Применение электролиза в технике. Применение электролиза Применение электролиза в быту
Электролиз находит широкое применение в технике.
Очистка или рафинирование металлов . Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом - тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом - раствор соли данного металла, например, при рафинировании меди - раствор медного купороса. В загрязненных металлах могут содержаться ценные примеси. Так, в меди часто содержится никель и серебро. Для того чтобы на катоде выделялся только чистый металл, необходимо учитывать, что выделение каждого вещества начинается лишь при некоторой определенной разности потенциалов между электродами, называемой "потенциалом разложения". При надлежащем ее выборе из раствора медного купороса на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.
Электрометаллургия . Некоторые металлы, например, алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным полом, а анодом - угольные стержни. Температура руды (около 900 °С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.
Гальваностегия - электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородного или другого металла (золота, платины), не поддающегося окислению. Например, при никелировании предмета он сам служит катодом, кусок никеля - анодом. Пропуская через электролитическую ванну в течение некоторого времени электрический ток, покрывают предмет слоем никеля нужной толщины.
Гальванопластика , или электролитическое осаждение металла на поверхности предмета для воспроизведения его формы, была изобретена в 1837 г. русским ученым Б. С. Якоби, предложившим использовать электролиз для получения металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и др.). С предмета снимают слепок из воска или вырезают выпуклое изображение на деревянной доске и делают его проводящим, покрывая слоем графита. Затем опускают слепок или доску в качестве катода в электролит. Анодом служит кусок металла, используемого для осаждения. Этим способом изготовляют, например, типографские клише.
Электролитическим путем получают тяжелую воду (D 2 O ), в которой атомы водорода заменены атомами его изотопа - дейтерия (D ) с атомной массой 2.
Все электрохимические процессы можно разделить на две противоположные группы: процессы электролиза, при которых под действием внешнего источника электроэнергии происходят химические реакции, и процессы возникновения электродвижущей силы и электрического тока вследствие определенных химических реакций.
В первой группе процессов электрическая энергия превращается в химическую, во второй ‒ наоборот, химическая ‒ в электрическую.
Примерами процессов обоих типов могут быть процессы, происходящие в аккумуляторах. Так, при работе свинцового аккумулятора генератора электрической энергии происходит реакция:
Рb + РbO 2 + 4Н + + 2SO 4 2- → РbSO 4 + 2Н 2 O.
Вследствие этой реакции освобождается энергия, которая и превращается в электрическую. Когда аккумулятор разрядится, его заряжают, пропуская через него электрический ток в обратном направлении.
В обратном направлении протекает и химическая реакция:
2РbSO 4 + 2Н 2 O → Рb + РbO 2 + 4Н + + 2SO 4 2- .
В этом случае электрическая энергия превратилась в химическую. Теперь аккумулятор снова имеет запас энергии и снова может разряжаться.
Все электрохимические реакции происходят при протекании электрического тока в цепи. Этот круг обязательно состоит из последовательно соединенных металлических проводников и раствора (или расплава) электролита. В металлических проводниках, как мы знаем, ток переносят электроны, в растворе электролитов ‒ ионы. Непрерывность протекания тока в цепи обеспечивается только тогда, когда происходят процессы на электродах, т.е. на границе металл ‒ электролит На одном электроде происходит процесс приема электронов ‒ восстановление, на втором электроде - процесс отдачи электронов, т.е. окисления.
Особенностью электрохимических процессов, в отличие от обычных химических, является пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Из этих процессов, которые не могут происходить друг без друга, и состоит в целом химический процесс в электрохимической системе.
Если погрузить металлическую пластинку (электрод) в раствор электролита, то между пластинкой и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродного потенциала.
Рассмотрим причины его возникновения. В узлах кристаллической решетки металла содержатся только положительно заряженные ионы. Благодаря их взаимодействию с полярными молекулами растворителя, они отрываются от кристалла и переходят в раствор. Вследствие такого перехода в металлической пластинке остается избыток электронов, отчего она приобретает отрицательный заряд. Положительно заряженные ионы, которые перешли в раствор благодаря электростатическому притяжению, остаются непосредственно у поверхности металлического электрода. Образуется двойной электрический слой. Между электродом и раствором возникает скачок потенциала, который и называется электродным потенциалом.
Наряду с переходом ионов из металла в раствор происходить и обратный процесс. Скорость перехода ионов из металла в раствор V 1 может быть больше скорость обратного перехода ионов из раствора в металл V 2 (V 2 ˃ V 1).
Такая разница в скоростях приведет в результате к уменьшению количества положительных ионов в металле и увеличению их в растворе. Металлический электрод приобретает отрицательный заряд, раствор ‒ положительного.
Чем больше разница V 1 ‒V 2 , тем более негативным будет заряд металлического электрода. В свою очередь величина V 2 зависит от содержания ионов металла в растворе; большим их концентрациям соответствует большая скорость V 2 . Следовательно, с увеличением концентрации ионов в растворе уменьшается отрицательный заряд металлического электрода.
Если, наоборот, скорость перехода ионов металла в раствор будет меньше скорость обратного процесса (V 1 < V 2), то на металлическом электроде будет избыток положительных ионов, а в растворе ‒ их нехватка. В таком случае электрод вступит положительный заряд, а раствор ‒ негативного.
В обоих случаях разность потенциалов, которая возникает в результате неравномерного распределения зарядов, ускорять медленный процесс и тормозить быстрее. Вследствие этого наступит момент, когда скорости обоих процессов станут равными. Наступит равновесие, которое будет иметь динамичный характер. Переход ионов из металла в раствор и обратно будет происходить все время и в состоянии равновесия. Скорости этих процессов в состоянии равновесия будут одинаковыми (V 1p = V 2p). Величина электродного потенциала, которая хранится в состоянии равновесия, называется равновесным электродным потенциалом.
Потенциал, который возникнет между металлом и раствором, если погрузить металл в раствор, в котором концентрация ионов этого металла равна одному грамм-иона, называться нормальным или стандартным электродным потенциалом.
Если разместить нормальные потенциалы электродных реакций для различных металлов так, чтобы их алгебраические величины последовательно росли, то мы получим известный из общего курса химии ряд напряжений. В этом ряду все элементы размещены в зависимости от их электрохимических свойств, которые непосредственно связаны с химическими свойствами. Так, все металлы расположены в меди (т.е. с более негативными потенциалами), относительно легко окисляются, а все металлы, размещенные после меди, окисляются с достаточно большими трудностями.
К, Na, Са, Мg, А1, Мn, Zn, Fe,
Ni, Sn, Pb, Н2, Сu, Нg, Аg, Аu.
Каждый член ряда, как более активный, может вытеснять из соединений любого члена ряда, стоящего вправо от него в ряду напряжений.
Рассмотрим механизм действия гальванического элемента, схему которого представлен на рис. Элемент состоит из цинковой пластинки, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластинки, погруженной в раствор сульфата меди.
Рис. Схема медно-цинкового гальванического элемента
Оба сосуды с растворами, которые называются полуэлементами, соединенные между собой электролитическим ключом в гальванический элемент. Этот ключ (стеклянная трубка, заполненная электролитом) позволяет ионам перемещаться из одного сосуда (полуэлемента) в другую. Вместе растворы сульфата цинка и сульфата меди не смешиваются.
