Электролиз (стр. 3 )

K2SO4 → K+ +

H2О D H+ + OH–.

Так как ионы K+ разряжаются труднее, чем ионы Н+, а ионы , чем ионы ОН–, то при пропускании электрического тока у катода будут разряжаться ионы водорода из воды, у анода – гидроксильные группы из воды, то есть, фактически, будет происходить электролиз воды.

На катоде:

2H2О + 2e = Н2 + 2ОН ­

На аноде:

2H2О – 4e = O2 + 4H+.

Суммарное уравнение процесса будет иметь вид:

2H2О 2Н2 + O2.

В то же время, вследствие разряда водородных и гидроксильных ионов воды и непрерывного перемещения ионов K+ к катоду, а ионов к аноду, у катода образуется раствор щелочи (КОН), а у анода – раствор серной кислоты.

Пример 4. Электролиз раствора сульфата меди с растворимым (активным) медным анодом.

Особым образом протекает электролиз с растворимыми электродами. В этом случае анод изготовлен из того же металла, соль которого находится в растворе. При этом никакие ионы из раствора у анода не разряжаются, а происходит окисление материала самого анода, т. е. сам анод постепенно растворяется, посылая в раствор ионы и отдавая электроны источнику тока.

Cu0 – 2e → Cu2+.

Образующиеся на аноде катионы меди перемещаются в растворе соли к катоду. Процесс восстановления сводится к выделению меди на катоде:

Cu2+ + 2e → Cu0.

Количество соли CuSO4 в растворе остается неизменным.

Таким образом, при осуществлении процесса электролиза с растворимыми электродами имеет место перенос материала электрода (в нашем случае меди) с анода на катод.

Количественные соотношения при электролизе

Количественные расчеты процессов электролиза осуществляются на основании законов М. Фарадея.

Первый закон Фарадея.

Масса вещества, выделяющегося на электроде при электролизе, пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

m = k · Q,

где m – масса восстановленного или окисленного вещества (г); k – коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент) (г/Кл); Q – количество электричества, прошедшего через электролит (Кл).

Напомним, что кулон (Кл) – количество электричества, проходящее по проводнику при силе тока 1 ампер (А) за время 1 с.

Количество электричества Q рассчитывается как произведение силы тока I в амперах на время t в секундах.

Q = I · t.

Электрохимический эквивалент (k) представляет собой массу вещества, которая восстанавливается на катоде или окисляется на аноде при прохождении через раствор 1 Кл электричества. Величину электрохимического эквивалента можно рассчитать по формуле:

k ,

где Mэкв. – молярная масса эквивалента этого вещества (г/моль); F – постоянная Фарадея.

Постоянная Фарадея представляет собой количество электричества, необходимое для выделения из раствора 1 моль эквивалентов вещества (F = 96500 Кл/моль). Это количество электричества равно заряду 1 моль (6,02 ∙ 10 23) электронов.

Молярная масса эквивалента для элемента, в свою очередь, может быть найдена как частное от деления молярной массы элемента на его валентность:

Mэкв =.

Например, молярные массы эквивалентов для серебра, меди и алюминия будут, соответственно, равны:

Mэкв (Ag) = = = = 108 г/моль,

Mэкв (Ag) = = = = 108 г/моль,

Mэкв (Cu) = = = = 32 г/моль,

Mэкв (Al) = = = = 9 г/моль.

При пропускании через раствор 96500 Кл электричества на катоде выделится, соответственно, 108 г серебра, 32 г меди или 9 г алюминия.

Таким образом, при количественных расчетах процесса электролиза можно пользоваться следующими формулами:

m = k · Q = k ∙ I · τ,

m = ×I· τ.

Второй закон Фарадея.

Массы окисляющихся и восстанавливающихся на электродах веществ, при пропускании через раствор одного и того же количества электричества, пропорциональны молярным массам их эквивалентов.

Полезно иметь в виду, что если для разряда одного однозарядного иона (например, Na+, Cl–) требуется 1 электрон, то для выделения из раствора электролита 1 моль таких же ионов, требуется число электронов, равное числу Авогадро – 6,02·1023 (1 моль электронов). Это количество электронов как раз и имеет общий заряд, равный 96500 Кл. Соответственно, для разряда 1 моль двухзарядных ионов, потребуется 2 моль электронов, или количество электричества, равное 2 · 96500 Кл и т. д.

Используя вышеприведенные формулы, можно производить ряд расчетов, связанных с процессом электролиза, например:

· вычислять количества веществ, выделяемых или разлагаемых определенным количеством электричества;

· находить силу тока по количеству выделившегося вещества и времени, затраченному на его выделение;

· устанавливать, сколько времени потребуется для выделения определенного количества вещества при заданной силе тока.

Практическое применение электролиза

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники и технологии. С использованием электролиза в промышленных масштабах получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, химически чистые водород и кислород и т. д.

В цветной металлургии электролиз используется для получения металлов из руд. Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и другие металлы. Для очистки металлов используют электрохимическое рафинирование. 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 осадок чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми (выпадают в виде анодного шлама), либо переходят в раствор электролита 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. Особо необходимо отметить значение гальванических покрытий в высоких технологиях (HiTec) таких, как микроструктурная техника, электроника и другие. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается с покрываемым металлом (или специально обработанным неметаллическим предметом), служащим катодом электролизера. Покрытие изделий цинком, кадмием, никелем, хромом, золотом и другими металлами придает изделиям не только красивый внешний вид, но и предохраняет металл от коррозионного разрушения.