Что такое электролиз и где он применяется?

Промышленное использование

Процесс Холла-Эру для производства алюминия

• Электрометаллургии из алюминия , лития , натрия , калия , магния , кальция , а в некоторых случаях меди .
• Производство хлора и гидроксида натрия , называемое хлорно-щелочным процессом .
• Производство хлората натрия и хлората калия .
• Производство перфторированных органических соединений, таких как трифторуксусная кислота, методом электрофторирования .
• из рафинированной меди .
• Производство топлива, такого как кислород (для космических кораблей и атомных подводных лодок ), а также водорода .
• и чистка старых монет и других металлических предметов.

Производственные процессы

В производстве электролиз можно использовать для:

• Гальваника , при которой на материал подложки наносится тонкая пленка металла. Гальваника используется во многих отраслях промышленности как в функциональных, так и в декоративных целях, например в кузовах автомобилей и никелевых монетах.
• Электрохимическая обработка (ЭХМ), при которой электролитический катод используется в качестве инструмента для удаления материала путем анодного окисления с заготовки. ECM часто используется как метод удаления заусенцев или травления металлических поверхностей, таких как инструменты или ножи, с несмываемой меткой или логотипом.

Электролиз раствора

Основным отличием водного раствора от расплава является присутствие молекул воды и ионов H+ и OH- как продуктов диссоциации воды. В связи с этим возле катода и анода скапливаются ионы, которые конкурируют как друг с другом, так и с молекулами воды. Рассмотрим электролиз на примере водного раствора KF:

К−: 4H₂O + 4e− = 2H₂ + 4OH−

А+: 2H₂O − 4e− = O₂ + 4H+

Суммарное уравнение электролиза:

Как видно, ни калий, ни фтор не фигурируют в продуктах электролиза. Почему так происходит?

Наиболее активные металлы — сильные восстановители. Калий — как раз такой металл, поэтому обратный процесс восстановления активных металлов из соединений осуществить сложно. При электролизе водных растворов солей активных металлов на катоде протекает восстановление не катионов этих металлов, а воды с образованием водорода.

Разберем порядок восстановления катионов металлов на катоде в зависимости от их активности.

Последовательность разрядки катионов зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжения.

1. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который находится в ряду напряжения после водорода, то восстанавливаются ионы металла.

2. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который стоит в начале ряда напряжения от лития до алюминия включительно, то восстанавливаются ионы водорода из молекул воды. Катионы металла не восстанавливаются, остаются в растворе.

3. Если у катода накапливаются молекулы воды и катионы металла, который расположен в ряду напряжения между алюминием и водородом, то восстанавливаются и ионы металла, и частично ионы водорода из молекул воды.

4. Если в растворе находится смесь катионов разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы менее активного металла.

5. При электролизе раствора кислоты на катоде восстанавливаются катионы водорода до газообразного водорода.

Для удобства мы собрали информацию об электролизе в таблице:

Теперь разберемся, что происходит с анионами в водных растворах при электролизе. Для начала познакомимся с последовательностью восстановления анионов на аноде:

Чем меньше выражена восстановительная активность, тем хуже анионы могут окисляться на аноде. К тому же процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона.

Если анод инертный или нерастворимый, то на нем протекают следующие реакции:

1. При электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов!), на аноде происходит процесс окисления аниона.

2. При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде выделяется газообразный кислород вследствие окисления молекул воды. Анион при этом не окисляется, оставаясь в растворе.

3. При электролизе растворов щелочей происходит окисление гидроксид-ионов.

Если анод растворимый, то на нем всегда происходит окисление металла анода — независимо от природы аниона.

Исключением является электролиз солей карбоновых кислот. Таблица выше не описывает происходящее на аноде. Давайте рассмотрим, что же там происходит.

В результате электролиза водных растворов солей щелочных металлов карбоновых кислот происходит образование углеводородов вследствие рекомбинации углеводородных радикалов.

В общем виде электролиз солей карбоновых кислот можно записать так:

На катоде образуется газообразный водород, а на аноде — углекислый газ, углеводород, полученный удвоением радикала. В катодном пространстве накапливается щелочь.

В случае разделения катодного и анодного пространства углекислый газ реагирует со щелочью с образованием гидрокарбоната.

Бесплатные занятия по английскому с носителем
Занимайтесь по 15 минут в день. Осваивайте английскую грамматику и лексику. Сделайте язык частью жизни.
Записаться на интенсив

Электролиз и законы Фарадея

Майкл Фарадей – английский физик-экспериментатор, совершивший несколько важных открытий, касающихся электромагнитных явлений. Электрохимические исследования природы реакций, опубликованные ученым в 1836 году, позволили ему сформулировать законы электролиза. Они формулируют связь между количеством вещества, полученного в процессе электрохимической реакции, и объемом электроэнергии, повлиявшей на электролит.

