Што такое электроліз? Анод і катод. Фізіка-хімічны працэс

Доўгі час людзям не ўдавалася атрымліваць многія чыстыя рэчывы ў вольным выглядзе. Такія, напрыклад, як:

• металы;
• шчолачы;
• хлор;
• вадарод;
• перакіс вадароду;
• хлорорганика і іншыя.

Іх атрымлівалі альбо з вялікім утрыманнем прымешак, ад якіх немагчыма было пазбавіцца, альбо не сінтэзавалі зусім. А бо злучэння вельмі важныя для выкарыстання ў прамысловасці і побыце. Але з адкрыццём такога працэсу, як электроліз, задача вялізнага маштабу была вырашана. Сёння ён ужываецца не толькі для сінтэзу, але і для многіх іншых працэсаў.

Што такое электроліз? Як ён адбываецца, з якіх этапаў складаецца, у чым заключаецца асноўная перавага дадзенага метаду, паспрабуем разабрацца ў ходзе артыкула.

Што такое электроліз?

Каб адказаць на гэтае пытанне, варта спачатку звярнуцца да тэрміналогіі і ўразумець некаторыя асноўныя фізіка-хімічныя паняцці.

1. Пастаянны ток - гэта накіраваны струмень электронаў, выходны ад любога крыніцы электрычнасці.
2. Электраліт - рэчыва, раствор якога здольны праводзіць электрычны ток.
3. Электроды - пласцінкі з пэўных матэрыялаў, злучаныя паміж сабой, якія прапускаюць электрычнасць праз сябе (анод і катод).
4. Акісляльна-аднаўленчая рэакцыя - гэта працэс, пры якім адбываецца змена ступеняў акіслення удзельнікаў. Гэта значыць адны іёны акісляюцца і павышаюць значэнне ступені акіслення, іншыя, наадварот, аднаўляюцца, паніжаючы яе.

Уразумеўшы ўсе гэтыя тэрміны, можна адказаць на пытанне аб тым, што такое электроліз. Гэта акісляльна-аднаўленчы працэс, які складаецца ў прапусканні пастаяннага току праз раствор электраліта і завяршаецца, вылучэннем розных прадуктаў на электродах.

Найпростая ўстаноўка, якую можна назваць электролизером, ўключае ў сябе ўсяго некалькі кампанентаў:

• два шклянкі з электралітам;
• крыніца току;
• два электрода, злучаных паміж сабой.

У прамысловасці выкарыстоўвае значна больш складаныя аўтаматызаваныя канструкцыі, якія дазваляюць атрымліваць вялікія масы прадуктаў - электролизные ванны.

Працэс электролізу досыць складаны, падпарадкоўваецца некалькім тэарэтычным законам і працякае па ўсталяваных парадкаў і правілах. Каб правільна прадказаць яго зыход, неабходна дакладна засвоіць ўсе заканамернасці і магчымыя варыянты праходжання.

Тэарэтычныя асновы працэсу

Самыя галоўныя асноватворныя каноны, на якіх трымаецца электроліз, - законы Майкла Фарадэя - знакамітага вучонага-фізіка, вядомага сваімі працамі ў галіне вывучэння электрычнага току і ўсіх яго суправаджаюць працэсаў.

Усяго такіх правіл два, кожнае з якіх апісвае сутнасць падзей, якія адбываюцца пры электролізе працэсаў.

першы закон

Першы закон Фарадея, формула якога запісваецца як m = kI * Δt, гучыць наступным чынам.

Маса рэчыва, які вылучаецца на электродзе, прама прапарцыйная таго электрычнасці, якое прайшло праз электраліт.

З формулы відаць, што m - гэта маса рэчыва, I - сіла току, Δt - час, на працягу якога ён прапускаўся. Таксама маецца значэнне k, якое называецца электрахімічным эквівалентам злучэння. Гэтая велічыня залежыць ад прыроды самага злучэння. Лікава k роўна масе рэчывы, якое вылучаецца на электродзе пры прапусканні праз электраліт адной адзінкі электрычнага зарада.

Другое правіла электролізу

Другі закон Фарадея, формула якога - m = M * I * Δt / n * F, гучыць наступным чынам. Электрахімічны эквівалент злучэння (k) прама прапарцыйны яго малярнай масе і зваротна прапарцыйны валентнасці рэчывы.

Прыведзеная формула з'яўляецца вынікам высновы з усіх аб'яднаных. Яна адлюстроўвае сутнасць другога закона электролізу. М - малярная маса злучэння, I - сіла току, прапушчанага за ўвесь працэс, Δt - падчас усяго электролізу, F - пастаянная Фарадея, n - электроны, якія ўдзельнічалі ў працэсе. Іх колькасць роўна зараду іёна, які прымаў удзел у працэсе.

Законы Фарадея дапамагаюць зразумець, што такое электроліз, а таксама разлiчыць магчымы выхад прадукту па масе, спрагназаваць неабходны вынік і паўплываць на ход працэсу. Яны і складаюць тэарэтычную аснову разгляданых пераўтварэнняў.

Паняцце аб анодзе і яго тыпы

Вельмі важнае значэнне ў электролізе маюць электроды. Увесь працэс залежыць ад матэрыялу, з якога яны выраблены, ад іх спецыфічных уласцівасцяў і характару. Таму разгледзім больш падрабязна кожны з іх.

Анод - плюс, або станоўчы электрод. Гэта значыць такой, які далучаецца да "+" полюсу крыніцы харчавання. Адпаведна, да яго з раствора электраліта будуць рухацца адмоўныя іёны ці аніёны. Яны будуць акісляцца тут, набываючы больш высокую ступень акіслення.

Таму можна адлюстраваць невялікую схему, якая дапаможа запомніць анодныя працэсы: анод "плюс" - аніёны - акісленне. Пры гэтым існуе два асноўных тыпу дадзенага электрода, у залежнасці ад якіх, будзе атрымлівацца той ці іншы прадукт.

1. Нерастваральны, або інэртны анод. Да такога тыпу адносяць электрод, які служыць толькі для перадачы электронаў і працэсаў акіслення, аднак сам ён пры гэтым не выдаткоўваецца і не раствараецца. Такімі анодамі з'яўляюцца вырабленыя з графіту, ірыдый, плаціны, вугалю і гэтак далей. Выкарыстоўваючы такія электроды, можна атрымліваць металы ў чыстым выглядзе, газы (кісларод, вадарод, хлор і гэтак далей).
2. Растваральны анод. Пры акісляльных працэсах ён сам раствараецца і ўплывае на зыход усяго электролізу. Асноўныя матэрыялы, з якіх вырабляюцца падобнага тыпу электроды: нікель, медзь, кадмій, свінец, волава, цынк і іншыя. Выкарыстанне такіх анодам неабходна для працэсаў электрорафинирования металаў, гальванопластике, нанясення ахоўных пакрыццяў ад карозіі і гэтак далей.

Сутнасць усіх працэсаў, якія адбываюцца на станоўчым электродзе зводзіцца да таго, каб разрадзіліся найбольш Электраадмо па значэнні патэнцыялу іёны. І вось чаму гэта робяць аніёны бескіслароднай кіслот і гідраксід-іён, а потым вада, калі гаворка ідзе пра растворы. Кіслародзмяшчальныя аніёны ў водным растворы электраліта наогул на анодзе ня разряжаются, так як вада робіць гэта хутчэй, вызваляючы кісларод.

Катод і яго характарыстыка

Катод - гэта адмоўна зараджаны электрод (за кошт навалы на ім электронаў пры прапусканні электрычнага току). Менавіта таму да яго рухаюцца станоўча зараджаныя іёны - катыёны, якія перажываюць аднаўленне, то ёсць паніжаюць ступень акіслення.

Тут для запамінання таксама дарэчная схема: катод "мінус" - катыён - аднаўленне. У якасці матэрыялу для катода могуць служыць:

• нержавейка;
• медзь;
• вуглярод;
• латунь;
• жалеза;
• алюміній і іншыя.

Менавіта на гэтым электродзе адбываецца аднаўленне металаў да чыстых рэчываў, што з'яўляецца адным з асноўных спосабаў атрымання іх у прамысловасці. Таксама магчымы пераход электронаў ад анода да катода, а калі першы - растваральны, то яго іёны аднаўляюцца на адмоўным электродзе. Тут жа адбываецца аднаўленне катыёнаў вадароду да газу Н _2. Таму катод - гэта адна з самых важных частак у агульнай схеме працэсу электролізу рэчываў.

