Билет 11.

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.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. 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.

Катионы активных металлов:Li+, Cs+, Rb+, K+, Ba2+, Sr2+, Ca2+, Na+, Mg2+, Be2+, Al3+ =Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением водорода

Катионы менее активных металлов:Mn2+, Cr3+, Zn2+, Ga3+, Fe2+, Cd2+, In3+, Tl+, Co2+, Ni2+, Mo4+, Sn2+, Pb2+=В водном растворе восстанавливается металл (при малой концентрации катионов в растворе — металл и водород).

Катионы неактивных металлов: Bi3+, Cu2+, Ag+, Hg2+, Pd3+, Pt2+, Au3+=Легко разряжаются и восстанавливается только металл.

Анионы кислородсодержащих кислот и фторид-ион:PO43−, CO32−, SO42−, NO3−, NO2−, ClO4−, F-=Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением кислорода.

Гидроксид-ионы; анионы бескислородных кислот (кроме F−):OH−, Cl−, Br−, I−, S2−=Легко разряжаются.

При проведении электролиза с использованием активного (расходуемого) анода процесс усложняется и конкурирующими

реакциями на электродах являются следующие:

на аноде — окисление анионов и гидроксид-ионов, анодное растворение металла — материала анода;

на катоде — восстановление катиона соли и ионов водорода, восстановление катионов металла, полученных при растворении

анода.

Примеры:

Активные металлы

Соль активного металла и бескислородной кислоты

NaCl ↔ Na+ + Cl−

K"катод"(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH−

Анод(+) Сl− — 1e = Cl0; Сl0+Сl0=Сl2

Вывод: 2NaCl + 2H2O(электролиз) → H2 + Сl2 +2NaOH

Менее активные металлы

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

Объединенный закон Фарадея

Постоянная Фарадея Кл/моль

Масса (выделившегося вещества), размерность в СИ - кг

Электрический заряд, размерность в СИ - Кл

Валентность

Молярная масса, размерность в СИ –кг/моль

Для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли, основные процессы которого можно представить суммарной формулой:

2NaCl + 2H2О ±2е- → H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH

Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). Качество хлора, получаемого электрохимическим методами, отличается мало.

Электрохимически гидроксид натрия получают электролизом растворов галита (минерала, состоящего в основном из поваренной соли NaCl) с одновременным получением водорода и хлора. Этот процесс можно представить суммарной формулой:

2NaCl + 2H2О ±2е- → H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH

Едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них — электролиз с твёрдым катодом (диафрагменный и мембранный методы), третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод).

В мировой производственной практике используются все три метода получения хлора и каустика с явной тенденцией к увеличению доли мембранного электролиза.

Современный метод получения алюминия был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.