Электролиз. Применение электролиза в технике и с/х технологиях

Что такое электролиз?

Электролиз представляет собой комплекс специфических процессов в системе электродов и электролита при протекании по ней постоянного электрического тока. Его механизм основывается на возникновении ионного тока. Электролит – это проводник 2-го типа (ионная проводимость), в котором происходит электролитическая диссоциация. Она связана с разложением на ионы с положительным (катион) и отрицательным (анион) зарядом.

Электролизная система обязательно содержит положительный (анод) и отрицательный (катод) электрод. При подаче постоянного электрического тока катионы начинают двигаться к катоду, а анионы – к аноду. Катионами в основном являются ионы металлов и водород, а анионами – кислород, хлор. На катоде катионы присоединяют к себе избыточные электроны, что обеспечивает протекание восстановительной реакции Men+ + ne → Me (где n – валентность металла). На аноде, наоборот, электрон отдается из аниона с протеканием окислительной реакции.

Таким образом, в системе обеспечивается окислительно-восстановительный процесс. Важно учитывать, что для его протекания необходима соответствующая энергия. Ее должен обеспечить внешний источник тока.

Электролиты

Электролитами называются вещества, способные проводить электрический ток за счет собственной диссоциации на ионы. Диссоциация происходит в расплавах и растворах, либо внутри самих электролитов — за счет движения ионов в их кристаллических решетках.
Наиболее яркими примерами электролитов являются растворы солей, оснований и кислот. В некоторых случаях диссоциация происходит в кристаллах — например, в случае диоксида циркония или йодида серебра.

Законы электролиза Фарадея

Великий физик М.Фарадей своими исследованиями позволил не только понять природу электролиза, но и производить необходимые расчеты для его осуществления. В 1832 г. появились его законы, связавшие основные параметры происходящих процессов.

Первый закон

Первый закон Фарадея гласит, что масса восстанавливающегося на аноде вещества прямо пропорциональна электрическому заряду, наведенному в электролите: m = kq = k*I*t, где q — заряд, k – коэффициент или электрохимический эквивалент вещества, I – сила тока, протекающего через электролит, t – время прохождения тока.

Второй закон

Второй закон Фарадея позволил определить коэффициент пропорциональности k. Он звучит следующим образом: электрохимический эквивалент любого вещества прямо пропорционален его молярной массе и обратно пропорционален валентности. Закон выражается в виде:

k = 1/F*A/z, где F – постоянная Фарадея, А- молярная масса вещества, z – его химическая валентность.

Применение электролиза

А теперь самое главное: зачем вообще нужен электролиз? Рассмотрим применение этого вида ОВР:

1. С помощью электролиза расплавов природных соединений в металлургической промышленности получают активные металлы (калий, натрий, бериллий, кальций, барий). С помощью электролиза растворов солей — цинк, кадмий, кобальт и другие.
2. В химической промышленности электролиз используют для получения фтора, хлора, водорода, кислорода, щелочей, бертолетовой соли и других веществ.
3. Электролиз с растворимым анодом используют для нанесения металлических покрытий (из хрома, золота, никеля, серебра), что предохраняет металлические изделия от коррозии и придает им декоративный вид.

Электролиз расплавов

Один из вариантов электролиза – использование в качестве электролита расплав. В этом случае в электролизном процессе участвуют только ионы расплава. В качестве классического примера можно привести электролиз солевого расплава NaCl (поваренная соль). К аноду устремляются отрицательные ионы, а значит, выделяется газ (Cl). На катоде будет происходить восстановление металла, т.е. оседание чистого Na, образующегося из положительных ионов, притянувших избыточные электроны. Аналогично можно получать другие металлы (К, Са, Li и т.д.) из расправа соответствующих солей.

При электролизе в расплаве электроды не подвергаются растворению, а участвуют только в качестве источника тока. При их изготовлении можно использовать металл, графит, некоторые полупроводники. Важно, чтобы материал имел достаточную проводимость. Один из наиболее распространенных материалов – медь.

