривается в школьном курсе химии.

В чём заключается процесс

Катод — определение и практическое применение

Технологический порядок электролиза, или ещё его называют гальванолизом, происходит по законам химии и физики. При этом берутся электропроводящие растворы (жидкости), в которых при помощи двух электродов организовано электрическое поле.

Внимание! Электроды имеют названия. Катод (К) – электрод, имеющий отрицательный потенциал, анод (А) – электрод с положительным потенциалом

Ионы движутся упорядоченно через раствор, который носит название электролита. При этом ионы, относящиеся к металлам, водороду (катионы) направляются к катоду, к аноду стремятся ионы, принадлежащие к кислотным остаткам или гидроксильной группы (анионы). Катионы имеют положительный знак заряда, анионы – отрицательный. Пропускание электрического тока при электролизе может осуществляться, как через растворы, так и через расплавы электролитов.

Информация. При приготовлении электролита происходит диссоциация раствора на ионы. Это обусловлено взаимодействием растворителя на растворяемое вещество. Такая реакция называется первичной. Дальнейшее воздействие электрического тока на электролит вызывает вторичную реакцию гальванолиза.

Подобное разделение на первичность и вторичность позволило Майклу Фарадею обосновать законы, применяемые к гальванолизу.


Процесс электролиза

Способы производства меди

В настоящее время разработано несколько способов получения меди. Основными являются:

  • пирометаллургия;
  • гидрометаллургия;
  • электролиз.

Наибольшее количество производится с применением первого способа. С его помощью получают практически 90% всего металла. Он достаточно трудоёмкий и продолжительный. Технология производства меди этим способом включает несколько этапов, которые осуществляют обогащение поступающего материала, последовательное получение готового материала. Каждый из этапов содержит строгую последовательность технологических задач. Обычно завод по производству меди выполняет весь комплекс операций.

Для получения так называемой катодной меди используется третий способ. Полностью этот способ называется – электролитическое рафинирование с последующим осаждением готового продукта на поверхности металлических пластин.

История

Слово «электролиз» было введено Майклом Фарадеем в 19 ​​веке по предложению преподобного Уильяма Уэвелла с использованием греческих слов ἤλεκτρον «янтарь», который с 17 века ассоциировался с электрическими явлениями , и λύσις означает «растворение». Тем не менее, электролиз как инструмент для изучения химических реакций и получения чистых элементов предшествует введению термина и формальному описанию Фарадеем.

В начале девятнадцатого века Уильям Николсон и Энтони Карлайл пытались продолжить эксперименты Вольты . Они прикрепили два провода по обе стороны от батареи Вольта, а другие концы поместили в трубку, наполненную водой. Они заметили, когда провода были соединены вместе, что каждая из них образовывала пузыри. Один тип — водород, другой — кислород.

В 1785 году голландский ученый по имени Мартинус Ван Марум создал электростатический генератор, который он использовал для восстановления олова, цинка и сурьмы из их солей с помощью процесса, позже известного как электролиз. Хотя он неосознанно производил электролиз, только в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл обнаружили, как работает электролиз.

В 1791 году Луиджи Гальвани экспериментировал с лягушачьими лапками. Он утверждал, что размещение мышц животного между двумя разными металлическими листами привело к появлению электричества. В ответ на эти утверждения Алессандро Вольта провел собственные тесты. Это дало бы понимание идей Хэмфри Дэви по электролизу. Во время предварительных экспериментов Хамфри Дэви предположил, что когда два элемента соединяются вместе, образуя соединение, высвобождается электрическая энергия. Хамфри Дэви продолжил создавать таблицы разложения на основе своих предварительных экспериментов по электролизу. Таблицы разложения дадут представление об энергиях, необходимых для разложения определенных соединений.

В 1817 году Йохан Август Арфведсон определил, что в некоторых из его образцов есть еще один элемент, литий; однако он не мог изолировать компонент. Только в 1821 году Уильям Томас Бранде использовал электролиз, чтобы выделить его. Два года спустя он оптимизировал процесс, используя хлорид лития и хлорид калия с электролизом для получения лития и гидроксида лития.

