Ce este electroliza? Anod și catod. Procesul fizico-chimic

De mult timp oamenii nu au putut obține multe substanțe pure într-o formă liberă. Astfel, de exemplu:

• metale;
• alcali;
• clor;
• hidrogen;
• peroxid de hidrogen;
• clororganic și altele.

Ele au fost obținute fie cu conținut ridicat de impurități, care nu au putut fi eliminate, fie nu au fost sintetizate deloc. Dar legăturile sunt foarte importante pentru utilizarea în industrie și viața de zi cu zi. Dar, odată cu descoperirea unui astfel de proces ca electroliza, a fost rezolvată sarcina unei scale imense. Astăzi este folosit nu numai pentru sinteză, ci și pentru multe alte procese.

Ce este electroliza? Cum se întâmplă, din ce etape se formează, care este principalul avantaj al acestei metode, să încercăm să înțelegem cursul articolului.

Ce este electroliza?

Pentru a răspunde la această întrebare, trebuie să ne întoarcem mai întâi la terminologie și să înțelegem câteva concepte fizico-chimice de bază.

1. Un curent direct este un flux direcționat de electroni proveniți din orice sursă de energie electrică.
2. Electrolitul este o substanță a cărei soluție este capabilă să conducă curent electric.
3. Electrozii - plăci din anumite materiale conectate una la cealaltă, care permit conectarea electricității (anod și catod).
4. Reacția de oxidare-reducere este un proces în care se modifică gradul de oxidare a participanților. Adică, unii ioni oxidează și măresc valoarea gradului de oxidare, în timp ce alții, dimpotrivă, sunt reduse, scăzând-o.

După ce au explicat toți acești termeni, se poate răspunde la întrebarea despre ceea ce este electroliza. Acest proces de oxidare-reducere constă în trecerea unui curent direct prin soluția de electrolit și terminând cu eliberarea de produse diferite pe electrozii.

Cea mai simplă instalare, care poate fi numită celulă electrolitică, include doar câteva componente:

• două pahare cu electrolit;
• sursa de curent;
• doi electrozi conectați unul la celălalt.

În industrie, aceasta utilizează modele mult mai sofisticate automate care fac posibilă producerea unor cantități mari de produse - tancuri de electroliză.

Procesul de electroliză este destul de complex, supus mai multor legi teoretice și se realizează conform procedurilor și regulilor stabilite. Pentru a prezice corect rezultatul, este necesar să înțelegem în mod clar toate modelele și posibilele variante de trecere.

Baza teoretică a procesului

Cele mai importante canoane fundamentale pe care se sprijină Electroliza - legile Michael Faraday - celebrul fizician, cunoscut pentru activitatea sa în domeniul curentului electric și a tuturor proceselor însoțitoare.

În total, există două astfel de reguli, fiecare dintre acestea descriind esența proceselor care apar în timpul electrolizei.

Prima lege

Primul Legea lui Faraday, a cărui formulă este scrisă ca m = kI * Delta-t, se citește după cum urmează.

Masa substanței eliberate pe electrod este direct proporțională cu energia electrică care a trecut prin electrolit.

Se poate observa din formula că m este masa unei substanțe, eu sunt puterea actuală, Delta-t este timpul în care a fost omis. Există, de asemenea, o valoare a k, care se numește echivalentul electrochimic al compusului. Această valoare depinde de natura compusului însuși. Numeric, k este egal cu masa substanței care este eliberată pe electrod când o unitate de încărcătură electrică trece prin electrolit.

A doua regulă de electroliză

A doua lege a lui Faraday, a cărei formulă este m = M * I * Delta-t / n * F, citește după cum urmează. Echivalentul electrochimic al compusului (k) este direct proporțional cu masa molară și invers proporțional cu valența substanței.

Formula de mai sus este rezultatul derivării de la toate cele combinate. Aceasta reflectă esența celei de-a doua lege a electrolizei. M este masa molară a compusului, I este puterea curentului trecut prin întregul proces, Delta-t este timpul de electroliză totală, F este constanta Faraday și n este electronii care a participat la proces. Numărul lor este egal cu sarcina ionului care a participat la proces.

Legile lui Faraday ajută la înțelegerea a ceea ce este electroliza și, de asemenea, pentru a calcula randamentul posibil al produsului în funcție de masă, pentru a prezice rezultatul cerut și pentru a influența cursul procesului. Ele constituie baza teoretică a transformărilor luate în considerare.

Conceptul de anod și tipurile sale

Electrozii sunt foarte importanți în electroliză. Întregul proces depinde de materialul din care sunt făcute, de proprietățile și caracterul lor specific. Prin urmare, luăm în considerare mai detaliat fiecare dintre ele.

Anodul este un plus sau un electrod pozitiv. Adică unul care se alătură polului "+" al sursei de alimentare. În consecință, de la ea soluție electrolitică Ionii sau anionii negativi se vor mișca. Acestea vor fi oxidate aici, obținând un grad mai ridicat de oxidare.

Prin urmare, puteți descrie o schemă mică care va ajuta la memorarea proceselor anodice: anod "plus" - anioni - oxidare. Există două tipuri principale ale acestui electrod, în funcție de care, produsul sau produsul respectiv va fi produs.

