Электролиз расплавов, электролиз растворов. Электролиз с растворимым и нерастворимым анодом.Законы Фарадея.Выход по оку.Применение электролиза.
Сущность электролиза. Анодные и катодные процессы.
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
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
Восстановительный процесс на катоде в водных растворах:
1)Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом, больше, чем у водорода, расположены в ряду стандартных электродных потенциалов после него: Cu2+;Zn2+;Cr3+;Fe2+;…; до Pt4+. При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.
2)Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (металлы начала ряда Li+;Na+;K+;Rb+;…; до Al3+ включительно). При электролизе на катоде они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.
3)Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом меньшим, чем у водорода, но большим, чем у алюминия (Mn2+;Zn2+;Cr3+;Fe2+;…; до H). При электролизе эти катионы, характеризующиеся средними значениями электроноакцепторной способности, на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами воды.
4)При электролизе кислородосодержащих кислот и их солей (SO42- ; NO3-;PO43- и т.п.) с максимальной степенью окисления неметалла на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды с выделением кислорода.
Катодные и анодные процессы могут протекать на поверхности раздела металл - агрессивная среда как территориально раздельно, так и на одних и тех же участках, чередуясь во времени. Энергетически более выгодным является пространственное разделение анодных и катодных реакций, поэтому в большинстве случаев эти процессы локализуются на различных участках. Катодный и анодный процессы строго эквивалентны, и поэтому торможение одного процесса вызывает такое же замедление другого.
При переходе в раствор какого-либо количества ионов металла освобождается соответствующее количество электронов, которое должно быть поглощено при катодном процессе. Это поглощение происходит чаще всего за счет выделения водорода (процессы с водородной деполяризацией):
Коррозионный процесс чаще всего развивается таким образом, что катодные и анодные процессы пространственно разделены вследствие неоднородности поверхности металла или состава среды.
В катодных покрытиях металл покрытия в коррозионной среде более электроположителен, чем сталь, поэтому в возможном коррозионном процессе покрытие является катодом, а сталь — анодом. К металлам катодного покрытия на стали относятся хром, никель, свинец, медь и другие металлы, более благородные, чем железо.
В анодных покрытиях металл покрытия в данной среде более электроотрицателен, чем сталь, поэтому в возможном коррозионном процессе покрытие является анодом, а сталь — катодом. Такие покрытия образуют цинк, кадмий, алюминий и другие менее благородные, чем железо, металлы.
При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:
анодный – окисление металла: Ме0 – ne---Men+
и катодный – восстановление ионов водорода: 2Н++2ē→Н2
или молекул кислорода, растворенного в воде: О2+Н2О+4ē→ОН-
Электролиз расплавов, электролиз растворов. Электролиз с растворимым и нерастворимым анодом.Законы Фарадея.Выход по оку.Применение электролиза.
Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, который происходит на электродах во время прохождения электрического тока через расплав или раствор.
Электролиз-еще один способ получения чистых металлов и не металлов.Кроме того электролиз можно провести и в домашних условиях.Нужен источник тока два электрода и конечно электролит.Электролит это раствор который проводит электрический ток.
Различают электролиз растворов и электролиз расплавов. Оба эти процесса существенно отличаются друг от друга. Отличие - в наличии растворителя. При электролизе растворов кроме ионов самого вещества в процессе учавствуют ионы растворителя. При электролизе расплавов - только ионы самого вещества.
Для того, чтобы получить нужный продукт (газ, металл или неметалл), нужно правильно выбрать электрод и раствор электролита.
Электродами могут служить любые материалы, проводящие электрический ток. В основном применяют металлы и сплавы, из неметаллов электродами могут служить, например, графитовые стержни (или углерод). Реже в качестве электрода используют жидкости.
Электрод, заряженный положительно - анод. Электрод, заряженный отрицательно - катод. При электролизе происходт окисление анода (он растворяется) и восстановление катода. Именно поэтому анод следует брать таким, чтобы его растворение не повлияло на химический процесс, протекающий в растворе или расплаве. Такой анод называют инертным электродом. В качестве инертного анода можно взять графит (углерод) или платину.
В качестве катода можно взять металлическую пластину (она не будет растворяться). Подойдёт медь, латунь, углерод (или графит), цинк, железо, алюминий, нержавейка.
Электролиз расплавов:
При электролизе расплавов в процессе учавствуют только ионы вещества, которое подвергается электролизу. Например, если подвергнуть электролизу расплав поваренной соли (NaCl), то на аноде будет выделяться тот же газ - хлор, а вот на катоде вместо водорода будет восстанавливаться чистый металл - натрий (Na). Именно таком способом в промышленности получают металлический натрий и другие щелочные и щелочноземельные металлы. Таким же образом получают другие щелочные металлы (калий (K), литий (Li), кальций (Ca)), проводя ток через расплавы их солей.
Электролизом называют процессы, протекающие под действием электрического тока на электродах, погруженных в расплав или раствор электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.
· Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.
· Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.
Математический вид
Законы Фарадея можно записать в виде следующей формулы:
где:
· m — масса осаждённого на электроде вещества в граммах
· Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество
· F = 96 485,3383(83) Кл·моль−1 — постоянная Фарадея
· M — молярная масса вещества
· z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).
· Выход по току– это выраженное в процентах отношение количества
· фактически затраченного электричества (Qфакт) к теоретически необходимому(Qтеор):
· Bт = (Qфакт/ Qтеор)·100%.
Электролиз растворов электролитов проводить энергетически выгоднее,чем расплавов так как электролиты –соли и щелочи – плавятся при очень высоких температурах .
Элктролиз широко используется для получения наиболее активных металлов(щелочных,щелочно-земельных,алюминия магния),некоторых активных неметаллов (фтор,хлор) и сложных веществ (гидрокида натрия и калия).