Электролиз в электрохимических условиях

Электролиз - это вынужденный процесс, протекающий в определенном электролитическом проводнике, причем носителями электрического заряда являются как катионы (положительные ионы), так и анионы (отрицательные ионы). Подключение внешнего источника постоянного тока к системе вызывает движение зарядов между электродами, погруженными в жидкий ионный проводник.

Электролиз является одним из электрохимических процессов, которые могут инициировать химические превращения с использованием электричества. Это относится не ко всем преобразованиям - для проведения электролиза необходимы свободно движущиеся ионы. Их можно найти в расплавленном электролите или в растворе электролита. Важно, чтобы растворитель такого раствора был полярным (чаще всего используется вода).

Электрическая энергия, используемая в процессе электролиза, подается в виде постоянного тока. Он берется из внешнего источника (например, из генератора или батареи). Ток подается на электролит электродами из металла или графита. Подача напряжения на электроды вызывает электрическое поле между ними. Это, в свою очередь, приводит к тому, что анионы (отрицательный заряд) в электролите направлены к аноду - электроду, к которому был приложен положительный полюс источника питания. Катионы с положительным зарядом направляются к катоду - электроду, к которому приложен отрицательный полюс источника питания. В какой-то момент ионы вступают в контакт с соответствующими электродами и обмениваются электронами с ними. Контакт с катодом приводит к тому, что электроны улавливаются, и происходит реакция восстановления. В результате ионы становятся инертными частицами и в этой форме они высвобождаются на катоде. Контакт с анодом вызывает перенос электронов, реакции окисления и отделение инертных частиц на аноде. Эти отношения всегда верны - независимо от того, какое вещество электролизуется. Таким образом, на катоде всегда происходит реакция восстановления и окисление на аноде.

При электролизе могут быть получены различные вещества в зависимости от условий, преобладающих на протяжении всего процесса. Вот возможности изменить условия:

  • исходным материалом является расплавленный электролит или его водный раствор
  • растворы могут иметь разные концентрации
  • Вы можете изменить напряжение, подаваемое на электроды (например, выбрав разные источники питания)
  • Вы можете использовать электроды из разных материалов (например, на медных электродах можно получить другой продукт, а на графите - другой).

Фарадей сформулировал законы, позволяющие количественно описать изменения, происходящие при электролизе. Его работы по электрическому току и его свойствам предоставили много информации, в том числе об ионах и электролизе (он является создателем концепции электролиза). Он провел серию экспериментов по изучению процесса электролиза. Анализ данных и тщательное рассмотрение привели его к обнаружению некоторых закономерностей. Он сформулировал их в виде двух несложных законов, известных сегодня как законы Фарадея. Вот они:

1) Масса вещества, отделенного на электроде, не зависит ни от свойств раствора, ни от природы электродов и изменяется прямо пропорционально размеру электрического заряда, проходящего через электролизер. Эта зависимость описывается формулой:

m = kq = kIt

m - масса вещества, отделяемого на электроде

k - коэффициент пропорциональности («электрохимический эквивалент или коэффициент, определяющий массу отделенного вещества с потоком единичного картриджа, например, одной пули» - по К.М. Паздро «Основы химии для кандидатов в вузы»)

q - величина заряда, переносимого ионами

Я - сила тока

t - продолжительность электролиза

2) «отношение молярной массы вещества, испускаемого на электроде, к продукту его электрохимического эквивалента и числу нагрузок электродной реакции (зарегистрировано для одного моля вещества с молярной массой М) является постоянным для всех электродных процессов и составляет 96 500 С / моль» (согласно КМ Паздро "Основы химии для кандидатов в вузы"):

М - молярная масса вещества, выделенного на электроде

z - номер груза

F - постоянная Фарадея = 96 500 С / моль

Оба права могут быть объединены и представлены в виде одной формулы:

Оба права могут быть объединены и представлены в виде одной формулы:

Электролиз может иметь место только тогда, когда к электродам приложено соответствующее напряжение, то есть не ниже определенного характеристического значения для данной системы. Первоначально, несмотря на применение все более высокого напряжения, продуктов электролиза не наблюдается. Только когда так называемый затухание напряжения, то вы можете наблюдать значительное увеличение количества тока, протекающего в данной цепи. Причиной, по которой первоначально происходит небольшое увеличение тока в цепи, является явление электрохимической поляризации электродов. Он заключается в том, что оба электрода перекрываются тонкими слоями продуктов электролиза. Разделение этих продуктов приводит к определенной электродвижущей силе (SEM) на обоих электродах, направленной против приложенного напряжения. Только когда напряжение, приложенное к электродам, даже немного больше, чем SEM сформированной ячейки, можно наблюдать, что происходит электролиз. Напряжение затухания - это название наименьшего напряжения, необходимого для запуска процесса электролиза. Практически, к значению запланированного напряжения необходимо прибавить так называемые перенапряжение помечается буквой ч. Значение перенапряжения зависит от:

- материал электрода и состояние его поверхности;

- плотность тока;

температура.

Системное перенапряжение можно рассматривать как сумму перенапряжений на каждом электроде (hk + ha = h).

Таким образом, оказывается, что некоторые другие данные должны быть включены в расчет фактического распределенного напряжения. Он относится к теоретическому перенапряжению, добавляет измеренное перенапряжение на катоде и аноде и добавляет падение напряжения, которое вызывает сопротивление электролита. Падение напряжения равно произведению тока и сопротивления.

Urozkł. = E1 - E2 + hk + ha + IR

где:

Е1 и Е2 - потенциалы электродов, образованных в результате осаждения продуктов электролиза,

hk, ha - перенапряжения отдельных электродов;

И это сила тока,

R - сопротивление электролита.

Следует также добавить, что величина напряжения распределения, необходимая для преобразования элементарных ионов в нейтральные электрические атомы, также зависит от положения элемента в так называемых серия напряжений. Существует правило, что катионы этих металлов, которые имеют самые высокие нормальные потенциалы в этом ряду напряжений, легче всего уменьшить, в то время как металлы с наименьшими нормальными потенциалами труднее всего восстановить. Это соотношение используется для электролитического разделения металлов. Например, если в электролитической системе есть раствор определенной смеси солей двух разных металлов, например, меди и цинка, напряжение, приложенное к электродам, может быть выбрано так, чтобы в катоде происходило только разделение меди, а ионы цинка все еще находились в растворе.

Электролиз нашел много практических применений, особенно в промышленности, но также и в количественном анализе. Процессы, используемые в промышленности, можно классифицировать следующим образом:

  • Электролиз водных растворов, в том числе:

1) процессы, с помощью которых металл выделяется на катоде. Отделение металла тогда очень желательно и фактически является целью электролиза. Таким способом можно получить металлы высокой чистоты, так как все загрязняющие вещества будут оставаться в растворе в подавляющем большинстве. Поэтому этот метод используется при рафинировании металлургии меди. Загрязненная медь действует как анод в электролизере, и чистая медь (называемая электролитической медью) выделяется на поверхности катода. Очищается таким же образом цинк цинковая руда (процесс происходит в кислоте). Еще одним применением этого типа электролиза является покрытие различных поверхностей гальваническим покрытием из драгоценных металлов. Полученные покрытия могут быть декоративными или защитными, как в случае никелирования или хромирования. Гальванопластические формы получаются аналогичным образом. Они могут быть получены на моделях, например - гипсовых, которые были покрыты графитовым слоем (графит заставляет их приобретать способность проводить ток, и, таким образом, они могут быть катодом). 2) процессы, во время которых металл не излучает катод. К ним, среди прочего, относятся: получение чистого Н2 путем разложения на элементы воды, которые были предварительно подкислены или подщелачиваны; получение хлората или гипохлорита натрия (используемых в качестве сильных отбеливателей или окислителей) путем окисления хлорида натрия (популярная поваренная соль); получение перекиси водорода (H2O2) путем разложения пероксидных соединений, полученных окислением серной кислоты (VI) или сульфата аммония [(NH4) 2SO4].

  • Электролиз расплавленных электролитов (иначе - термоэлектролиз). Этот тип электролиза используется, среди прочего для получения оксида алюминия без оксида алюминия, растворенного в криолите. Это также хороший метод получения легких металлов (в основном натрия, кальция и магния) из расплавленных солей этих металлов.

Для проведения электролиза необходимо использовать специальные устройства, называемые электролизерами. В промышленности используются электролизеры в виде открытых или закрытых резервуаров (различных типов котлов, ванн или бочек), заполненных электролитом. Электролит имеет контакт (например, путем погружения) по меньшей мере с 2 электродами (например, графитом и металлом), соединенными с источником постоянного тока. В случае бездиафрагменного электролизера места вокруг катода и анода не разделены. Обратное направление в диафрагменном электролизере - между анодом и катодом имеется барьер в виде металлической сетки, покрытой изоляционным материалом, или пористой керамической плитки или асбестовой диафрагмы. Такой барьер позволяет протекать электричеству, предотвращая смешивание продуктов с анода и катода (между ними нет реакции). Эта же функция имеет колокол в электролизерах, называемых колоколами. Наносится сверху на 1 или 2 электрода. Это не только перегородка, но и позволяет отвод газообразных продуктов электролиза. Термоэлектролизеры представляют собой тип электролизеров, пригодных для электролиза твердофазных веществ. В свою очередь, гальваника использует так называемые гальванические ванны

То, что определяет направление и тип реакции, которая будет происходить на обоих электродах во время протекания зарядов через систему электролизера, зависит главным образом от химического состава раствора, материалов, из которых изготовлены электроды, а также от напряжения и температуры системы. Не существует однозначных, эффективных в каждом конкретном случае правил для прогнозирования происходящих процессов, хотя существует несколько простых правил для прогнозирования многих ситуаций. Самая важная вещь, которую следует помнить, это то, что на данном типе электрода (положительном или отрицательном) существует только один процесс (восстановление или окисление). Также стоит знать, что в анодной реакции участвуют только частицы, которые могут испускать электроны (для них это будет благоприятно для энергии), а в катодной реакции только те, которые могут поглощать электроны.

Согласно определению электролиза, его течение не ограничивается только средой водных растворов электролита. Это также может происходить в ионном гиде. Это относится главным образом к расплавленным веществам, имеющим ионную структуру, которые включают, например, оксиды и гидроксиды металлов. В результате плавления этих веществ их правильная кристаллическая структура разрушается. Кристаллическая решетка расслабляется до такой степени, что ионы могут свободно перемещаться. Это позволяет им принимать участие в реакциях, происходящих на электродах, и может нести электрические заряды (что является синонимом проводимости тока).

ПРИМЕРЫ РЕАКЦИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕ:

1. Электролиз расплавленного NaCl (хлорида натрия):

Плавление NaCl означает высвобождение ионов Na + и Cl- из решетки. Подача напряжения на электроды, погруженные в жидкий NaCl, вызывает следующие реакции:

  • реакция, происходящая на катоде: Na + + e → Na, заключается в переносе электрона, присутствующего на катоде, на ион натрия, что вызывает нейтрализацию иона к атому.
  • реакция, протекающая на аноде: 2Cl- → Cl2 + 2e, заключается в испускании электронов ионом хлора, что вызывает нейтрализацию ионов к атомам, соединяющимся с молекулами двухатомного газа, плавающими над электролизером.

Общая реакция имеет следующий ход:

2Na + + 2Cl- → Cl2 + 2Na

Электролиз расплавленного NaCl приводит к образованию металлического натрия на катоде и газообразного хлора, который выделяется рядом с анодом.

2. Электролиз концентрированного водного раствора NaCl

Концентрированный раствор хлорида натрия в воде не дает точно таких же продуктов, как при электролизе расплавленной соли. Водород отделяется на катоде, и на аноде образуются пузырьки газообразного хлора.

Ионы хлора с отрицательным зарядом перемещаются к аноду, отдают там свои электроны и становятся нейтральными молекулами Cl2. Ионы натрия с положительным зарядом вытягивают электроны из катода и превращают в нейтральные атомы. Образующиеся атомы немедленно реагируют с водой в соответствии с уравнением:

2Na + H2O → 2NaOH + H2

В результате газообразный водород выделяется вокруг катода.

3. Электролиз разбавленного раствора NaCl

Этот электролиз приводит к разделению водорода и кислорода. Если разбавленные растворы электролизуются, реагенты фактически являются только молекулами воды.

2 H2O + 2e- → H2 + OH-

так что H + + OH- + e- → H + OH-

Катодная реакция приводит к выделению водорода.

Вода также взаимодействует с анодом, отдает ему свои электроны:

2 H2O → O2 + 4H + + 4e-

Как следует из уравнения реакции, продукт представляет собой молекулярный кислород, который выделяется на аноде. Общая реакция электролиза разбавленного водного раствора хлорида натрия может быть сохранена как:

6 H2O → 2H2 (катод) + O2 (анод) + 4H + + 4OH-

Из приведенного выше уравнения видно, что реакция электролиза разбавленных растворов электролитов фактически основана на распределении молекул воды:

2 H2O → 2H2 + O2

4. Электролиз раствора кислоты в воде:

Во время кислотного электролиза обычно происходит катод секреция водород и кислород или другие продукты вокруг анода.

Растворы аэробных кислот (например, серной (VI), фосфорной (V), азотный (V), углерод) всегда приводят к разделению кислорода и водорода.

Если мы электролизуем растворы разбавленных кислот, то протекающие реакции будут иметь то же поведение, что и с разбавленными растворами разных солей.

Если мы имеем дело с более высокими концентрациями кислоты, на катоде происходит реакция в соответствии с уравнением:

2H + + 2e- → H2

Продукты окисления анода могут варьироваться в зависимости от того, была ли кислота аэробной или анаэробной. Если бы анионы в растворе были из аэробной кислоты, кислород из молекул воды высвободился бы на аноде. Если анионы были из анаэробной кислоты, они окисляют кислотные остатки, например, если это была HCl, тогда реакция будет: 2Cl- → Cl2 + 2e-, и продукт будет отделяться, в данном случае от хлора.

5. Электролиз принципов:

Если раствор электролиза очень тонкий и в то же время электроды подключены к источнику питания не очень высокого напряжения, вода разлагается. Катодная реакция:

2 H2O + 2e- → 2OH- + H2

Анодная реакция:

H2O → 2H + + ½ O2 + 2e-

водород и кислород выделяются, и объем получаемого таким образом водорода вдвое больше объема получаемого кислорода с учетом тех же условий давления и температуры.

Если происходит электролиз концентрированных растворов оснований, анодная реакция выглядит несколько иначе:

2OH- → H2O + ½ O2 + 2e-

На основании приведенных выше примеров можно сделать вывод, что почти все реакции, происходящие на электродах во время протекания тока через разбавленные водные растворы электролитов, приводят к образованию газообразного кислорода и водорода.