Первый закон

В общем виде первое правило электролиза Фарадея звучит так: масса вещества, присоединившаяся к электроду при реакции прямо пропорциональна объему электричества, прошедшего через электролит с помощью электродов. Формула реакции:

m = kq = k*I*t

(значения переменных: q – заряд, k –электрохимический эквивалент (коэффициент) вещества, I – сила тока, влияющего на электролит, t – время прохождения электричества).

Второй закон

Этим термином обозначают молярную массу, деленную на целое число, определяющееся реакцией химии, в которой элемент участвует. В другой формулировке закон выглядит так: равное количество электроэнергии ведет к выделению на электродах в течение электролиза эквивалентных масс разных элементов.

Эта константа стала называться числом Фарадея. Самая простая формулировка закона гласит: электрохимический эквивалент каждого элемента прямо пропорционален его молярной массе и обратно пропорционален валентности этого же элемента. Формула:

m = Q/F*A/z

(значения переменных: m – искомая масса полученного вещества, Q – количество полного заряда, прошедшего через электроды, F – число Фарадея, А- молярная масса, z – химическая валентность элемента). Соединяя вместе все значения, описанные в обоих законах, можно вывести общую формулу, определяющую массу собранного на электродах вещества: m = A*I*t/(n*F) (n – заряд иона или количество электронов, участвующих в реакции электролиза).

§ 3.6. Техническое применение электролиза

Электролиз находит широкое применение в технике. Рассмотрим лишь некоторые примеры наиболее важных технических применений электролиза.

Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внепгнего вида.

Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет (рис. 3.8). Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними (см. рис. 3.8).

Рис. 3.8

Гальванопластика — электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка

Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала. В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала

Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж

В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.

Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати и с большим числом иллюстраций.

Осаждая металл на длинный цилиндр, получают трубы без шва.

Процесс получения отслаиваемых покрытий был разработан русским ученым Б. С. Якоби, который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора (в Санкт-Петербурге).

Рафинирование меди

В § 3.1 мы говорили о роли металлических проводников в современной электротехнике. Медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей (см. § 2.4). Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные куски (толстые листы) неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди — катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка (шлама), а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.

Получение алюминия

При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.

В угольные тигли (рис. 3.9) насыпают глинозем (оксид алюминия Al₂O₃), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Рис. 3.9

Описанный способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.

Путем электролиза расплавленных солей в настоящее время получают также натрий, калий, магний, кальций и другие металлы.

Электролиз используется для гальваностегии, гальвано-пласт,ики, рафинирования меди, получения алюминия и др.

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.

Информация. Процессы электролиза не протекают бесконтрольно. В цепь электролизёра включают медный кулонометр. Единица измерений прибора – 1 Кл (кулон). В этом случае контролируется количество результата (продукта) анодных, катодных реакций при 100%-ном выходе по току, необходимому для прохождения реакций.

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.

Область применения

Сегодня электролизёр — такое же привычное устройство, как и генератор ацетилена или плазменный резак. Изначально водородные генераторы использовались сварщиками, поскольку носить за собой установку весом всего несколько килограмм было намного проще, чем перемещать огромные кислородные и ацетиленовые баллоны. При этом высокая энергоёмкость агрегатов решающего значения не имела — всё определяло удобство и практичность. В последние годы применение газа Брауна вышло за рамки привычных понятий о водороде, как топливе для газосварочных аппаратов. В перспективе возможности технологии очень широки, поскольку использование HHO имеет массу достоинств.

• Сокращение расхода горючего на автотранспорте. Существующие автомобильные генераторы водорода позволяют использовать HHO как добавку к традиционному бензину, дизелю или газу. За счёт более полного сгорания топливной смеси можно добиться 20 – 25 % снижения потребления углеводородов.
• Экономия топлива на тепловых электростанциях, использующих газ, уголь или мазут.
• Снижение токсичности и повышение эффективности старых котельных.
• Многократное снижение стоимости отопления жилых домов за счёт полной или частичной замены традиционных видов топлива газом Брауна.
• Использование портативных установок получения HHO для бытовых нужд — приготовления пищи, получения тёплой воды и т. д.
• Разработка принципиально новых, мощных и экологичных силовых установок.

Генератор водорода, построенный с использованием «Технологии водяных топливных ячеек» С. Мейера (а именно так назывался его трактат) можно купить — их изготовлением занимается множество компаний в США, Китае, Болгарии и других странах. Мы же предлагаем изготовить водородный генератор самостоятельно.

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.

Важно! При протекании этого процесса на аноде восстанавливаются не анионы или молекулы H2O, а окисляется сам анод. Его частицы растворяются (окисляются) и восстанавливаются уже на катоде

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.

К сведению. Потенциалы электродов могут отклоняться от их изначального значения в ходе электролиза. Это явление называют поляризацией. Она бывает электрохимической и концентрационной.

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

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Теоретическая часть

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих под действием постоянного электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита. При электролизе химическая реакция осуществляется за счет энергии электрического тока, подводимой извне. Электролиз проводят в особых приборах – электролизерах. Это сосуд с раствором или расплавом электролита и опущенными в него электродами из металла или графита. К электродам прикладывают разность потенциалов от внешнего источника постоянного тока. Катод отдает электроны частицам вещества в электролите и восстанавливает их. Анод отбирает электроны от частиц в электролите, окисляя их.

Электролиз расплавов оснований.

При электролизе процессы окисления и восстановления протекают на различных электродах – аноде и катоде. Анод – это электрод, на котором происходит процесс окисления. При электролизе анод заряжен положительно. Катод – это электрод, на котором происходит процесс восстановления. При электролизе катод заряжен отрицательно. На окислительно-восстановительные процессы, протекающие при электролизе, влияют различные факторы:

• Природа электролита и растворителя;
• Материал электродов;
• Режим электролиза (напряжение, сила тока, температура).

Будет интересно Все о законе Ома: простыми словами с примерами для «чайников»

Различают 2 типа электролиза: электролиз расплава и электролиз растворов электролитов. Электролиз расплавов оксидов На катоде идет восстановление катионов металла: Men++ nē = Me0 , т.е. на катоде выделяется металл. На аноде окисляется кислород: O –2 –2ē = O2 Например, электролиз расплава оксида калия: 2K2O = 4K + O2 При изучении алюминия, способов получения металлов, надо знать электролиз оксида алюминия. Металлический алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите Na2AlF6 при 960–970°С. Электролиз Al2O3 можно представить следующей схемой: в расплаве оксид алюминия диссоциирует: Al2O3= Al3++ AlO3 3– , на катоде восстанавливаются ионы Al3+ : Al3++3ē Al0 , на аноде окисляются ионы AlO3 3– : 4AlO3 3– – 12ē 2Al2O3 + 3O2. Суммарное уравнение процесса: 2Al2O3 4Al + 3O2. Жидкий алюминий собирается на дне электролизера.

Электролиз расплавов оснований

На катоде традиционно восстанавливается металл: Men+ +nē = Me0 На аноде будет окисляться кислород в составе гидроксид-группы: 4OH− −4ē =2H2O + O2 Электролиз расплавов солей 1. Электролиз расплава бескислородной соли: На катоде всегда восстанавливается металл: Men + nē = Me0 На аноде окисляется бескислородный анион: A n– – nē = A0 Например: Электролиз расплава NaCl: 2NaCl = 2Na + Cl2 2.Электролиз расплава кислородсодержащей соли (элемент аниона находится не в высшей степени окисления): На катоде всегда восстанавливается металл: Men++ nē = Me0 На аноде будет окисляться элемент аниона: SO3 2– – 2ē = SO3 0 Например, электролиз расплава сульфита натрия: Na2SO3 = 2Na + SO3 Сера S в сульфите имеет степень окисления +4, при электролизе она окисляется до +6 (SO3). 3.

Электролиз расплава кислородсодержащей соли (элемент аниона в высшей степени окисления): На катоде всегда восстанавливается металл: Men++ nē = Me0 На аноде: т.к

элемент уже в высшей степени окисления, то окисляться будет кислород, например: 2CO3 –2 – 4ē = 2CO2 + O2 Например, электролиз расплава карбоната натрия: 2Na2CO3 = 4Na + 2CO2+ O2 Важно понимать, что эти реакции не идут сами по себе. Их протекание возможно только при действии электрического тока. Электролиз растворов На катоде могут протекать следующие реакции восстановления

Электролиз растворов На катоде могут протекать следующие реакции восстановления.

Электролиз расплавов оснований.

Как работает электролиз.

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Для практического применения электролиза важно понимать, что происходит на обоих электродах при подаче электрического тока. Характерны такие процессы:

1. Катод. К нему устремляются положительно заряженные ионы. Здесь происходит восстановление металлов или выделение водорода. Можно выделить несколько категорий металлов по катионной активности. Такие металлы, как Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, хорошо восстанавливаются только из расплава солей. Если используется раствор, то выделяется водород за счет электролиза воды. Можно обеспечить восстановление в растворе, но при достаточной концентрации катионов, у следующих металлов — Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Процесс протекает наиболее легко для Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Анод. К этому электроду поступают отрицательно заряженные ионы. Окисляясь, они отбирают электроны у металла, что приводит к их анодному растворению, т.е. переходу в положительно заряженные ионы, которые направляются к катоду. Анионы также подразделяются по своей активности. Только из расплавов могут разряжаться такие анионы PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. В водных растворах электролизу подвергаются не они, а вода с выделением кислорода. Наиболее легко реагируют такие анионы, как ОН, Cl, I, S, Br.

При обеспечении электролиза важно учитывать склонность материала электродов к окислению. В этом отношении выделяются инертные и активные аноды

Инертные электроды делаются из графита, угля или платины и не участвуют в снабжении ионами.