Если электрическая цепь разомкнутое, то никаких изменений в металлических пластинках и в растворе не происходит, а когда замкнуть круг, то по кругу потечет ток. Электроны из места, где плотность отрицательного заряда выше (т.е. с цинковой пластинки), перемещаться в места с меньшей плотностью отрицательного заряда или к месту с положительным зарядом (т.е. к медной пластинки). Вследствие перемещения электронов равновесие на границе металл ‒ раствор нарушится. Избыток отрицательных зарядов в цинковой пластинке уменьшится, соответственно уменьшатся силы притяжения, и часть ионов цинка из двойного электрического слоя перейдет в общий объем раствора. Это приведет к уменьшению скорости процесса перехода ионов Zn 2+ из раствора в металл. Увеличится разница V 1 ‒V 2 (которая в состоянии равновесия равна нулю), и новое количество ионов цинка перейдет из металла в раствор. Это обусловит появление избытка электронов в цинковой пластинке, которые немедленно переместятся к медной пластинки, и опять все будет непрерывно повторяться. Вследствие этого цинк растворяться, а в кругу непрерывно протекать электрический ток.
Понятно, что непрерывное перемещение электронов от цинковой пластинки к медной возможно только тогда, когда они асимилируют на медной пластинке. Появление избытка электронов в медной пластинке приведет к перестройке двойного слоя. Отрицательные ионы SO 4 2- отталкиваться, а положительные ионы меди, которые есть в растворе, будут заходить в двойной электрический слой благодаря электростатическому притяжению, обусловленном появлением электронов. Скорость процесса перехода ионов в металлV 2 увеличится. Ионы Сu 2+ проникать в кристаллическую решетку медной пластинки, присоединяя электроны. Именно этот процесс ассимиляции электронов на медной пластинке обеспечит непрерывность процесса в целом.
Величина ЭДС Е равна разности электродных потенциалов Е 1 и Е 2 на электродах: Е = Е 1 ‒Е 2 .
Процессы, которые происходят на электродах, можно изобразить схемой: на грани цинковая пластинка ‒ электролит Zn ‒ 2е - = Zn 2+ , на грани медная пластинка электролит Сu 2+ + 2е - = Сu.
Как видим, процессы окисления цинка и восстановление меди разделены в пространстве, они происходят на разных электродах. В целом химическую реакцию, которая происходит в медно-цинковом элементе, можно записать в ионной форме так:
Zn + Сu 2+ = Zn 2+ + Сu.
Такая же картина будет наблюдаться и в том случае, когда обе пластинки будут заряжены отрицательно относительно раствора. Погрузим две медные пластинки в разбавленные растворы сульфата меди. Концентрация ионов меди в этих растворах С 1 и С 2 (С 2 > С 1). Предположим, что обе пластинки зарядятся негативно относительно растворов. Но пластинка А в сосуде с концентрацией раствора С 1 зарядится более негативно благодаря тому, что концентрация ионов меди в этом сосуде меньше, чем во второй сосуде, и соответственно скорость проникновения ионов Сu 2+ в кристаллическую решетку будет меньше. Если замкнуть круг, то электроны будут перемещаться от пластинки А, где их плотность больше, к пластинке В. На грани пластинки А с электролитом происходить процесс Сu° ‒ 2е - = Сu 2+ , на грани пластинки В с электролитом Сu 2+ + 2е - + Сu°.
Обе пластинки, как было уже отмечено, заряжены отрицательно относительно раствора. Но пластинка А заряжена отрицательно относительно пластинки В и поэтому в гальваническом элементе выполнять роль отрицательного электрода, а пластинка В ‒ положительного.
Величина ЭДС, равной разности электродных потенциалов, будет тем больше, чем больше разница концентраций ионов в растворах.
Зако́ны электро́лиза Фараде́я являются количественными соотношениями, основанными на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1836 году.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №7»
Реферат по Физике на тему: «Применение электролиза»
Выполнила:
ученица 10 класса «А»
МКОУ «СОШ №7»
Солодовникова Дарья
Руководитель:
Яковлева Вера Егоровна
Изобильный,2017
Введение
Электролиз (от греч. «лизис» - разложение, растворение, распад) - это совокупность физико-химических явлений на находящихся в жидкости электродах при прохождении электрического тока. Например, погрузив в воду два электрода и подключив их к источнику постоянного тока, мы обнаружим, что вокруг электродов выделяются пузырьки - это газы водород и кислород. При их образовании уменьшается масса воды, то есть она разлагается на входящие в её состав элементы.(рис.1)Если электроды погружать не в воду, а в растворы или расплавы солей, кислот и щелочей, то можно наблюдать выделение других газов и даже твёрдых веществ, оседающих на поверхности электродов. По этой причине электролиз широко применяют в технике.
Электрометаллургия
Электролитическим путём в промышленности получают многие металлы: алюминий, медь, магний, хром, титан и др. Например, для получения чистого алюминия в специальную металлическую ванну вливают расплавленную при 900 °С руду, содержащую алюминий в химически связанном виде (обычно в виде оксидов). В ванну опускают угольные стержни, которые служат анодами, а сама ванна - катодом. При прохождении тока через расплав на дне ванны выделяется жидкий алюминий, который сливают через отверстие внизу ванны.
Рафинирование (очистка) металлов
В электротехнике благодаря хорошей электропроводимости наиболее широкое применение как проводниковый материал имеет медь. Медные руды, кроме меди, содержат много примесей, таких, как, например, железо, сера, сурьма, мышьяк, висмут, свинец, фосфор и т. п. Процесс получения меди из руды заключается в следующем. Руду измельчают и обжигают в особых печах, где некоторые примеси выгорают, а медь переходит в окись меди, которую снова плавят в печах вместе с углем. Происходит восстановительный процесс, и получают продукт, называемый черной медью, с содержанием меди 98--99%. Медь, идущая на нужды электротехники, должна быть наиболее чистой, так как всякие примеси уменьшают электропроводимость меди. Такая медь получается из черной меди путем рафинирования ее электрическим способом. Неочищенная медь подвешивается в качестве анода в ванну с раствором медного купороса. Катодом служит лист чистой меди. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, а оттуда осаждается на катод. Электролитическая медь содержит до 99,95% меди. Медь в электротехнике применяется для изготовлений изолированных проводов, кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, медных полос, лент, коллекторных пластин, деталей машин и аппаратов.
Аналогичным способом получают и другие чистые металлы - никель, свинец, золото Второе место после меди в электротехнике занимает алюминий. Сырьем для получения алюминия служат бокситы, состоящие из окиси алюминия (до 70%), окиси кремния и окиси железа. В результате обработки бокситов щелочью получается продукт, называемый глиноземом (Аl2O3).Глинозем с некоторыми добавлениями (для снижения температуры плавления) загружается в огнеупорную печь, стенки и дно которой выложены угольными пластинами, соединенными с отрицательным полюсом источника напряжения. Через крышку печи проходит угольный стержень, который служит анодом. Сначала опускают угольный анод, в результате чего возникает электрическая дуга, которая расплавляет глинозем. В дальнейшем происходит электролиз расплавленной массы. Чистый алюминий скапливается на дне сосуда, откуда его выливают в формы. Процентное содержание алюминия в металле достигает 99,5%. Для получения алюминия требуется большое количество электроэнергии. Поэтому алюминиевые заводы строятся около больших гидроэлектростанций с дешевой электроэнергией. Алюминий в электротехнике употребляется для изготовления проводов, кабелей, получения некоторых сплавов.
Медь, применяемая в электро- и радиотехнике для изготовления проводников, должна быть чистой, поскольку примеси уменьшают электропроводность. Для очистки меди от примесей в электролитическую ванну заливают раствор сульфата меди II (устаревшее название - медный купорос) и опускают две пластины: анод - толстую пластину из неочищенной меди и катод - тонкий лист из чистой меди. При пропускании электрического тока анод постепенно растворяется, примеси выпадают в осадок, а на катоде оседает чистая медь. Аналогичным способом получают и другие чистые металлы - никель, свинец, золото.
Гальваностегия
Для придания изделиям красивого внешнего вида, прочности или для
предохранения от коррозии, их покрывают тонким слоем какого-либо металла: никеля, хрома и др. Для этого изделие тщательно очищают, обезжиривают и помещают как катод в электролитическую ванну, содержащую соль того металла, которым желают покрыть. Для более равномерного покрытия полезно применять две пластины в качестве анода, помещая изделие между ними.
Гальванопластика
Это электролитическое осаждение металла на поверхности какого-либо предмета для воспроизведения его формы. Для этого с предмета сначала снимают слепок (из воска или гипса) и покрывают его токопроводящим слоем, например, слоем графита. Подготовленный таким способом предмет помещают в качестве катода в ванну с раствором соли соответствующего металла. При включении тока металл из электролита оседает на поверхности предмета. Гальванопластику используют для изготовления неограниченного числа точных копий того изделия, с которого был снят слепок.
Гальванополировка
Если резное металлическое изделие поместить в раствор электролита и включить ток, то наиболее сильное электрическое поле образуется у микроскопических выступов на поверхности этого изделия. Если оно подключено к «+» источника тока, то наиболее интенсивно ионы металла будут «вырываться» именно из выступов, и поверхность металла выровняется.
Электрофорез
Электрофорез (от греч. «форезис» - перенесение), это лечебная процедура. Электроды накладывают на тело человека. Между телом и электродом помещают бумагу или ткань, пропитанную электропроводящим лекарственным препаратом. При включении тока начинается движение заряженных частиц из бумаги или ткани в кожу, а затем в тело человека. Так происходит процесс ввода лекарств,скорость которого можно регулировать,
изменяя силу тока.
Извлечение металлов
Извлечение металлов первой и второй групп периодической системы осуществляется с помощью электролиза из расплавленных галогенидов этих металлов. Например, натрий получают электролизом расплавленного хлорида натрия в электролизере Даунса. Магний получают электролизом хлорида магния, который в свою очередь получают из доломита и морской воды.
Анодирование (анодное оксидирование)
электролиз оксидирование анодирование
Анодирование - способ получения оксидной пленки в жидких либо твердых электролитах.
При анодировании поверхность металла, которая окисляется, имеет положительный потенциал.
Анодирование применяется для получения защитных и декоративных слоев на поверхностях различных металлов и сплавов.
Анодное оксидирование наиболее часто применяется для получения покрытия на алюминии и его сплавах.
Слои, полученные на алюминии, обладают защитными, изоляционными, износостойкими, декоративными свойствами.
Плазменные методы оксидирования
Плазменное оксидирование проводят при низких температурах в плазме, содержащей кислород. Плазма образуется при помощи разрядов постоянного тока, СВЧ, ВЧ разрядов.Такое оксидирование применяется для получения оксидных слоев на поверхности кремния иполупроводниковых соединениях.
Также плазменным оксидированием повышают светочувствительность серебряно-цезиевых фотокатодов
Микродуговое оксидирование - метод получения многофункциональных оксидных слоев.
Данный способ позволяет наносить слои с высокими защитными, коррозийными, теплостойкими,изоляционными, декоративными свойствами. Внешний вид покрытия напоминает керамику.
Процесс микродугового оксидирования в большинстве случаев проводится в слабощелочных электролитах приподаче импульсного, либо переменного тока.
Оксидный слой приблизительно формируется на 70% вглубь основного металла.Толщина покрытия составляет около 200 - 250 мкм.Микродуговое оксидирование позволяет получать покрытия на деталях со сложным рельефом.Применяемые электролиты экологичны и не оказывают вредного влияния на окружающую среду.Применяется для формирования покрытий на магниевых и алюминиевых сплавах.
Полирование металлических изделий
Электрохимическая полировка поверхностей производится в электролитических растворах. Анодом в этом случае выступает изделие, которое погружается в ванну с электролитом. Под влиянием электрического тока происходит растворение металлов и образуется оксидная пленка небольшой толщины. Интенсивность процесса регулируется изменением плотности тока и напряжения.Состав электролита, его температура и режим полирования определяются в зависимости от металла, размеров и конфигурации изделия. Главное требование - устойчивость электролита и его способность сформировать защитную пленку с высоким сопротивлением электрическому напряжению.
Для изделий из черных металлов используются растворы с содержанием серной и фосфорной кислот, медные, латунные и стальные поверхности полируются в ортофосфорных электролитах, алюминий - в кислых и щелочных растворах, драгоценные металлы (серебро и золото) - в растворах с содержанием тиомочевины.
Электрохимическое окрашивание изделий из цветных металлов и их сплавов.?
Пассивируя металл, т. е. создавая оксидные или солевые пленки, можно проводить окраску или тонирование металлов. Толщина таких пленок соизмерима с длиной волны видимого света, поэтому цвет тонированной поверхности зависит от толщины покрытияи цвета металла. Для химического оксидирования с целью окраски широко используютперсульфатный раствор, а для электрохимического -- изделие делают анодом. В последнем случае говорят, что окрашивание проводят путем анодирования. Тонированию чаще всего подвергают изделия из меди и ее сплавов, а также из алюминия, олова, никеля.
Заключение
Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно этим способом Получение неорганических веществ(водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.) Получение металлов(литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.) Очистка металлов (медь, серебро,…) Получение металлических сплавов Получение гальванических покрытий Обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка) Получение органических веществ,электродиализ и обессоливание воды,нанесение пленок при помощи электрофореза.
Список литературы
1.Новошинский, Н.С. Новошинская.Химия
2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев Н.Н. Сотский.Физика 10 класс
Приложение
рис 5Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Получение экспериментальных образцов матричных платформ оксида алюминия с упорядоченной структурой сквозной пористости при использовании раствора щавелевой кислоты и двухстадийного потенциостатического режима анодирования при заданных температурах.
реферат , добавлен 25.06.2010
Метод осаждения определяемого элемента путем электролиза на предварительно взвешенном электроде. Требования к электродам, применяемым в электрогравиметрии. Подчинение законам Фарадея. Электрохимическая поляризация. Электролиз в кулонометрической ячейке.
реферат , добавлен 24.01.2009
Условия, влияющие на самоорганизацию наночастиц. Свойства нанокристаллического магния, титана, их применение. Принцип работы наноразмерного электронного выключателя. Характеристика мономеров биомакромолекул: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.
контрольная работа , добавлен 20.12.2014
Историческая справка. Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева. Распространение в природе. Получение, физические свойства, применение. Метод электролитического осаждения. Построение физико-математической модели. Определение характеристик.
курсовая работа , добавлен 24.12.2005
Свойства нанокристаллических порошковых материалов на основе тугоплавких соединений. Высокоэнергетические методы консолидации порошковых наноматериалов. Получение спеканием и свойства плотных образцов карбонитрида титана c нанокристаллической структурой.
реферат , добавлен 26.06.2010
Электрический ток в металлах, полупроводниках и электролитах. Зонная модель электронной проводимости металлов. Квантово-механическое объяснение сверхпроводимости в полупроводниках. Электрический ток в электролитах. Применение электролиза на производстве.
презентация , добавлен 13.02.2016
Растворимость водорода в аллотропической форме титана. Влияние водорода на механические свойства титана высокой чистоты. Классификация сплавов титана по легирующим элементам. Сущность механизма и признаки водородного охрупчивания титановых сплавов.
реферат , добавлен 15.01.2011
Электроток в растворе, упорядоченное движение заряженных частиц, электролитическая диссоциация. Направленное движение электронов источника электрической энергии. Электролитическое промышленное получение алюминия, гальваностегия и активность металлов.
презентация , добавлен 26.03.2012
Открытия явления электролиза. Сравнение первых гальванических элементов с современными батарейками ведущих фирм мира. Процесс электролиза в расплавах электролитов. Механизм электрического тока в жидких проводниках. Основные гальванические элементы.
отчет по практике , добавлен 27.05.2010
Принцип действия и разновидности лазеров. Основные свойства лазерного луча. Способы повышения мощности лазерного излучения. Изучение особенностей оптически квантовых генераторов и их излучения, которые нашли применение во многих отраслях промышленности.
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
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.
¨ 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.
¨ 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:
Получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);
Электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка );
Электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);
-очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);
Электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).
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.
ектролиз находит широкое применение в технике. Практически нет ни одной отрасли техники, где бы он ни применялся.
Электролизом расплавов соответствующих солей или гидроксидов получают щелочные и щелочно-земельные металлы, а также магний, берилий, алюминий.
Электролизом растворов солей получают медь, цинк, кадмий, никель, кобальт, марганец и другие металлы.
Электролитическое рафинирование металлов (медь, золото, серебро, свинец, олово и др.) используют для удаления из них примесей. При рафинировании анодом служит очищаемый металл. На аноде растворяются основной металл и примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала очищаемого металла. Примеси, имеющие более положительный потенциал, выпадают на аноде в виде шлама. Примеси перешедшие в электролит периодически или непрерывно удаляются из электролита. Катионы основного металла разряжаются на катоде, образуя компактный осадок чистого металла.
Метод покрытия одного металла другим посредством электролиза называется гальваностегией. Гальваностегия используется для защиты металлов от коррозии, для упрочнения поверхности металла, в декоративных целях. При этом покрываемое изделие служит катодом, который опускают в электролитическую ванну с раствором соли того металла, который осаждается на этом изделии. Анодом служит металл покрытия, который растворяется в процессе электролиза и его ионы разряжаются и осаждаются на катоде.
Гальванопластика – это получение точных металлических копий с рельефных изображений предметов путём электролиза. Гальванопластика открыта русским учёным Б.С. Якоби. Чтобы скопировать предмет, изготавливают из воска матрицу – обратное (негативное) изображение данного предмета, которую покрывают графитом, делая её проводящим электрический ток. При пропускании электрического тока анод растворяется, а на катоде осаждается слой металла, который легко отделяется от предмета. Получается точная металлическая копия данного предмета. Для гальванопластики обычно применяют медь, но иногда используют и другие металлы – железо, никель, серебро. С помощью гальванопластики изготавливают клише для печатания бумаги, грампластинки и другие изделия. Так, в радиотехнике и приборостроении требуется очень тонкостенные изделия сложной формы (волноводы, сильфоны), которые изготавливают методом гальванопластики. Приготавливают алюминиевую форму, наносят на неё электролизом медный слой нужной толщины, затем форму растворяют в соляной кислоте или щелочи, с которыми медь не реагирует. Получается изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.
Электролиз используют для электрохимической обработки металлов, которые трудно поддаются механической обработке. При электрохимической обработки металлов шлифование и полирование металлов быстро выравнивает грубо обработанную поверхность металла, придавая ей зеркальный блеск. При этом снимаемый металл остается в растворе, откуда он может быть извлечён и повторно использован.
Электролиз в химической промышленности используется для получения ценных химических продуктов, например водорода и кислорода из воды. Водород, полученный электролизом, используют в энергетике для охлаждения генераторов на тепловых и атомных электростанциях. Электролизом получают хлор и щелочь из раствора хлорида натрия, фтор – из расплавов его солей. Долгое время фтор не могли получить в свободном состоянии, так как ни один химический окислитель не может отнять у фторид-иона F - его электрон. Однако окислительное действие электрического тока во много раз сильнее действия химических окислителей, поэтому отнять электрон из фторид-иона удалось лишь при электролизе расплава солей фтора. Электролизом получают такие окислители как пероксид водорода, перманганат калия, хроматы, хлораты, гипохлориты и т.п.