Электролиз

Данный процесс широко применяется в промышленности. Без него практически невозможно представить производство цветных металлов и некоторые отрасли химической промышленности, в частности основу технологии изготовления меди, алюминия, цинка и ряда других химических элементов составляет электролиз. Кроме того, он играет важную роль при получении водорода, кислорода и хлора.

Схема электролиза

Схема электролиза

Что такое электролиз

Под данным явлением понимается совокупность физических и химических процессов, которые осуществляются в электролите (специальном растворе или расплаве проводящей жидкости) при направленном воздействии на него электрического тока. В результате электролиза на электродах образуются молекулы металлов, содержащихся в первоначальном веществе.

История данного явления начинается с конца XVII-начала XIX века, когда были проведены первые опыты в электрохимии. Сама наука появилась благодаря исследованиям Л. Гальвани (в честь него названо одно из применений описываемого процесса – осуществление гальванического покрытия для придания веществам дополнительных свойств). Не менее важную роль сыграл и А.Вольт, который изобрел первый химический источник тока.

В основе физико-химического явления лежат два закона Фарадея. Первый – утверждает, что масса вещества, которое аккумулировалось на катоде или перешло с анода в электролит, прямо пропорциональна объему электричества, которое было проведено через жидкость. Второй закон Фарадея гласит, что масса вещества, произведенного с помощью электролиза при определенном количестве электричества, прямо пропорциональна атомной массе и обратно пропорциональна валентности.

Процессы, происходящие при электролизе

Процессы, происходящие при электролизе

Эффект от применения описываемого процесса объясняется возможностью осуществления химических реакций под воздействием электрического тока. Сама технология образования новых частиц состоит из нескольких операций:

  • Перемещение ионов (положительно заряженные частицы мигрируют к катоду, а отрицательные – к аноду);
  • Диффузия ионов, которые, попадая на электроды (катод и анод), разряжаются и начинают хаотично перемещаться;
  • Химические реакции при контакте электродов и электролита, а также образуемых молекул веществ между собой.

Все это делает саму технологию очень сложной и требующей постоянного контроля со стороны специалистов. Основным же преимуществом такого способа изготовления металлов является его относительная экономическая эффективность, а также в некоторых случаях невозможность получить химический элемент другим методом.

Электролиз расплавов

Устройства, в которых происходит реакция, и производятся технологические операции, называются электролизерами. Чтобы получить в результате описываемого физико-химического процесса нужное вещество, необходимо правильно подобрать электроды и электролит. Главным требованием к электроду является его проводимость, поэтому чаще всего в электролизе в качестве электродов используются стержни из неметаллических веществ, например, из графита или углерода.

Положительно заряженный электрод называется анодом. К нему притягиваются анионы – частицы с отрицательным зарядом. В результате данной реакции он окисляется (растворяется в электролите), поэтому вещество, из которого изготовлен анод, должно быть таким, чтобы в результате попадания его в раствор процесс получения химических элементов не нарушился, и ненужные частицы не испортили качество готовой продукции.

Электролиз расплава на примере получения натрия и хлора

Электролиз расплава на примере получения натрия и хлора

Отрицательно заряженный электрод называется катод. Он является центром притяжения для катионов, которые и наносят на него покрытие из металла, содержащегося в расплаве. Таким способом осуществляется либо производство необходимых химических элементов, либо покрытие изделий каким-либо веществом, содержащимся в расплавленной соли.

Ключевым отличием электролиза расплавов от аналогичного процесса с растворами является то, что при изготовлении химических элементов из расплавов солей в реакции участвуют только ионы самого вещества. Примерами электролиза данного типа является производства натрия, при котором на аноде будет аккумулироваться газ «хлор», а на катоде – необходимое вещество. Данный метод применяется при получении щелочных химических элементов, поскольку они легко растворяются в воде, и выделять их из раствора для них очень сложно. К таким металлам относятся кальций, натрий, литий и другие.

Электролиз растворов

Чаще всего описываемым методом производятся медь и алюминий. При их получении из растворов необходимо помнить, что в этом случае в химической реакции участвуют еще молекулы воды, что может как помочь, так и помешать.

Начинается электролиз меди или других металлов, получаемых из раствора, также с подбора катода и анода. Требования к ним предъявляются абсолютно аналогичные: желательно, чтобы анод был инертным (при растворении не образовывал примесей), а катодом может быть любая металлическая пластина или стержень с соответствующим зарядом.

Электролиз меди из раствора

Электролиз меди из раствора

Далее в электролизер помещается раствор необходимой соли (для электролиза меди используется раствор медного купороса), и через него пропускается ток. По завершении химико-физической реакции анод растворится (как правило, для него используется графитовый стержень, но в производствах, требующих высокой чистоты получаемых химических элементов, может применяться и платина), а на катоде появится темно-красный налет – это медь, которую теперь можно использовать в других отраслях промышленности после переработки.

Таким способом можно получать и газы, причем даже в домашних условиях. Для этого необходимо взять раствор пищевой соды, поместить в него электроды и воздействовать на него электричеством. В результате около анода электролит начнет пузыриться – это выделяется кислород. Водород будет аккумулироваться на катоде. Причиной этого является то, что к аноду притягиваются отрицательно заряженные ионы ОН, в которых содержится кислород, а к катодам – положительно заряженный водород. Данная реакция возможна только при использовании растворов, поскольку в расплавах молекул воды не содержится, а значит, не будет такого выделения водорода и кислорода.

Применение электролиза

Законы электрохимии активно используются в промышленности при производстве различных веществ. Причем некоторые из них получаются в результате восстановления на катодах, а другие – путем окисления на анодах.

Применение электролиза в настоящее время можно увидеть в следующих областях и направлениях:

  • Получение необходимых химических элементов;
  • Производство металлов, особенно популярным является электролиз меди и алюминия;
  • Очистка различных веществ от примесей;
  • Изготовление сплавов;
  • Покрытие поверхностей (цинком, хромом, серебром, золотом и так далее), данные операции приобрели особую популярность в настоящее время);
  • Лечение людей с помощью аппаратов для электрофореза, диализа и так далее.
Примеры применения электролиза

Примеры применения электролиза

Исследования электролиза для расширения возможностей его применения продолжаются. В частности металлы для повышения их прочности могут покрываться различными защитными пленками. Это позволяет помещать их в агрессивные среды, создавая новые механизмы и двигатели. Применяется данная технология и для заточки медицинских инструментов, а также при очистке воды в химической и медицинской промышленностях. Таким образом, электролиз является одним из самых популярных способов применения тока в промышленности, ведь некоторые технологические операции стали возможны только после открытия законов Фарадея и проведения опытов Гальвани.

Видео

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector