7.7.1. Применение электролиза в технике
Электролиз находит весьма широкое применение в технике. Электролизом получают некоторые металлы; многие металлы, полученные неэлектрическим методом, очищают от примесей. Электролизом соответствующих растворов получают кислород, водород, хлор, "тяжелую воду". Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металла, а также изготавливают рельефные металлические копии нужных изделий. На электролизе основана зарядка аккумуляторов. Каждое из возможных применений электролиза получило свое название. Рассмотрим сущность некоторых из применений электролиза в технике.
Гальванопластика – получение металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и т.п.). Для этого с предмета сначала снимают слепок из воска (стеарина), покрывают поверхность слепка порошкообразным графитом для придания электропроводности и затем используют слепок в качестве катода в электролитической ванне, содержащей растворенную соль металла. При электролизе металл электролита выделяется на поверхности слепка и образует металлическую копию предмета. Этим способом, в частности, изготавливают типографские клише, бесшовные трубы, а также другие металлические детали сложной формы.
Гальваностегия. Электролитическое осаждение металлов широко используется для покрытия металлических предметов слоем благородных металлов или защитным слоем другого металла, обладающего механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Таково электролитическое серебрение, золочение и платинирование, покрытие хромом и никелем, электролитическое покрытие железа цинком.
Очистка (рафинирование) металлов (получение чистых металлов). Для этого очищаемый металл отливают в виде пластин, и делают их анодом в электролитической ванне. Электролитом служит раствор соли данного металла. При правильном выборе напряжения между анодом и катодом добиваются того, чтобы только очищаемый металл переходил с анода в раствор и выделялся на катоде. Примеси выпадают на дно электролитической ванны в виде осадка (анодный шлам).
Очисткой путем электролиза получают, например, очень чистую (так называемую электролитическую рафинированную) медь, широко применяемую в электротехнике.
Электрометаллургия. В настоящее время многие металлы получают с помощью электролиза руд в расплавленном состоянии. Примером может служить получение алюминия. Электролизу подвергают расплав смеси глинозема Al 2 O 3 и криолита Na 2 AlF 6. Анодами служат опускаемые в расплав угольные стержни. Электролиз производится при температуре около 900 o C, причем высокая температура поддерживается самим током. Электролизом получают также натрий, магний, бериллий, фтор и другие элементы.
Электролитическое травление и полировка. Помещая металлические предметы в электролитическую ванну в качестве анода, можно заставить металл растворяться. При наличии шероховатостей у поверхности электролитическое растворение происходит быстрее у выступов и заострений, так как напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность тока возле них больше. Поэтому с помощью электролиза можно производить травление и полировку поверхностей.
Электролитические конденсаторы. На явлении электролиза основано действие так называемых электролитических конденсаторов ("электролитов"), широко применяемых в современной электротехнике и радиотехнике. Они имеют два алюминиевых электрода, находящихся в электролите. Состав электролита может быть разным, например из смеси борной кислоты и раствора аммиака с добавлением глицерина. Электролит часто изготовляют в виде густой пасты и пропитывают им бумажную прокладку, находящуюся между электродами. Работу электролитического конденсатора можно представить так: положительный полюс конденсатора покрыт тончайшим слоем окислов алюминия, который поддерживается вследствие электролиза. Этот слой является диэлектриком конденсатора, а обкладками служат алюминиевый электрод и электролит. Второй алюминиевый электрод является пассивным и служит только для включения конденсатора в цепь. Благодаря малой толщине слоя окислов емкость электролитических конденсаторов достигает многих сотен микрофарад на м 2 площади пластин.
Электролитический конденсатор обладает большой емкостью только при определенной полярности напряжения, а именно в том случае, когда окисленный электрод соединен с положительным полюсом источника. При обратном включении в цепь изолирующий слой исчезает и через конденсатор проходит большой ток, разрушающий его.
Недостатками электролитических конденсаторов являются сравнительно большие утечки, необходимость соблюдать полярность, малая величина пробойных напряжений и невозможность использования их в цепях переменного тока.
Электролиз и так называемая электролитическая поляризация получили важное техническое применение в аккумуляторах, или, иначе, вторичных источниках тока (элементах). Они представляют собой гальванические элементы, в которых вещества, предварительно накопленные на электродах в процессе электролиза (в процессе зарядки аккумулятора), расходуются при отборе тока.
Наибольшее распространение получили свинцовые, или кислотные, аккумуляторы. В простейшем виде они состоят из двух свинцовых электродов, находящихся в растворе серной кислоты. При погружении в кислоту на электродах образуется сернокислый свинец PbSO 4 , и раствор насыщается этой же солью.
При зарядке аккумулятора на его электроде, соединенном с положительным полюсом источника тока, свинец окисляется в перекись PbO 2 , а второй электрод превращается в чистый свинец. При зарядке аккумулятора появляются дополнительные молекулы кислоты, поэтому концентрация кислоты увеличивается.
При разрядке аккумулятора его положительный полюс постепенно раскисляется, и на нем происходит вновь образование сернокислого свинца, который появляется также и на отрицательном электроде. При разрядке концентрация кислоты уменьшается.
Аккумуляторы характеризуются, помимо ЭДС, емкостью, т.е. величиной заряда, отдаваемого при разрядке. Она измеряется в ампер-часах и, очевидно, тем больше, чем больше поверхность электродов.
Для увеличения емкости электроды аккумуляторов отливают в виде пластин с многочисленными ячейками наподобие пчелиных сотов и в ячейки запрессовывают окислы свинца.
Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы, которые отличаются меньшей массой при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой – из никеля, а электролитом служит 20-процентный раствор едкого калия KOH. В заряженном состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля Ni(OH) 3 , а катодом – железо.
Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники и технологии. С использованием элект-ролиза в промышленных масштабах получают хлор и фтор, щело- чи, хлораты и перхлораты, химически чистые водород и кислород и т.д.
В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и другие металлы. Для очистки металлов используютэлектрохимическое 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.
Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий (матриц) с различных как неметаллических, так и металлических рельефных предметов. С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д.
Кроме того, с помощью электролиза:
получают защитные и декоративные оксидные пленки на поверхности металлов (анодирование),
осуществляют электрохимическую размерную обработку металла (электрохимическое фрезерование),
проводят обработку поверхности металлического изделия (электрохимическое полирование),
осуществляют электрохимическое окрашивание металлов, проводят электрохимическую заточку режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т. д.),
наносят металлические покрытия на изношенные металлические покрытия для ремонтных целей,
наносят эмалевые покрытия порошково-электростатическим методом.
12.1. Вопросы для самоконтроля
1. Что такое электролиз?
2. Какие процессы имеют место при электролизе?
3. Как устроен электролизер?
4. Какой заряд имеют при электролизе а) анод, б) катод?
5. К какому электроду движутся при электролизе катионы?
6. Как заряжен электрод, к которому движутся при электролизе анионы?
7. Какой процесс протекает при электролизе:
а) на аноде, б) на катоде?
8. Какие виды анодов используют при электролизе?
9. Какой процесс протекает при электролизе на растворимом аноде?
10. Из каких материалов изготавливают инертные (нерастворимые) аноды?
11. Какова последовательность разряда ионов при электролизе на аноде?
12. Какова очередность восстановления катионов при электролизе на катоде?
13. На основании какого закона устанавливается зависимость массы вещества, образовавшегося при электролизе, от времени, силы тока и природы электролита?
14. Приведите формулировку I закона Фарадея.
15. Приведите формулировку II закона Фарадея.
16. Какое значение имеет постоянная Фарадея?
17. Что такое электрохимический эквивалент? Какую размерность он имеет?
18. Как рассчитывается электрохимический эквивалент для металлов?
20. Что такое выход по току?
21. Назовите области применения электролиза.
Электролиз – окислительно-восстановительные реакции, протекающие под действием постоянного электрического тока на поверхности электродов, помещенных в расплав или раствор электролита.
На отрицательно заряженном электроде – катоде – происходит процесс восстановления ионов или молекул электролита, а на положительно заряженном – аноде – процесс окисления. Последовательность протекания электродных реакций при электролизе зависит от многих факторов, основными из которых являются состав электролита, материал электродов, плотность тока, температура и др. Эти факторы влияют на величины потенциалов электродных систем, образующихся при электролизе, которые и будут определять возможность преимущественного протекания той или иной реакции. Для определения наиболее вероятных катодных и анодных реакций необходимо знать значения равновесных потенциалов и вид поляризационных кривых (см. 8.4) всех возможных электродных систем, которые могут возникнуть при электролизе.
Катодный процесс. Независимо от материала катода на нем будет протекать реакция восстановления только ионов металла () при электролизе расплавов и ионов металла или ионов водорода (молекул воды) при электролизе водных растворов электролитов.
Возможные катодные реакции при электролизе расплава электролита: восстановление катионов металла + nē ® .
Возможные катодные реакции при электролизе водного раствора: восстановление катионов металла + nē ® ,
восстановление ионов водорода 2H 2 O + 2ē ®H 2 + 2OH - (pH ³7);
2H + + 2ē ®H 2 (pH <7).
Последовательность протекания катодных реакций определяется величиной электродных потенциалов систем, которые возникают при протекании в системе тока. В первую очередь будут восстанавливаться более сильные окислители (Ox i ), т. е. ионы или молекулы с большим значением электродного потенциала ( > > >…> ).
Катодные процессы, протекающие при электролизе водного раствора электролита, условно можно разделить на три группы (рис.8.13).
Рис. 8‑13 Схема поляризационных кривых восстановления ионов металлаи молекул воды на катоде при рН =const
1. Восстановление только ионов металла: Me n + + nē ® Me 0 .
Данная реакция протекает при электролизе растворов, содержащих катионы, стандартные потенциалы которых больше потенциала стандартного водородного электрода, т. е.
. Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . В системе, независимо от величины плотности тока и pH
раствора, 
. При токе i
потенциал катода равен j 1, а скорость выделения металла определяется величиной .
Если в растворе имеется несколько катионов, стандартные потенциалы которых положительны: , то среди них в первую очередь восстанавливаются те, у которых величина электродного потенциала больше.
При электролизе расплавов в системе не образуется водородный электрод и на катоде восстанавливаются металлы с любым значением стандартного электродного потенциала.
2. Восстановление только молекул воды или ионов водорода. При pH ³7 реакция записывается как 2H 2 O + 2ē ®H 2 + 2OH - , а при pH <7 – 2H + + 2ē ®H 2 .
Данная реакция протекает при электролизе растворов, содержащих катионы, стандартные потенциалы которых существенно меньше потенциала стандартного водородного электрода:
В. В этом случае, независимо от величины плотности тока и pH
раствора, 
. Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . При токе i
потенциал катода равен j 2, а скорость выделения водорода определяется величиной .
3. Если 
В, то, в зависимости от условий, в основном от плотности тока и от концентрации ионов водорода (pH
электролита), возможно восстановление как ионов металла, так и молекул воды или ионов водорода.
Вероятность протекания этих реакций определяется величиной неравновесных электродных потенциалов водородного и металлического электродов. Этому случаю на рис.8.13 соответствует ион металла . При малых плотностях тока (i) 
и происходит восстановление преимущественно водорода. При больших плотностях тока(i
>i p
) одновременно протекают обе реакции, причем скорость восстановления металла () больше, чем скорость восстановления водорода (). В точке р
скорости восстановления металла и водорода равны. При больших величинах плотности тока >> , т. е. на катоде будет происходить преимущественно восстановление ионов металла.
Примечание .На катоде может происходить восстановление и других ионов или молекул окислителей, содержащихся в раствореOx + nē ® Red, например,
O 2 + 2H 2 О + 4ē ® 4ОH - .
Анодный процесс . В отличие от катода, на котором происходил процесс восстановления компонентов электролита, анодной реакцией может быть реакция окисления как ионов и молекул электролита, так и вещества самого анодаRed i ® Ox i + nē . Последовательность протекания анодных реакций определяется величиной электродных потенциалов, которые возникают при протекании в системе тока. В первую очередь будут окисляться частицы-восстановители (Red i ) с меньшим значением электродного потенциала ( < < <…< ).
Анодные процессы, протекающие при электролизе водного раствора электролита, условно можно разделить на три группы (рис.8.14).
1. Электролиз с растворимым анодом (активный анод)
. Если материалом анода служит металл, потенциал которого меньше потенциала кислородного электрода 
или других частиц, присутствующих в электролите, то происходит окисление металла: Me 0 ® Me n
+ + nē
. 1
. При токе i
потенциал анода равен j 1, а скорость растворения металла определяется величиной .
2. Электролиз с нерастворимым анодом (инертный анод)
. Если потенциал металла или любого другого проводника первого рода, используемого в качестве анода, больше потенциала кислородного электрода 
или других частиц, содержащихся в электролите, то материал анода не участвует в реакции окисления. В качестве инертных анодов используются графит, золото, металлы платиновой группы и другие материалы.
Рис. 8‑14 Схема поляризационных кривых окисления металла, молекул воды и анионов на аноде при рН =const
Если в водном растворе электролита присутствуют кислородосодержащие анионы, например SO 4 2- , NO 3 - , PO 4 3- и др., электродный потенциал которых больше потенциала кислородного электрода, то на аноде происходит только реакция окисления молекул воды (pH £7) или ионов ОH - (pH >7):
2H 2 O ® О 2 + 4H + + 4ē при pH £7,
4ОH - ® О 2 + 2H 2 O + 4ē при pH >7.
На рис.8.14 этому случаю соответствует поляризационная кривая 2 . При токе i потенциал анода равен j 2, а скорость выделения кислорода определяется величиной .
3. Электролиз с инертным анодом электролитов, содержащих анионы галогенводородных кислот (Cl - , Br - , I -). Вследствие высокой поляризации реакции выделения кислорода на аноде в первую очередь окисляются ионы галогена, образуется иод (I 2), бром (Br 2). В случае с хлорид-ионом при малых плотностях тока идет выделение кислорода, а при больших плотностях преимущественно окисляются ионы Cl - с образованием хлора:
2Cl - ® 2ē + Cl 2
На рис.8.14 этому случаю соответствует поляризационная кривая 3 . При потенциале анода j 3 скорость выделения хлора определяется величиной , а кислорода .
Примечание .Фтор, вследствие большой величины электродного потенциала, при электролизе водных растворов не образуется, его получают при электролизе расплавов фторидов металлов.
Пример 1. Электролиз водного раствора сульфата натрия (Na 2 SO 4) концентрация 1 моль/л (pH =7) с инертным анодом (графит).
В растворе в результате диссоциации Na 2 SO 4 ↔ 2Na + + SO 4 2- образуются ионы Na + и SO 4 2- . При рН
=7 равновесный потенциал водородного электрода равен
В, а
В. Поскольку 
, то на катоде происходит восстановление молекул воды с образованием водорода. Так как SO 4 2- –кислородосодержащий анион, то на аноде происходит окисление молекул воды с образованием кислорода:
катод (+) (С) 2H 2 O + 2ē ®H 2 + 2OH -
анод (-)(С) 2H 2 O ® О 2 + 4H + + 4ē
Суммарное уравнение протекающей в системе реакции:
4H 2 O+ 4ē +2H 2 O ® 2H 2 +4OH - + О 2 + 4H + + 4ē
2H 2 O® 2H 2 + О 2
При электролизе происходит разложение воды, растворенное вещество в этом случае не участвует в электрохимических реакциях. Его роль сводится к переносу зарядов в электролите (ток внутренней цепи).
Пример 2. Электролиз водного раствора нитрата серебра AgNO 3 с инертным анодом (графит).
В растворе в результате диссоциации AgNO 3 ↔ Ag + + NO 3 - образуются ионы Ag + и NO 3 - .
