Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Физическая и коллоидная химия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ЭЛЕКТРОЛИЗ

В результате изучения материала главы 13 студент должен: знать основные понятия и определения электролиза; закономерности катодных и анодных процессов, протекающих при электролизе; законы электролиза;

уметь разрабатывать уравнения материального баланса электролитического получения металлов;

владеть методами составления уравнения теплового и материального баланса в электролизерах и использовать их для анализа путей развития процесса при действии различного типа.

Основные понятия и определения

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного тока через раствор или расплав электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Процессы окисления и восстановления и в этом случае пространственно разделены: они протекают на разных электродах. На отрицательном электроде (катоде) происходит восстановление катионов, а на положительном электроде (аноде) — окисление анионов. Характер протекания электродных процессов при электролизе зависит от многих факторов; состава электролитов, материала электрода, режима электролиза (і, Т).

Различают электролиз расплавов и растворов электролитов. В качестве примера рассмотрим электролиз расплава бромида натрия. В расплаве соли бромида натрия NaBr существуют ионы Na+ и Вг . При подведении напряжения к электродам через расплав начнет протекать электрический ток.

Катионы Na+ подходят к катоду и восстанавливаются до металлического натрия за счет электронов, поступающих к электроду от внешнего источника. К аноду подходят бромид-ионы Вг и окисляются

до Вг2, отдавая электроны во внешнюю цепь

Общая реакция электрохимического разложения вещества представляет собой сумму двух электродных реакций и для бромида натрия она выразится уравнением:

(электролиз)

Электролиз водных растворов электролитов осложняется участием в электродных реакциях молекул воды, способных восстанавливаться на катоде

и окисляться на аноде

>

На электродах возможна и разрядка ионов Н' и ОН , относительная концентрация которых определяется средой.

Из нескольких возможных параллельных электродных процессов будет протекать тот, осуществление которого требует меньшей затраты энергии. Критериями, определяющими преимущества того или иного электрохимического процесса, служат величины электродных потенциалов соответствующих равновесных систем.

В общем случае на аноде легче окисляются атомы, молекулы или ионы с наименьшим электродным потенциалом, а на катоде восстанавливаются те ионы, молекулы, атомы, потенциалы которых наиболее высокие.

Например, при электролизе нейтрального водного раствора Nal на катоде будут восстанавливаться молекулы воды, так как = -0,41 В, а = -2,71 В. Окисляются же на аноде ионы /~, так как = 0,536 В, а = 0,814 В. Схематически это можно записать следующим образом:

Для качественного предсказания результатов электролиза водных растворов электролитов можно руководствоваться следующими практическими правилами.

Для процессов на катоде:

— в первую очередь восстанавливаются катионы металлов, имеющие электродный потенциал ноложительнее водородного (от Си2+до Аи3+);

катионы металлов, электродные потенциалы которых отрицательнее потенциала алюминия включительно, не восстанавливаются, на катоде идет восстановление молекул воды или ионов Н+;

— при электролизе солей металлов, электродные потенциалы которых находятся между потенциалами алюминия и водорода, на катоде выделяются совместно как металлы, так и водород.

Если электролит содержит катионы различных металлов, то при электролизе восстановление их на катоде протекает в порядке уменьшения стандартного электродного потенциала соответствующего металла. Так, из смеси Sn2+, Cu2+, Сг3+сначала будут восстанавливаться катионы меди1, затем катионы оловаи наконец, катионы хром*

Для процессов на аноде характер окислительных процессов зависит от материала электрода. Различаются нерастворимые (инертные) электроды и растворимые (активные) электроды. Инертные электроды изготовляются обычно из платины, графита, иридия. В процессе электролиза они служат лишь для передачи электронов во внешнюю цепь. При использовании инертных электродов:

в первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот в порядке возрастания их Е° (S-2,1-, Br~, С1~);

  • — при электролизе водных растворов, содержащих анионы кислородосодержащих кислот (СО|~, NO3, SO|“, Р04_), на аноде окисляются молекулы воды;
  • — в щелочных растворах окисляются гидроксид-ионы: 40Н - 4е —> -> 02 Т + 2Н20.

При использовании растворимых анодов (из меди, цинка, никеля, серебра и т.д.) анодному окислению будет подвергаться сам материал анода:

Так, например, при электролизе раствора сульфата меди с медным анодом происходит его растворение, поскольку потенциал системы Сu <-" Сu2' + + 2е_ (0,34 В) меньше потенциалов других возможных анодных процессов:

Как будет показано ниже, указанные правила не являются догмой, а руководством к действию и зачастую процессы на аноде и катоде осложняются, так как на практике электрохимические процессы проводят в условиях отличных от стандартных.

Рассмотрим несколько примеров электролиза водных растворов:

1. Как протекает электролиз раствора сульфата натрия с инертными электродами.

Схематически процесс можно представить так:

4

Из вышеприведенной схемы видно, что если катодное и анодное пространство будут разделены перегородкой, то в прикатодном пространстве будут накапливаться катионы Na+ гидроксид-анионы, образующиеся в результате восстановления воды. При упаривании воды из этого раствора может быть выделен NaOH. Около анода среда становится кислой, вследствие окисления воды, в результате чего в этой области накапливается серная кислота.

Если катодное и анодное пространства не разделены перегородкой, то ионы Н+ и ОН- образуют воду.

Электролиз водного раствора Na2S04 в конечном итоге сводится к электролизу воды, которая окисляется на аноде и восстанавливается на катоде.

2. Как протекает электролиз водного раствора сульфата меди с применением электродов из меди.

Схематически процесс изобразится следующим образом:

Медный анод растворяется, ионы меди Си2+ перемещаются к катоду и там восстанавливаются до свободного металла. При равных площадях электродов количество соли в растворе остается неизменным: сколько меди растворяется на аноде, столько же ее восстанавливается на катоде.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>