Электролиз (общие сведения, особенность процесса, применение в промышленности и медицине)
Общие сведения
Электролиз (лат. Electrolysis греч. Elektron - янтарь + lysis - разложение, растворение) - совокупность процессов, которые происходят под действием постоянного электрического тока на электродах гальванической ванны. Для осуществления электролиза необходимые источник постоянного электрического тока и электролитическая ячейка, в состав которой входят два электрода - катод и анод. Электрод, присоединенный к отрицательному полюсу, называют катодом, к положительному полюсу - анодом. Оба электрода погружают в раствор или расплав электролита. Сосуд, в котором происходит процесс электролиза, называют электролизером (электролитическая ванна). Прохождение электрического тока через раствор или расплав электролита приводит химические реакции на поверхности раздела электрод - раствор (расплав электролита).
Особенность процесса
Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. Электролиз происходит за счет энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах.
Энергия при данном физическом процессе расходуется на повышение гиббсовои энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивления в электролизере и других участках электрической цепи.
На катоде в результате электролиза восстанавливаются катионы или молекулы электролита с образованием новых продуктов. Катионы присоединяют электроны и превращаются в ионы с меньшим зарядом (Fe3 + + → Fe2 +) или на атомы (Cu2 + + 2ē → Cu).
Нейтральные молекулы могут участвовать в электродном процессе на катоде непосредственно или реагировать с продуктами катодного процесса (2H2O + 2ē → H2 + 2OH-). На аноде в результате электролиза окисляются ионы или молекулы, содержащиеся в электролите или принадлежащих материала анода (анод растворимый), например. выделение кислорода (4ОН- → 2Н2О + О2 + 4ē) и хлора (2Cl- → Cl2 + 2ē), образование хромата (Cr3 + + 3OH- + H2O → CrO + 5H + + 3ē), растворения меди (Cu → Cu2 + + 2ē), окисления алюминия (2Al + 3H2O → Al2O3 + 6H + + 6ē).
Электрохимическая реакция получения определенных веществ связана с передачей электронов от электрода к электролита (или наоборот) согласно уравнению реакции. Скорость электродных реакций зависит от состава и концентрации электролита, материала электрода, электродного потенциала, температуры и т. Скорость каждой электрохимической реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости является плотность тока. Количество продуктов, которые образуются при электролизе, определяется законами Фарадея. Когда на электроде происходит ряд электрохимических превращений, то доля тока (%), которая расходуется на образование продукта одного из них, под названием «выход по току».
Применение в металлургической и химической промышленности
Электролиз широко применяется в металлургической и химической промышленности. Это объясняется легкостью управления, скоростью и селективной направленностью процесса. Электролизом расплавлений получают щелочные, щелочноземельные металлы, алюминий, хлор. Е. водных растворов солей получают цинк, кадмий, медь, железо, водород, кислород, хлор и другие продукты.Электрохимическое рафинирование металлов используют для получения чистых металлов:
- меди
- олова
- свинца
- серебра
Процессы осаждения применяют для покрытия поверхности одного металла другим.
С помощью электролиза получают металлические копии художественных изделий, осуществляют защиту металлов от коррозии и тому подобное.
Использование в химической промышленности
Электролиз используют в химической промышленности для получения ряда соединений: пероксида водорода, перманганата калия, калия хлората и тому подобное. Например, дезинфицирующее средство калия перманганат в промышленности получают двумя способами: комбинированным (полуэлектрохимическим) и электрохимическим. Комбинированный способ базируется на сплавлении пиролюзита (MnO2) с КОН в присутствии кислорода воздуха:
- MnO2 + 2KOH + ½ O2 → K2MnO4 + H2O
- с последующим электрохимическим окислением калия Манганат:
- на аноде:
- 2MnO42- - 2ē → 2MnO4-
- на катоде:
- 2H2O + 2ē → H2 + 2OH-
Электролит - щелочной раствор K2MnO4, электроды изготовлены из никеля металлов; образованный растворим KMnO4 выпадает на дно электролизера.
Основные реакции электрохимического способа:
- на аноде:
- Mn + 8OH- - 7ē → MnO4- + 4H2O
- на катоде:
- 2H2O + 2ē → H2 + 2OH-.
Электролит - раствор КОН. Анод - ферромарганец (сплав марганца с железом). Электрохимический синтез ртути (II) оксида (антисептическое средство) осуществляется при электролизе водных растворов калия карбоната, калия гидроксида, а также смеси этих веществ с калия хлоридом. Образование HgO происходит вследствие растворения ртутного анода:
- Hg + 2OH- - 2ē → HgO + H2O.
- На катоде (Fe или Ni) выделяется водород:
- 2H2O + 2ē → H2 + 2OH-.
- Суммарный процесс электролиза:
- Hg + H2O = HgO + H2.
Электролиз - это один из простых и наиболее распространенных из методов физико-химического анализа (см. Электрохимические методы анализа).
Литература
- Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. - М., 1975;
- Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. - Л., 1974.