Поскольку стандартный электродный потенциал В положительный, то на катоде происходит восстановление ионов серебра. Так как NO 3 - – кислородосодержащий анион, то на аноде происходит окисление молекул воды с образованием кислорода:
катод (+)(С) Ag + + ē ®Ag
анод (-)(С) H 2 O ® О 2 + 4H + + 4ē
Суммарное уравнение реакции, протекающей в системе:
4Ag + + 2H 2 O+ 4ē ® 4 Ag +О 2 + 4H + + 4ē
4AgNO 3 + 2H 2 O® 4 Ag + О 2 +4H NO 3
Пример 3. Электролиз водного раствора сульфата меди CuSO 4 с медными электродами.
В растворе в результате диссоциации CuSO 4 ↔ Cu 2+ + SO 4 2- образуются ионы Cu 2+ и SO 4 2- .
Стандартный электродный потенциал 
В положительный, поэтому на катоде происходит восстановление ионов меди. Так как медный электрод является активным (растворимым) анодом, то при электролизе происходит окисление меди:
катод (+) (Сu) Cu 2+ + 2ē ® Cu
анод (-)(Сu) Cu ® Cu 2+ + 2ē
Из суммарного уравнения протекающей в системе реакции:
Cu 2+ + 2ē + Cu ® Cu + Cu 2+ + 2ē
видно, что в этом случае образование новых веществ не происходит. При электролизе осуществляется перенос атомов меди с анода на катод.
Электролиз является основой различных технологических процессов, в частности:
При электролизе расплавленных соединений получают алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные и другие химически активные металлы (электрометаллургия);
При электролизе водных растворов получают металлы, не загрязненные примесями: медь, никель, цинк, марганец (гидрометаллургия);
Электролиз водных растворов используют для получения на поверхности изделий металлических покрытий (гальваностегия) или точных металлических копий (гальванопластика);
Электролиз с растворимым анодом лежит в основе процессов рафинирования (очистки) металлов: меди, никеля, серебра;
Процессы анодного растворения используются для электрохимической обработки металлов: электрополирования, электро-фрезерования и др.
Электролизом получают различные химические вещества: хлор, водород и кислород, гидроксид натрия и др.
Контрольные вопросы.
1. Электрохимический процесс. Количественные соотношения между величиной тока и количеством реагентов.
2. Двойной электрический слой на границе «металл – электролит». Электродный потенциал. Уравнение Нернста.
3. Химический и концентрационный гальванические элементы: ЭДС, электродные реакции.
4. Скорость электрохимической реакции. Поляризация электродов.
5. Химические источники тока.
6. Электролиз расплавов и водных растворов электролитов.
Электролиз находит применение в очистке сточных вод. Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений[источник не указан 220 дней], диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование). Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии ,биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).
Электролиз в гидрометаллургии
является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов.
Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами - процесс электрорафинирования или с нерастворимыми - процесс электроэкстракции.
Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах.
В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.
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 компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит 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. Гальванотехника пожразделяется на гальваностегию и гальванопластику.
Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера.
Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.
Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами.
С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д.
Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.).
Сущность процесса электролиза
Электролиз
В качестве примера рассмотрим процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида меди. Указанный раствор поместим в сосуд, называемый электролизером и погрузим в него два графитовых стержня. При растворении хлорида меди в воде происходит его полная диссоциация и образующиеся ионы Cu 2+ и Cl - беспорядочно движутся в растворе. Возьмем источник постоянного электрического тока - выпрямитель или аккумулятор и к его клеммам присоединим графитовые стержни. Движение ионов в растворе станет упорядоченным: положительные ионы Cu 2+ будут перемещаться по направлению к отрицательному электроду, называемому катодом , а ионы Cl - - к положительному электроду - аноду . Поэтому положительные ионы называют катионами , а отрицательные - анионами . Ион Cu 2+ , подходя к катоду, где есть избыточные электроны, присоединяет два электрона, превращаясь в нейтральный атом - на поверхности катода появляется слой металлической меди:
(–) Cu 2+ + 2e ® Cu
Ионы Cl - отдают на анод свои электроны и превращаются в молекулы хлора:
(+) 2Cl - - 2e ® Cl 2
Таким образом, в результате пропускания постоянного тока через раствор хлорида меди мы получили два новых вещества - металлическую медь и газообразный хлор.
