Электролиз
Содержание
Электролиз в промышленных масштабах используется для извлечения из металлосодержащих руд металлов и их очищения от примесей. При помощи этого физико-химического процесса на производстве получают медь и алюминий. Заряд химических источников тока (аккумуляторов) также происходит, благодаря протеканию этой реакции.
Электролиз
Определение электролиза
Химическая реакция, в результате которой на электродах происходит оседание компонентов из электролитических растворов веществ, и протекающая под действием электрического тока – вот что такое электролиз. Он включает в себя комплекс процессов окисления и восстановления, происходящих на электродах. Обязательным условием является движение постоянного тока от электрода к электроду.
В чём заключается процесс
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.
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.
Подобное разделение на первичность и вторичность позволило Майклу Фарадею обосновать законы, применяемые к гальванолизу.
Процесс электролиза
Электролиз растворов
Использование воды для приготовления раствора электролита осложняет процесс. В растворах солей и щелочей вода ведёт себя при электролизе неоднозначно. Это проявляется в том, что H2O ведёт себя как окислитель, так и как восстановитель. На катоде она получает электроны и восстанавливает атомы водорода до газообразной формы водорода. На аноде вода отдаёт отрицательно заряженные частицы, тогда атомы кислорода окисляются до газообразной формы кислорода. Кислота, используемая в качестве раствора для электролита, лишена этой проблемы.
Катодные процессы
Катод, помещённый в растворы солей, притягивает к себе катионы металлов. Эти катионы выступают как окислители.
Электрохимический ряд металлов
У каждого металла (далее обозначен как М) свой электрохимический потенциал (ЭХП). Чем он меньше, тем восстановительные свойства выше, а окислительная способность у соответствующих ионов этого металла ниже.
ЭХП величина относительная, потому у отдельных ионов разная величина ЭХП. У водорода он равен нулю.
Во время процесса электролиза, протекающего в растворах солей, выявлены следующие замечания:
- когда в солях присутствуют активные М, то не они восстанавливаются на катоде, а водород;
- если М в электролите имеет среднюю активность, то на катоде разряжаются (восстанавливаются) оба: и водород, и М;
- при неактивном М на катоде восстанавливается только он, потому что его ион – более сильный окислитель, чем водородный ион.
Примерами таких процессов на катоде могут служить следующие реакции:
- при активном М: 2H2O +2ē → H2 + 2OH—;
- при М средней активности: Men+ + nē → Me0 и 2H+2O +2ē → H20 + 2OH—, где Ме – это растворённый металл;
- в случае неактивного М в солях: Men+ + nē → Me0.
Замечено, что, когда с катодом взаимодействуют водородные катионы H+, происходит их разряжение до молекул водорода — 2H+ + 2ē → H20
Анодные процессы
Плюс, поданный на анод, притягивает к себе анионы вместе с молекулами воды. В данном случае анод является окислителем, а восстановители – молекулы H2O или анионы кислотных остатков.
В процессе гальванолиза на аноде происходят следующие реакции:
- кислотные остатки, не содержащие кислорода, окисляются до нулевой степени окисления: неМеn- – nē = неМе0, где – неМе – это неметалл;
- при содержании в остатке кислорода окисляется вода и выделяет молекулы кислорода (молекулярный кислород О2): 2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+;
- в случае контакта с анодом гидроксид-иона последний также окисляется: 4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O, с выделением молекулярного кислорода.
Суммарные процессы электролиза
Что получается в суммарной реакции гальванолиза, можно рассмотреть на примере хлорида натрия. При пропускании электрического тока на электродах происходит следующее:
- катод – на нём восстанавливается H – водород: 2H+2O +2ē → H20 + 2OH–;
- анод – на электроде происходит окисление хлорид-ионов: 2Cl– – 2ē → Cl20.
В этой реакции электролиза не принимают участия ионы натрия. Тем не менее, они входят в суммарное уравнение раствора хлорида натрия при электролизе. Оно имеет вид:
2H+2O + 2NaCl– → H20 + 2NaOH + Cl20.
Электролиз расплавов
Если сравнить гальванолиз расплавов и растворов, то в расплавах все М: активные, малоактивные и неактивные, реагируют на процесс электризации одинаково.
В этом случае на катоде происходит восстановление катионов Na:
Na+ + ē → Na0.