электроліз расплаваў

З пункту гледжання хіміі разгляданы працэс мае сваё раўнанне. Пры дапамозе яго можна адлюстраваць усю схему на паперы і прадбачыць вынік. Самае галоўнае, на што варта звяртаць увагу, - наяўнасць ці адсутнасць воднай асяроддзя і тып анода (растваральны ці не).

Калі неабходна атрыманне наступных прадуктаў: шчолачных і шчолачназямельныя металаў, шчолачаў, алюмінія, берылію, газы з кіслародзмяшчальных аніёнаў, тады не можа ісці гаворка пра электроліз раствора электраліта. Толькі расплаў, таму што інакш патрэбных злучэнняў не атрымаецца. Менавіта таму часта ў прамысловасці сінтэзуюць пералічаныя рэчывы, выкарыстоўваючы іх бязводныя сухія солі і гідраксіды.

У цэлым раўнанне электролізу расплаву выглядае досыць проста і стандартна. Напрыклад, калі разгледзець і запісаць яго для ёдыду калія, то выгляд будзе наступны:

KI = K ⁺ + I ^-

Катод (Да) "-": Да ⁺ + 1е = К ⁰

Анод (А) "+": 2I ^- - 2e = I ₂ ⁰

Вынік працэсу: KI = K + I _2.

Сапраўды гэтак жа будзе запісвацца электроліз любога металу, незалежна ад значэння яго электродного патэнцыялу.

Электроліз воднага раствора

Калі гаворка ідзе пра растворах электралітаў, то зыход працэсу будзе зусім іншы. Бо вада становіцца актыўным удзельнікам. Яна здольная таксама диссоциировать на іёны і разраджацца у электродаў. Таму ў падобных выпадках важнае значэнне мае электродный патэнцыял іёнаў. Чым яго адмоўнае значэнне ніжэй, тым больш верагоднасць больш хуткага акіслення або аднаўлення.

Электроліз воднага раствора падпарадкоўваецца некалькім правілам, якія варта запомніць.

1. Анодныя працэсы: разряжаются толькі аніёны бескіслароднай кіслот (акрамя фтороводородной). Калі іён Кіслародзмяшчальныя або фтарыд-іён, то акісляцца будзе вада з вызваленнем кіслароду.
2. Катодныя працэсы: металы ў электрахімічным шэрагу высілкаў (да алюмінія уключна) на катодзе не аднаўляюцца з прычыны высокай хімічнай актыўнасці. Гэта робіць вада з вызваленнем вадароду. Металы ад алюмінія да вадароду аднаўляюцца адначасова з вадой да простых рэчываў. Тыя ж, што стаяць пасля вадароду ў шэрагу высілкаў (малаактыўныя), лёгка падвяргаюцца аднаўленню да простых рэчываў.

Калі прытрымлівацца гэтых правілах, то можна адлюстраваць любы электроліз і пралічыць выхад прадукту. У выпадку з растваральныя анодам схема мяняецца і становіцца значна больш складанай.

электроліз соляў

Дадзеныя працэсы выкарыстоўваюць для атрымання чыстых металаў і газаў, так як гэта тэхналагічна проста і эканамічна выгадна. Да таго ж прадукты выходзяць з вялікай доляй чысціні, што немалаважна.

Напрыклад, электроліз медзі дазваляе хутка атрымліваць яе ў чыстым выглядзе з раствора любой солі. Часцей за ўсё выкарыстоўваецца медны купарвас або сульфат медзі (II) - CuSO _4.

Як з расплаву, так і з раствора дадзенай солі можна атрымаць чысты метал, які так неабходны практычна ва ўсіх галінах электратэхнікі і металлостроительстве.

Значэнне і прымяненне працэсу

Электроліз - вельмі важны працэс. На яго аснове грунтуюцца такія неабходныя тэхнічныя аперацыі, як:

1. Рафінавання металаў.
2. Электроэкстракция.
3. Гальванотехника.
4. Электросинтез.
5. Нанясенне антыкаразійных пакрыццяў і іншыя.