Электролиз

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схематическое изображение электролитической ячейки для исследования электролиза

Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита.

Электролиз является одним из лучших способов золочения или покрытия металла медью, золотом и т.д

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создаётся электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом — положительный[1]. Положительные ионы — катионы (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

Реакции, происходящие при электролизе на электродах, называются вторичными. Первичными являются реакции диссоциации в электролите. Разделение реакций на первичные и вторичные помогло Майклу Фарадею установить законы электролиза (см. ниже).

Применение[править | править вики-текст]

Цех электролиза меди завода «Уралэлектромедь». Аноды опущены в ванны с электролитом

Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, диоксида марганца[2], пероксида водорода. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование). Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока.

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации). Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика).

Первый закон Фарадея[править | править вики-текст]

В 1832 году Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

, если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Вывод закона Фарадея[править | править вики-текст]

(1)
(2)
(3)
(4)
, (5)
где z — валентность атома (иона) вещества,
e — заряд электрона
Подставляя (2)-(5) в (1), получим
,

где  — постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея[править | править вики-текст]

Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

,

где  — постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

,
где  — молярная масса данного вещества,
образовавшегося (однако не обязательно выделившегося —
оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования)
в результате электролиза, г/моль;
 — сила тока, пропущенного через вещество
или смесь веществ (раствор, расплав), А;
 — время, в течение которого проводился электролиз, с;
 — постоянная Фарадея, Кл·моль−1;
 — число участвующих в процессе электронов,
которое при достаточно больших значениях силы тока
равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона),
принявшего непосредственное участие в электролизе
(окисленного или восстановленного).
Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Изменение электролизом веществ[править | править вики-текст]

Не все вещества будут электролизироваться при пропускании электрического тока. Существуют некоторые закономерности и правила.

Катионы активных металлов Катионы менее активных металлов Катионы неактивных металлов
Li+, Cs+, Rb+, K+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+, Mg2+, Be2+, Al3+ Mn2+, Cr3+, Zn2+, Ga3+, Fe2+, Cd2+, In3+, Tl+, Co2+, Ni2+, Mo4+, Sn2+, Pb2+ Bi3+, Cu2+, Ag+, Hg2+, Pd3+, Pt2+, Au3+
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением водорода В водном растворе восстанавливается металл (при малой концентрации катионов в растворе — металл и водород) Легко разряжаются, и восстанавливается только металл
Анионы кислородсодержащих кислот и фторид-ион Гидроксид-ионы; анионы бескислородных кислот (кроме F)
PO43−, CO32−, SO42−, NO3, NO2, ClO4, F OH, Cl, Br, I, S2−
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением кислорода Легко разряжаются

Примеры[править | править вики-текст]

Расплавы[править | править вики-текст]

I. Активные металлы

1. Соль активного металла и бескислородной кислоты

NaCl ↔ Na+ + Cl

K"катод"(-): Na+ + 1e = Na0

A"анод"(+): Cl — 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2

Вывод: 2NaCl → (электролиз) 2Na + Cl2


2. Соль активного металла и кислородосодержащей кислоты

Na2SO4↔2Na++SO42−

K(-): 2Na+ +2e =2Na0

A(+): 2SO42− −4e =2SO3+O2

Вывод: 2Na2SO4 → (электролиз) 4Na + 2SO3 + O2


3. Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион

NaOH ↔ Na+ + OH

K(-): Na+ +1e =Na0

A(+): 4OH −4e =2H2O + O2

Вывод: 4NaOH → (электролиз) 4Na + 2H2O + O2


II. Менее активные металлы

Точно так же


III. Неактивные металлы

Точно так же

Растворы[править | править вики-текст]

I. Активные металлы

1. Соль активного металла и бескислородной кислоты

NaCl ↔ Na+ + Cl

K"катод"(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH

A"анод"(+): Cl — 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2

Вывод: 2NaCl + 2H2O(электролиз) → H2 + Cl2 +2NaOH


2. Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты

Na2SO4↔2Na++SO42−

K(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH

A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4H+

Вывод: 2H2O (электролиз) → 2H2 + O2


3. Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион

NaOH ↔ Na+ + OH

K(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH

A(+): 2OH- - 2e=O2 + H2

Вывод: 2NaOH + 2H2O (электролиз) → 2NaOH + 2H2 + O2


II. Менее активные металлы

1. Соль менее активного металла и бескислородной кислоты

ZnCl2 ↔ Zn2+ + 2Cl

K"катод"(-): Zn2+ + 2e = Zn0

A"анод"(+): 2Cl — 2e = 2Cl0

Вывод: ZnCl2 (электролиз) → Zn + Cl2


2. Соль менее активного металла и кислородсодержащей кислоты

ZnSO4 ↔ Zn2++SO42−

K(-): Zn2+ + 2e = Zn0

A(+): 2H2O — 4e = O2 + 4Н+

Вывод: 2ZnSO4 + 2H2O(электролиз) → 2Zn + 2H2SO4 + O2


3. Гидроксид: невозможно (нерастворим)

III. Неактивные металлы

Точно так же

Мнемоническое правило[править | править вики-текст]

Для запоминания катодных и анодных процессов в электрохимии существует следующее мнемоническое правило:

  • У анода анионы окисляются.
  • На катоде катионы восстанавливаются.

В первой строке все слова начинаются с гласной буквы, во второй — с согласной.

Или проще:

  • КАТод — КАТионы (ионы у катода)
  • АНод — АНионы (ионы у анода)

Электролиз в газах[править | править вики-текст]

Электролиз в газах, при наличии ионизатора, объясняется тем, что при прохождении через них постоянного электрического тока наблюдается выделение веществ на электродах. Законы Фарадея в газах не действительны, но существуют несколько закономерностей:

1) при отсутствии ионизатора электролиз проводиться не будет, даже при высоком напряжении;
2) электролизу подвергаются только бескислородные кислоты в газообразном состоянии и некоторые газы;
3) уравнения электролиза, как в электролитах, так и в газах, всегда остаются постоянными.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Обратное обозначение знака катода и анода встречается в литературе при описании гальванических элементов
  2. Электросинтез — Химическая энциклопедия

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «электролиз»
Химические методы разделения
Дефлегмация | Дистилляция | Зонная плавка | Многократное испарение | Однократное испарение | Постепенное испарение | Рефлюкс (химия) | Твердофазная экстракция | Фракционированная конденсация | Хроматография | Электролиз | Экстракция