Анод вызывает окисление анионов Cl:
2Cl– – 2ē → Cl20.
Общее уравнение гальванолиза расплава NaCl будет иметь вид:
2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20.
Схема электролиза расплава NaCl
Электролиз с растворимыми электродами
В этом случае электролиз металлов осуществляется при помощи электродов, выполненных из того же М, который присутствует в электролите. Также электроды могут быть изготовлены из М активностью выше.
В случае с медным анодом при электролизе меди, где электролитом является сульфат меди, происходит следующее:
- ионы меди, входящие в раствор, восстанавливаются на катоде: Cu2+ + 2ē → Cu0;
- медный анод подвергается окислению своих частиц меди: Cu0 – 2ē → Cu2+.
Таким образом, если медную заготовку, имеющую примеси, использовать в качестве анода при гальванолизе в сульфате меди, то на катоде будет оседать медь в чистом виде. Анодный электрод при этом будет растворяться.
Электролиз с растворимыми анодами
Вот перечень некоторых металлов, которые могут быть растворимыми электродами:
- медь (Cu);
- серебро (Ag);
- цинк (Zn);
- кобальт (Co);
- олово (Sn);
- никель (Ni);
- кадмий (Cd).
На растворимом аноде в начальной стадии электролиза процессы проходят при минимальном стандартном потенциале на электроде. Если электролиз не остановить, то значение потенциала отклоняется в отрицательную сторону. Это вызвано поляризацией из-за пребывания на катоде электронов.
Активные металлы
Это тот тип металлов, который легко вступает в реакции. В периодической таблице это элементы 1-й и 2-й группы. Так как металлические свойства у элементов становятся слабее в ряду слева направо, то к ним относятся:
- щелочные металлы: литий, калий, натрий, цезий, франций, рубидий;
- щелочноземельные элементы: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий;
- алюминий.
Данные металлы имеют один или два валентных электрона и легко их отдают, являясь восстановителями. К отличительным особенностям активных металлов относятся:
- мягкость;
- лёгкость;
- низкая температура плавления.
При взаимодействии с кислородом (на воздухе) щелочных металлов возможно самовозгорание. Самовозгорание щелочноземельных металлов происходит при повышении температуры. При взаимодействии их с водой образуются щёлочь и водород, вступая в реакцию с кислотами, они образуют соли.
Менее активные металлы и неактивные металлы
Среднюю активность проявляют металлы, стоящие в ряду после алюминия Al и до водорода H2.
К неактивным относятся элементы, стоящие правее водорода: медь (Cu), ртуть (Hg), серебро (Ag), платина (Pt), золото (Au).
Таблица химической активности металлов
Практическое применение в производстве
Такой электрохимический процесс, как электролиз, примеры которого можно увидеть повсеместно, является неотъемлемой частью промышленности:
- получение химически чистого сырья: фтор, хлор, щёлочи, чистые водород и кислород и т.д.;
- применение электролиза в гидрометаллургии: переработка сырья с содержанием металлов;
- элекрорафинирование (применение растворимых анодов) для окончательной очистки металлов;
- электроэкстракция (использование нерастворимых анодов) для выделения нужных металлов из растворов;
- гальванические процессы: гальванопластика и гальваностегия.
Гальваностегия – способ электрохимического покрытия металлических поверхностей другими металлами:
- сталь подвергают никелированию, хромированию, оцинкованию;
- медь покрывают серебром, никелем и иными металлами.
Поверхность основания обрабатывают так, чтобы покрытие держалось крепко и защищало конструкцию от влияния внешних факторов. В то же время изделиям придавался эстетический вид.
Гальванопластика позволяет получать точные копии заготовки, выполненные из благородных металлов. Широко используется при изготовлении матриц, копий со скульптур, ювелирных изделий, деталей сложной геометрии. При этом способе важно, чтобы заготовка отделилась от покрытия.
Украшения после гальванопластики
Электролиз открывает широкие возможности для работы с металлами и электролитами. При помощи этого процесса можно самостоятельно выполнять работы не только в области гальванотехники, но и получать чистые металлы в небольших количествах. При этом не стоит путать самопроизвольные химические реакции в гальванических элементах и реакции, протекающие в электролизёрах.
Видео
https://www.youtube.com/watch?v=nM_ooi5jkC4