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
На катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.
Напомним, что в гальваническом элементе катодом называется положительный электрод, а анодом - отрицательный. Главное состоит в том, что и в гальваническом элементе и при электролизе на катоде идет восстановление, а на аноде - окисление .
Рассматривая принцип работы гальванического элемента, мы отмечали, что протекающие в нем процессы всегда являются самопроизвольными . Напротив любой электролиз - процесс несамопроизвольный , т.е. требует затраты энергии в виде электрического тока. Источник постоянного тока играет роль своеобразного насоса, который перекачивает электроны с анода на катод. Характер процессов, протекающих на электродах при электролизе зависит от природы электролита и растворителя, материала, из которого изготовлены электроды и других факторов.
Электролиз находит широкое применение в различных областях техники. Приведем основные направления использования этого процесса.
1.Получение металлов .
Выделение в чистом виде алюминия и металлов IА и IIА групп таблицы Менделеева производится электролизом расплавленных соединений, а остальных металлов – электролизом водных растворов.
2.Очистка металлов .
Для этого применяется электролиз с растворимым анодом.
3.Получение металлических покрытий .
Гальванические покрытия металлов осуществляются в декоративных целях, для защиты от коррозии, повышения твердости и электропроводности. Осаждение металла осуществляется электролизом водного раствора соли, причем покрываемое изделие завешивается в электролизер в качестве катода.
4.Анодирование алюминия и его сплавов .
В качестве электролита берется раствор серной кислоты, катодом служит свинцовая пластина, а анодом подлежащее анодированию изделие. В ходе электролиза на аноде образуется пленка оксида алюминия, предохраняющая изделие от коррозии. В пленке имеются многочисленные поры, которые могут быть заполнены красителем или светочувствительным составом - это используется для окраски алюминиевых предметов и получения на них фотографических изображений.
5.Получение различных химических веществ .
Примером таких процессов может служить электролиз водного раствора хлорида натрия. В процессе электролиза на катоде выделяется водород, на аноде - хлор, а в растворе накапливается щелочь NaOH.
6.Защита от коррозии .
Катодная защита основана на процессе электролиза, в котором защищаемый объект присоединяется к отрицательному полюсу источника тока, т.е. играет роль катода, на котором происходит восстановление воды.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какая величина называется удельной электрической проводимостью? В каких единицах она измеряется?
2.Что называется константой кондуктометрической ячейки? Как ее определяют?
3.От каких факторов зависит величина удельной проводимости?
4.Постройте график зависимости удельной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер кривых.
5.Какая величина называется молярной электрической проводимостью? Как она связана с удельной проводимостью?
6.Постройте график зависимости молярной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер линий.
7.Какая величина называется предельной молярной проводимостью? Как ее определяют?
8.Что характеризует коэффициент электропроводности сильного электролита? Как его определяют?
9.В чем заключается сущность закона независимости движения ионов? Для чего этот закон применяют?
10.Как можно кондуктометрическим методом определить степень диссоциации слабого электролита?
11.Сопротивление раствора хлорида калия с концентрацией 0,01моль×дм -3 , измеренное при 180°С, равно 1,23 Ом. Удельная проводимость этого раствора при 180°С равна 1,22 См×см -1 . Чему равна константа кондуктометрической ячейки?
12.Постоянная кондуктометрической ячейки равна 0,42 см -1 . Электропроводность раствора нитрата серебра с концентрацией 0,1моль/дм 3 , измеренная в этой ячейке, равна 0,0284 См. Чему равна молярная электрическая проводимость нитрата серебра при указанной концентрации?
13.Молярная электрическая проводимость 0,2 моль/дм 3 раствора хлорида калия равна 12,4 См×см 2 ×моль -1 . Предельная молярная проводимость хлорида калия равна 149,9 См×см 2 ×моль -1 . Чему равен коэффициент электропроводности? Как эта величина будет изменяться при разбавлении раствора? Почему?
14.Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,8×10 -5 , а предельная молярная проводимость составляет 271,8 См×см 2 ×моль -1 . Чему равна молярная проводимость 1×10 -1 моль×дм -3 раствора гидроксида аммония?
15.Каков механизм возникновения потенциала на границе металл-раствор?
16.От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Напишите уравнение Нернста?
17.Что представляет собой водородный электрод? Напишите для него уравнение Нернста.
18.По какому принципу построен ряд напряжений? Какие выводы можно сделать на основании положения металла в ряду напряжений при рассмотрении реакций замещения, процессов электрохимической коррозии и электролиза?
19.Что представляет собой электрод второго рода? Напишите уравнение Нернста.
20.Напишите уравнение Нернста для окислительно-восстановительного электрода. Какие свойства вещества характеризует величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала?
21.Сформулируйте условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций.
22.Как устроен стеклянный электрод? Для чего он применяется?
23.Чему равен потенциал платинового электрода, погруженного в раствор, содержащий 0,02 моль/дм 3 сульфата железа(II) и 0,002 моль/дм 3 сульфата железа(III) по отношению к стандартному водородному электроду?
24.Потенциал водородного электрода в растворе уксусной кислоты равен - 120 мВ по отношению к стандартному водородному электроду. Чему равен рН раствора?
25.Что представляет собой гальванический элемент? Какую роль играет в нем солевой мостик?
26.Какой электрод в гальваническом элементе называется катодом? Анодом? Почему катод в гальваническом элементе и при электролизе имеют разные знаки?
27.Что называется электродвижущей силой гальванического элемента? Как ее рассчитывают?
28.Нарисуйте схему измерения э.д.с. Почему ее не измеряют вольтметром?
29.Какая химическая реакция протекает в гальваническом элементе: Zn/ZnSO 4 // H 2 SO 4 /H 2 (Pt), если С(ZnSO 4) = 0,01 моль/дм 3 , С(H 2 SO 4) = 5×10 -4 моль×дм -3 . Какова э.д.с. этого элемента?
30.Составьте схемы гальванических элементов, в которых протекают следующие токообразующие реакции:
а) Fe + NiCl 2 = Ni + FeCl 2 в) CuSO 4 + H 2 = Cu + H 2 SO 4
б) Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 г) Cr +2 + Fe +3 = Cr +3 + Fe +2
31.Какие гальванические элементы называются концентрацион-ными? Какие процессы в них протекают и как они отражаются на величине э.д.с.?
32.Как устроен топливный элемент и в чем его преимущество перед другими источниками электрической энергии?
33.Какие из следующих реакций могут протекать самопроизвольно в прямом направлении:
а) MnO 4 - + Fe 2+ ® Mn 2+ + Fe 3+
б) KCl + Br 2 ® KBr + Cl 2
в) Cu + H 2 SO 4 ® CuSO 4 + H 2
г) Fe 3+ + KI ®Fe 2+ + I 2
е) Sn +4 + Fe +2 ® Sn +2 + Fe +3
ж) Ni + FeSO 4 ®Fe + NiSO 4
34.Рассчитайте константы равновесия следующих реакций:
а) Fe +3 + Ag « Fe +2 + Ag +
б) Sn +4 + H 2 « Sn +2 + 2H +
в) 2Ce +4 + 2Cl - « 2Ce +3 + Cl 2
г) Fe +3 + Cr +2 « Fe +2 + Cr +3
35.Какой процесс называется электрохимической коррозией? В чем состоит принципиальное отличие коррозии в кислой среде от коррозионных процессов в нейтральной и щелочной средах?
36.Напишите схемы катодных и анодных процессов при коррозии:
а) пары медь - цинк в нейтральной среде;
б) пары железо - никель в кислой среде;
в) пары олово - цинк в нейтральной среде;
г) пары алюминий - медь в нейтральной среде.
37.Какие процессы будут происходить при нарушении цинкового покрытия на железной детали во влажном воздухе?
38.Какие покрытия называются катодными? Какие процессы происходят при нарушении катодного покрытия?
39. В чем заключается принцип протекторной защиты от коррозии? Как осуществляется катодная защита?