Электролиз

Электролиз в промышленных масштабах используется для извлечения из металлосодержащих руд металлов и их очищения от примесей. При помощи этого физико-химического процесса на производстве получают медь и алюминий. Заряд химических источников тока (аккумуляторов) также происходит, благодаря протеканию этой реакции.

Определение электролиза

Химическая реакция, в результате которой на электродах происходит оседание компонентов из электролитических растворов веществ, и протекающая под действием электрического тока – вот что такое электролиз. Он включает в себя комплекс процессов окисления и восстановления, происходящих на электродах. Обязательным условием является движение постоянного тока от электрода к электроду.

В чём заключается процесс

Технологический порядок электролиза, или ещё его называют гальванолизом, происходит по законам химии и физики. При этом берутся электропроводящие растворы (жидкости), в которых при помощи двух электродов организовано электрическое поле.

Внимание! Электроды имеют названия. Катод (К) – электрод, имеющий отрицательный потенциал, анод (А) – электрод с положительным потенциалом.

Ионы движутся упорядоченно через раствор, который носит название электролита. При этом ионы, относящиеся к металлам, водороду (катионы) направляются к катоду, к аноду стремятся ионы, принадлежащие к кислотным остаткам или гидроксильной группы (анионы). Катионы имеют положительный знак заряда, анионы – отрицательный. Пропускание электрического тока при электролизе может осуществляться, как через растворы, так и через расплавы электролитов.

Информация. При приготовлении электролита происходит диссоциация раствора на ионы. Это обусловлено взаимодействием растворителя на растворяемое вещество. Такая реакция называется первичной. Дальнейшее воздействие электрического тока на электролит вызывает вторичную реакцию гальванолиза.

Подобное разделение на первичность и вторичность позволило Майклу Фарадею обосновать законы, применяемые к гальванолизу.

Электролиз растворов

Использование воды для приготовления раствора электролита осложняет процесс. В растворах солей и щелочей вода ведёт себя при электролизе неоднозначно. Это проявляется в том, что H2O ведёт себя как окислитель, так и как восстановитель. На катоде она получает электроны и восстанавливает атомы водорода до газообразной формы водорода. На аноде вода отдаёт отрицательно заряженные частицы, тогда атомы кислорода окисляются до газообразной формы кислорода. Кислота, используемая в качестве раствора для электролита, лишена этой проблемы.

Катодные процессы

Катод, помещённый в растворы солей, притягивает к себе катионы металлов. Эти катионы выступают как окислители.

Важно! У отдельных металлов способности ионов окислять различны. Чтобы оценить способности окисления – восстановления, необходимо опираться на электрохимический ряд напряжений.

Особенности электролиза в растворах

Электролиз в водном растворе существенно отличается от расплава. Здесь имеют место 3 конкурирующих процесса: окисление воды с выделением кислорода, окисление аниона и анодное растворение металла. В процессе задействованы ионы воды, электролита и анода. Соответственно, на катоде может происходить восстановление водорода, катионов электролита и металла анода.

Возможность протекания указанных конкурирующих процессов зависит от величины электрических потенциалов системы. Протекать будет только тот процесс, который требует меньше внешней энергии. Следовательно, на катоде будут восстанавливаться катионы, имеющие максимальный электродный потенциал, а на аноде – окисляться анионы с наименьшим потенциалом. Электродный потенциал водорода принят за «0». Для примера, у калия он равен (-2,93 В), натрия – (-2,71 В), свинца (-0,13 В), а у серебра – (+0,8 В).

Таблица изменения веществ с помощью электролиза

Усиление восстановительных способностей веществ:

Усиление окислительных способностей веществ:

Электролиз в газах

Газ может исполнить роль электролита только при наличии ионизатора. В этом случае ток, проходя через ионизированную среду, вызывает необходимый процесс на электродах. При этом законы Фарадея не распространяются на газовый электролиз. Для его осуществления необходимы такие условия:

1. Без искусственной ионизации газа не поможет ни высокое напряжение, ни большой ток.
2. Для электролиза подходят лишь кислоты, не содержащие кислорода и находящиеся в газообразном состоянии, и некоторые газы.