В более поздние годы исследований Хэмфри Дэви его помощником стал Майкл Фарадей. Изучая процесс электролиза под руководством Хамфри Дэви, Майкл Фарадей открыл два закона электролиза .

Во времена Максвелла и Фарадея возникли опасения по поводу электроположительной и электроотрицательной активности.

В ноябре 1875 года Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий, используя электролиз гидроксида галлия, с получением 3,4 мг галлия. В декабре он представил свое открытие галлия Академии наук в Париже.

26 июня 1886 года Фердинанд Фредерик Анри Муассан наконец почувствовал себя комфортно, проводя электролиз на безводном фтористом водороде для создания газообразного элемента с чистым фтором. Прежде чем использовать фтористый водород, Анри Муассан использовал фторидные соли при электролизе. Таким образом, 28 июня 1886 года он провел свой эксперимент перед Академией наук, чтобы продемонстрировать свое открытие нового элемента фтора. Ценой попыток найти элементарный фтор путем электролиза фторидных солей погибли многие химики, в том числе Полен Луайе и Жером Никлес.

В 1886 году Чарльз Мартин Холл из Америки и Поль Эру из Франции подали заявки на американские патенты, Эру подал свою в мае, а Холл — в июле. Холл смог получить свой патент, доказав в письмах своему брату и семье свидетельства того, что его метод был открыт до того, как был подан французский патент. Это стало известно как процесс Холла-Эру, который принес пользу многим отраслям промышленности, потому что цена на алюминий упала с четырех долларов до тридцати центов за фунт.

Лента новостей

  • 1785 г. — электростатический генератор Мартинуса ван Марума был использован для восстановления олова , цинка и сурьмы из их солей с помощью электролиза.
  • 1800 — Уильям Николсон и Энтони Карлайл (а также Иоганн Риттер ) разложили воду на водород и кислород .
  • 1808 — Калий (1807), натрий (1807), барий , кальций и магний были открыты с помощью электролиза.
  • 1821 — Литий был открыт английским химиком Уильямом Томасом Бранде , который получил его электролизом оксида лития.
  • 1834 г. — Майкл Фарадей опубликовал свои два закона электролиза , дал им математическое объяснение и ввел такие термины, как электрод, электролит, анод, катод, анион и катион.
  • 1875 — Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза.
  • 1886 — Анри Муассан открыл фтор с помощью электролиза.
  • 1886 — Разработан процесс Холла-Эру для производства алюминия.
  • 1890 — Разработан процесс Кастнера – Келлнера для производства гидроксида натрия .

Факторы, влияющие на процесс электролиза

Процесс электролиза зависит от следующих факторов:

  1. Состав электролита. Значительное влияние оказывают различные примеси. Они подразделяются на 3 типа – катионы, анионы и органика. Вещества могут быть более или менее отрицательными, чем основной металл, что и мешает процессу. Среди органических примесей выделяются загрязнители (например масла) и ПАВ. Их концентрация имеет предельно допустимые значения.
  2. Плотность тока. В соответствии с законами Фарадея, масса осаждаемого вещества увеличивается с увеличением силы тока. Однако возникают неблагоприятные обстоятельства – концентрированная поляризация, повышенное напряжение, интенсивный разогрев электролита. С учетом этого существуют оптимальные значения плотности тока для каждого конкретного случая.
  3. рН электролита. Кислотность среды также выбирается с учетом металлов. Например оптимальное значение кислотности электролита для цинка – 140 г/куб.дм.
  4. Температура электролита. Она влияет неоднозначно. С увеличением температуры растет скорость электролиза, но повышается и активность примесей. Для каждого процесса есть оптимальная температура. Обычно она находится в пределах 38-45 градусов.

Конкурирующие полуреакции при электролизе раствора

При использовании ячейки, содержащей инертные платиновые электроды, электролиз водных растворов некоторых солей приводит к восстановлению катионов (например, осаждению металлов, например, солями цинка) и окислению анионов (например, выделению брома с бромидами). Однако с солями некоторых металлов (например, натрия) водород выделяется на катоде, а для солей, содержащих некоторые анионы (например, сульфат SO 4 2- ), кислород выделяется на аноде. В обоих случаях это происходит из-за того, что вода восстанавливается с образованием водорода или окисляется с образованием кислорода. В принципе, напряжение, необходимое для электролиза раствора соли, может быть получено из стандартного потенциала электрода для реакций на аноде и катоде. Стандартный потенциал электрода напрямую связан со свободной энергией Гиббса , ΔG, для реакций на каждом электроде и относится к электроду без протекания тока. Ниже представлена ​​выдержка из таблицы стандартных электродных потенциалов .

Половина реакции E ° (В) Ref.
Na + + е — ⇌ Na ( ы ) −2,71
Zn 2+ + 2 е — ⇌ Zn ( ы ) -0,7618
2H + + 2 e — ⇌ H 2 ( г ) ≡ 0
Br 2 ( водн. ) + 2 e — ⇌ 2Br — +1.0873
O 2 ( г ) + 4H + + 4 e — ⇌ 2H 2 O +1,23
Cl 2 ( г ) + 2 e — ⇌ 2Cl — +1,36
S2О2- 8+ 2 e — ⇌ 2 SO2- 4 +2,07

С точки зрения электролиза эту таблицу следует интерпретировать следующим образом:

  • При перемещении вниз по таблице E ° становится более положительным, а количество видов слева будет уменьшаться с большей вероятностью : например, ионы цинка с большей вероятностью будут восстановлены до металлического цинка, чем ионы натрия будут восстановлены до металлического натрия.
  • При перемещении вверх по таблице E ° становится более отрицательным, и частицы справа с большей вероятностью будут окисляться : например, металлический натрий с большей вероятностью окисляется до ионов натрия, чем металлический цинк, который окисляется до ионов цинка.

Используя уравнение Нернста потенциал электрода можно рассчитать по концентрации ионов определенной температуры, и число электронов , участвующих. Для чистой воды ( pH 7):

  • потенциал электрода для восстановления с образованием водорода составляет -0,41 В
  • потенциал электрода для окисления с образованием кислорода +0,82 В.

Сопоставимые цифры, рассчитанные аналогичным образом для 1M бромида цинка , ZnBr 2 , составляют -0,76 В для восстановления до металлического Zn и +1,10 В для окисления с образованием брома. Вывод из этих фигур состоит в том, что водород должен образовываться на катоде, а кислород на аноде в результате электролиза воды, что противоречит экспериментальным наблюдениям, согласно которым металлический цинк осаждается и образуется бром. Объяснение состоит в том, что эти рассчитанные потенциалы указывают только на термодинамически предпочтительную реакцию

На практике необходимо принимать во внимание многие другие факторы, такие как кинетика некоторых стадий реакции. Эти факторы вместе означают, что для восстановления и окисления воды требуется более высокий потенциал, чем прогнозировалось, и это называется перенапряжениями. Экспериментально известно, что перенапряжения зависят от конструкции ячейки и природы электродов.

Экспериментально известно, что перенапряжения зависят от конструкции ячейки и природы электродов.

Для электролиза нейтрального (pH 7) раствора хлорида натрия восстановление иона натрия термодинамически очень затруднено, и вода восстанавливается с выделением водорода, оставляя ионы гидроксида в растворе. На аноде наблюдается скорее окисление хлора, чем окисление воды, поскольку перенапряжение для окисления хлорида до хлора ниже, чем перенапряжение для окисления воды до кислорода . В гидроксид — ионы и растворенного газа хлора реагируют далее с образованием хлорноватистой кислоты . Водные растворы, полученные в результате этого процесса, называются электролизованной водой и используются как дезинфицирующее и чистящее средство.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрика
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector