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.
Сущность процесса электролиза
Электролиз
В качестве примера рассмотрим процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида меди. Указанный раствор поместим в сосуд, называемый электролизером и погрузим в него два графитовых стержня. При растворении хлорида меди в воде происходит его полная диссоциация и образующиеся ионы Cu 2+ и Cl - беспорядочно движутся в растворе. Возьмем источник постоянного электрического тока - выпрямитель или аккумулятор и к его клеммам присоединим графитовые стержни. Движение ионов в растворе станет упорядоченным: положительные ионы Cu 2+ будут перемещаться по направлению к отрицательному электроду, называемому катодом , а ионы Cl - - к положительному электроду - аноду . Поэтому положительные ионы называют катионами , а отрицательные - анионами . Ион Cu 2+ , подходя к катоду, где есть избыточные электроны, присоединяет два электрона, превращаясь в нейтральный атом - на поверхности катода появляется слой металлической меди:
(–) Cu 2+ + 2e ® Cu
Ионы Cl - отдают на анод свои электроны и превращаются в молекулы хлора:
(+) 2Cl - - 2e ® Cl 2
Таким образом, в результате пропускания постоянного тока через раствор хлорида меди мы получили два новых вещества - металлическую медь и газообразный хлор.
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
На катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.
Напомним, что в гальваническом элементе катодом называется положительный электрод, а анодом - отрицательный. Главное состоит в том, что и в гальваническом элементе и при электролизе на катоде идет восстановление, а на аноде - окисление .
Рассматривая принцип работы гальванического элемента, мы отмечали, что протекающие в нем процессы всегда являются самопроизвольными . Напротив любой электролиз - процесс несамопроизвольный , т.е. требует затраты энергии в виде электрического тока. Источник постоянного тока играет роль своеобразного насоса, который перекачивает электроны с анода на катод. Характер процессов, протекающих на электродах при электролизе зависит от природы электролита и растворителя, материала, из которого изготовлены электроды и других факторов.
Электролиз находит широкое применение в различных областях техники. Приведем основные направления использования этого процесса.
1.Получение металлов .
Выделение в чистом виде алюминия и металлов IА и IIА групп таблицы Менделеева производится электролизом расплавленных соединений, а остальных металлов – электролизом водных растворов.
2.Очистка металлов .
Для этого применяется электролиз с растворимым анодом.
3.Получение металлических покрытий .
Гальванические покрытия металлов осуществляются в декоративных целях, для защиты от коррозии, повышения твердости и электропроводности. Осаждение металла осуществляется электролизом водного раствора соли, причем покрываемое изделие завешивается в электролизер в качестве катода.
4.Анодирование алюминия и его сплавов .
В качестве электролита берется раствор серной кислоты, катодом служит свинцовая пластина, а анодом подлежащее анодированию изделие. В ходе электролиза на аноде образуется пленка оксида алюминия, предохраняющая изделие от коррозии. В пленке имеются многочисленные поры, которые могут быть заполнены красителем или светочувствительным составом - это используется для окраски алюминиевых предметов и получения на них фотографических изображений.
5.Получение различных химических веществ .
Примером таких процессов может служить электролиз водного раствора хлорида натрия. В процессе электролиза на катоде выделяется водород, на аноде - хлор, а в растворе накапливается щелочь NaOH.
6.Защита от коррозии .
Катодная защита основана на процессе электролиза, в котором защищаемый объект присоединяется к отрицательному полюсу источника тока, т.е. играет роль катода, на котором происходит восстановление воды.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какая величина называется удельной электрической проводимостью? В каких единицах она измеряется?
2.Что называется константой кондуктометрической ячейки? Как ее определяют?
3.От каких факторов зависит величина удельной проводимости?
4.Постройте график зависимости удельной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер кривых.
5.Какая величина называется молярной электрической проводимостью? Как она связана с удельной проводимостью?
6.Постройте график зависимости молярной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер линий.
7.Какая величина называется предельной молярной проводимостью? Как ее определяют?
8.Что характеризует коэффициент электропроводности сильного электролита? Как его определяют?
9.В чем заключается сущность закона независимости движения ионов? Для чего этот закон применяют?
10.Как можно кондуктометрическим методом определить степень диссоциации слабого электролита?
11.Сопротивление раствора хлорида калия с концентрацией 0,01моль×дм -3 , измеренное при 180°С, равно 1,23 Ом. Удельная проводимость этого раствора при 180°С равна 1,22 См×см -1 . Чему равна константа кондуктометрической ячейки?
12.Постоянная кондуктометрической ячейки равна 0,42 см -1 . Электропроводность раствора нитрата серебра с концентрацией 0,1моль/дм 3 , измеренная в этой ячейке, равна 0,0284 См. Чему равна молярная электрическая проводимость нитрата серебра при указанной концентрации?
13.Молярная электрическая проводимость 0,2 моль/дм 3 раствора хлорида калия равна 12,4 См×см 2 ×моль -1 . Предельная молярная проводимость хлорида калия равна 149,9 См×см 2 ×моль -1 . Чему равен коэффициент электропроводности? Как эта величина будет изменяться при разбавлении раствора? Почему?
14.Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,8×10 -5 , а предельная молярная проводимость составляет 271,8 См×см 2 ×моль -1 . Чему равна молярная проводимость 1×10 -1 моль×дм -3 раствора гидроксида аммония?
15.Каков механизм возникновения потенциала на границе металл-раствор?
16.От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Напишите уравнение Нернста?
17.Что представляет собой водородный электрод? Напишите для него уравнение Нернста.
18.По какому принципу построен ряд напряжений? Какие выводы можно сделать на основании положения металла в ряду напряжений при рассмотрении реакций замещения, процессов электрохимической коррозии и электролиза?
19.Что представляет собой электрод второго рода? Напишите уравнение Нернста.
20.Напишите уравнение Нернста для окислительно-восстановительного электрода. Какие свойства вещества характеризует величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала?
21.Сформулируйте условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций.
22.Как устроен стеклянный электрод? Для чего он применяется?
23.Чему равен потенциал платинового электрода, погруженного в раствор, содержащий 0,02 моль/дм 3 сульфата железа(II) и 0,002 моль/дм 3 сульфата железа(III) по отношению к стандартному водородному электроду?
24.Потенциал водородного электрода в растворе уксусной кислоты равен - 120 мВ по отношению к стандартному водородному электроду. Чему равен рН раствора?
25.Что представляет собой гальванический элемент? Какую роль играет в нем солевой мостик?
26.Какой электрод в гальваническом элементе называется катодом? Анодом? Почему катод в гальваническом элементе и при электролизе имеют разные знаки?
27.Что называется электродвижущей силой гальванического элемента? Как ее рассчитывают?
28.Нарисуйте схему измерения э.д.с. Почему ее не измеряют вольтметром?
29.Какая химическая реакция протекает в гальваническом элементе: Zn/ZnSO 4 // H 2 SO 4 /H 2 (Pt), если С(ZnSO 4) = 0,01 моль/дм 3 , С(H 2 SO 4) = 5×10 -4 моль×дм -3 . Какова э.д.с. этого элемента?
30.Составьте схемы гальванических элементов, в которых протекают следующие токообразующие реакции:
а) Fe + NiCl 2 = Ni + FeCl 2 в) CuSO 4 + H 2 = Cu + H 2 SO 4
б) Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 г) Cr +2 + Fe +3 = Cr +3 + Fe +2
31.Какие гальванические элементы называются концентрацион-ными? Какие процессы в них протекают и как они отражаются на величине э.д.с.?
32.Как устроен топливный элемент и в чем его преимущество перед другими источниками электрической энергии?
33.Какие из следующих реакций могут протекать самопроизвольно в прямом направлении:
а) MnO 4 - + Fe 2+ ® Mn 2+ + Fe 3+
б) KCl + Br 2 ® KBr + Cl 2
в) Cu + H 2 SO 4 ® CuSO 4 + H 2
г) Fe 3+ + KI ®Fe 2+ + I 2
е) Sn +4 + Fe +2 ® Sn +2 + Fe +3
ж) Ni + FeSO 4 ®Fe + NiSO 4
34.Рассчитайте константы равновесия следующих реакций:
а) Fe +3 + Ag « Fe +2 + Ag +
б) Sn +4 + H 2 « Sn +2 + 2H +
в) 2Ce +4 + 2Cl - « 2Ce +3 + Cl 2
г) Fe +3 + Cr +2 « Fe +2 + Cr +3
35.Какой процесс называется электрохимической коррозией? В чем состоит принципиальное отличие коррозии в кислой среде от коррозионных процессов в нейтральной и щелочной средах?
36.Напишите схемы катодных и анодных процессов при коррозии:
а) пары медь - цинк в нейтральной среде;
б) пары железо - никель в кислой среде;
в) пары олово - цинк в нейтральной среде;
г) пары алюминий - медь в нейтральной среде.
37.Какие процессы будут происходить при нарушении цинкового покрытия на железной детали во влажном воздухе?
38.Какие покрытия называются катодными? Какие процессы происходят при нарушении катодного покрытия?
39. В чем заключается принцип протекторной защиты от коррозии? Как осуществляется катодная защита?