Важно! При выполнении необходимых условий процесс протекает аналогично электролизу в жидком электролите.

Слабые и сильные электролиты

Электролиты принято делить на две группы, в зависимости от их способности диссоциировать. К сильным электролитам относят вещества, у которых степень диссоциации на ионы составляет 100% (то есть равняется единице). Сильными электролитами являются соли, основания и многие кислоты (соляная, бромоводородная, йодоводородная, азотная).

Слабыми электролитами называют вещества, диссоциирующие не полностью. Степень их диссоциации всегда составляет меньше единицы. При этом, чем выше концентрация таких электролитов в растворе, тем меньше степень их диссоциации. К слабым электролитам относится вода, некоторые слабые кислоты и основания.

Между сильными и слабыми электролитами не существует какой-то четкой границы. Так, одно вещество может проявлять свойства сильного электролита в одном растворе и свойства слабого — в другом.

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Для практического применения электролиза важно понимать, что происходит на обоих электродах при подаче электрического тока. Характерны такие процессы:

1. Катод. К нему устремляются положительно заряженные ионы. Здесь происходит восстановление металлов или выделение водорода. Можно выделить несколько категорий металлов по катионной активности. Такие металлы, как Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, хорошо восстанавливаются только из расплава солей. Если используется раствор, то выделяется водород за счет электролиза воды. Можно обеспечить восстановление в растворе, но при достаточной концентрации катионов, у следующих металлов — Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Процесс протекает наиболее легко для Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Анод. К этому электроду поступают отрицательно заряженные ионы. Окисляясь, они отбирают электроны у металла, что приводит к их анодному растворению, т.е. переходу в положительно заряженные ионы, которые направляются к катоду. Анионы также подразделяются по своей активности. Только из расплавов могут разряжаться такие анионы PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. В водных растворах электролизу подвергаются не они, а вода с выделением кислорода. Наиболее легко реагируют такие анионы, как ОН, Cl, I, S, Br.

Свойства электролитов

Электролиты обладают рядом уникальных свойств. Если в раствор электролита поместить электроды с разным потенциалом, то через раствор пойдет электрический ток. Общеизвестно, что растворы веществ имеют более высокую температуру кипения и более низкую температуру замерзания, чем сам растворитель. Но растворы электролитов ведут себя несколько иначе — по сравнению с растворами других веществ, они имеют более высокую температуру кипения и более низкую температуру замерзания. Проще говоря, раствор электролита ведет себя так, как будто в нем содержится больше молекул вещества, чем на самом деле.

Факторы, влияющие на процесс электролиза

Процесс электролиза зависит от следующих факторов:

1. Состав электролита. Значительное влияние оказывают различные примеси. Они подразделяются на 3 типа – катионы, анионы и органика. Вещества могут быть более или менее отрицательными, чем основной металл, что и мешает процессу. Среди органических примесей выделяются загрязнители (например масла) и ПАВ. Их концентрация имеет предельно допустимые значения.
2. Плотность тока. В соответствии с законами Фарадея, масса осаждаемого вещества увеличивается с увеличением силы тока. Однако возникают неблагоприятные обстоятельства – концентрированная поляризация, повышенное напряжение, интенсивный разогрев электролита. С учетом этого существуют оптимальные значения плотности тока для каждого конкретного случая.
3. рН электролита. Кислотность среды также выбирается с учетом металлов. Например оптимальное значение кислотности электролита для цинка – 140 г/куб.дм.
4. Температура электролита. Она влияет неоднозначно. С увеличением температуры растет скорость электролиза, но повышается и активность примесей. Для каждого процесса есть оптимальная температура. Обычно она находится в пределах 38-45 градусов.

Важно! Электролиз можно ускорить или замедлить путем различных воздействий и выбора состава электролита. Для каждого варианта применения существует свой режим, который следует строго соблюдать.

Применение электролитов. Кислотные и щелочные электролиты

В прошлой статье рассказывалось об основных свойствах электролитов и технике безопасности при работе с ними. Сейчас речь пойдет о видах электролитов и их применении.

Основное применение электролитов — в промышленности: производство источников тока, батарей (гальванических элементов), аккумуляторов, электролитических конденсаторов.

• В аналитической практике используются рН-метры и ионометры с электродами, заполненными солевыми электролитами. С их помощью измеряют не только уровень кислотности среды, но и содержание и концентрацию определенных элементов в веществах.

• В электрохимической индустрии электролиты — основа растворов для гальванирования металлов: хромирования, кадмирования, цинкования, золочения, фосфатирования и пр. С помощью электролитов проводят травление металлов.

• В медицине и биологии тоже имеют дело с электролитами. Диагностика многих заболеваний связана с определением характера водно-солевого и кислотно-щелочного баланса в организме.

Кислотные и щелочные электролиты

Чаще всего мы сталкиваемся с электролитами в аккумуляторах, работающих в различных транспортных средствах. Без них автомобили, электровозы, локомотивы и т.п. просто не способны функционировать. Используются в них кислотные и щелочные электролиты. Оба типа имеют свои достоинства и недостатки.

Щелочной электролит — это раствор щелочи в воде. Как правило, используют гидроокись натрия, калия, лития или их комбинации.

Достоинства: • долгий срок службы; • высокая надежность; • способны работать в широком диапазоне температур; • при работе выделяется меньше токсичных газов; • неприхотливы в эксплуатации, требуют меньшего обслуживания, чем кислотные; • щелочные аккумуляторы меньше весят, не содержат свинец, не боятся тряски, сильных токов и коротких замыканий. К сожалению, есть и недостатки: • щелочные аккумуляторы дороже стоят; • у них меньший к.п.д., меньшая величина э.д.с. (электродвижущая сила); • не способны дать стартовый ток, необходимый для запуска двигателя автомобиля.

Щелочные электролиты преимущественно используются в электропогрузчиках и в шахтных электровозах, в локомотивах и электропоездах.

В автомобильной индустрии востребованы в основном кислотные аккумуляторы. Кислотный электролит — это раствор концентрированной серной кислоты в воде.

Достоинства аккумуляторов с кислотным электролитом: • малый саморазряд; • высокий к.п.д. и величина э.д.с.; • простые, хорошо отработанные технологии обслуживания; • способны выдавать высокий стартовый ток; • гораздо дешевле щелочных. К недостаткам можно отнести: • большой вес; • чувствительны к низким температурам — электролит может замерзнуть и вывести из строя весь аккумулятор; • неэкологичны; • требуют регулярного обслуживания.

Это важно: нельзя менять тип электролита в аккумуляторе. Щелочные заправляют только щелочью, кислотные — только кислотой. В нашем магазине можно недорого купить щелочные электролиты следующих видов: • твердый калиево-литиевый; • жидкий калиево-литиевый, плотность 1,27 • жидкий калиево-литиевый, плотность 1,41

Щелочной электролит калиево-литиевый, твердый

Сплав гидроокиси лития и калия. Представляет собой порошкообразный или гранулированный продукт. Применяется для изготовления жидких электролитов с нужными характеристиками.

Щелочной электролит калиево-литиевый, жидкий, плотность 1,41

Состоит из гидроокиси калия, лития и дистиллированной воды. Представляет собой прозрачную жидкость с легким желтым оттенком. Применяется для заправки щелочных аккумуляторов, как правило, в электропогрузчиках и в шахтных электровозах. Может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне: от -40 до +40°С.

Щелочной электролит калиево-литиевый, жидкий, плотность 1,27

Раствор, приготовленный из гидроокиси калия, гидроокиси лития и дистиллированной воды. Прозрачный, без запаха, с легким желтым оттенком. Применяется для заполнения щелочных аккумуляторов в горной и автомобильной индустрии. Рекомендуется для применения в условиях температуры окружающего воздуха от -30 °С.