1. Anod insolubil sau inert. Un electrod este utilizat pentru acest tip, care servește doar transferului de electroni și proceselor de oxidare, dar el însuși nu este consumat și nu se dizolvă. Astfel de anozi sunt realizate din grafit, iridiu, platină, cărbune și așa mai departe. Utilizând astfel de electrozi, este posibil să se obțină metale în formă pură, gaze (oxigen, hidrogen, clor și așa mai departe).
2. Anod solubil. În procesele oxidative, se dizolvă și afectează rezultatul tuturor electrolizei. Principalele materiale din care se fabrică acest tip de electrozi: nichel, cupru, cadmiu, plumb, staniu, zinc și altele. Utilizarea acestor anozi este necesară pentru procesele de electrorefinere a metalelor, galvanizare, aplicarea acoperirilor protectoare împotriva coroziunii și așa mai departe.

Esența tuturor proceselor care apar la electrodul pozitiv este redusă la deversarea celor mai electronegativi ioni în valoarea potențială. Ivot de ce se fac anioni de acizi anoxici și ioni de hidroxid, și apoi apă, când vine vorba de soluție. Anionii conținând oxigen în soluția apoasă a electrolitului, în general, nu se evacuează la anod, deoarece apa face acest lucru mai rapid, eliberând oxigenul.

Catodul și caracteristicile sale

Un catod este un electrod încărcat negativ (datorită acumulării de electroni pe el prin trecerea unui curent electric). De aceea, cationii ionici pozitivi care se supun restaurării - se îndreaptă spre ea, adică reduc starea de oxidare.

Aici, pentru memorare, următoarea schemă este de asemenea potrivită: catodul "minus" - restaurarea caii. Materialul pentru catod poate fi:

• oțel inoxidabil;
• cupru;
• carbon;
• alamă;
• fier;
• aluminiu și altele.

Pe acest electrod metalele sunt reduse la substanțe pure, care este una dintre principalele modalități de a le obține în industrie. De asemenea, este posibil să se transfere electroni de la anod la catod, iar dacă primul este solubil, atunci ionii săi sunt restabiliți la electrodul negativ. Aici, cationii de hidrogen sunt redusi la gazul H₂. Prin urmare, catodul este una dintre cele mai importante părți din schema generală a procesului de electroliză a substanțelor.

Electroliza topiturilor

Din punctul de vedere al chimiei, procesul în cauză are propria ecuație. Cu ajutorul acestuia puteți trasa întreaga schemă pe hârtie și anticipa rezultatul. Cel mai important, ce ar trebui să se acorde atenție - prezența sau absența unui mediu apos și tipul de anod (solubil sau nu).

Dacă este necesar să se obțină următoarele produse: metale alcaline și alcalino-pământoase, alcalii, aluminiu, beriliu, anioni de gaze cu conținut de oxigen nu poate fi atunci o întrebare despre electroliza soluției de electrolit. Numai topirea, deoarece altfel conexiunile necesare nu vor funcționa. De aceea industria sintetizează adesea substanțele enumerate, utilizând sărurile lor anhidre și hidroxizii.

În general, ecuația de electroliză a topiturii pare destul de simplă și standard. De exemplu, dacă luați în considerare și scrieți-l pentru iodură de potasiu, atunci formularul este după cum urmează:

KI = K⁺ + eu^-

Catod (K) ";": K⁺ + 1e = K⁰

Anod (A) "+": 2I^- - 2e = I₂⁰

Rezultatul procesului: KI = K + I_2.

În mod similar, va fi înregistrată electroliza oricărui metal, indiferent de valoarea potențialului său de electrod.

Electroliza soluției apoase

Dacă vorbim despre soluții de electroliți, rezultatul procesului va fi complet diferit. La urma urmei, apa devine un participant activ. De asemenea, este capabil să se disocieze în ioni și să se descarce la electrozi. Prin urmare, în astfel de cazuri, potențialul electrodului ioni. Cu cât este mai mică valoarea negativă, cu atât este mai mare probabilitatea unei oxidări sau a unei reduceri mai rapide.

Electroliza soluției apoase este supusă mai multor reguli care trebuie reamintite.

1. Procesele anodice: Sunt deconectate numai anionii de acizi anoxici (cu excepția hidrofluoricului). Dacă ionul este ioni care conțin oxigen sau fluorură, atunci oxigenul va fi oxidat.
2. Procesele catodice: metalele din seriile de solicitare electrochimică (până la aluminiu inclusiv) la catod nu sunt refăcute datorită activității chimice ridicate. Acest lucru face apa cu eliberarea de hidrogen. Metalele de la aluminiu la hidrogen sunt reduse simultan cu apa la substanțe simple. Aceleași care stau după hidrogen într-o serie de solicitări (scăzute), se supun cu ușurință restaurării substanțelor simple.

Dacă urmați aceste reguli, puteți descrie orice electroliză și puteți calcula randamentul produsului. În cazul unui anod solubil, circuitul se schimbă și devine mult mai complicat.

Electrolisarea sărurilor

Aceste procese sunt folosite pentru a produce metale și gaze pure, deoarece acestea sunt simple din punct de vedere tehnologic și profitabile din punct de vedere economic. În plus, produsele au un grad ridicat de puritate, ceea ce este important.

De exemplu, electroliza cuprului vă permite să obțineți rapid o formă pură din orice soluție de sare. Cel mai adesea folosit cupru vitriol sau sulfat de cupru (II) -CuSO₄.

Atât din topitură, cât și din soluția acestei sări, este posibil să se extragă metalul pur, care este atât de necesar în aproape toate ramurile de inginerie electrică și construcții metalice.

Importanța și aplicarea procesului

Electroliza este un proces foarte important. Pe baza acesteia, operațiunile tehnice necesare se bazează pe:

1. Rafinarea metalelor.
2. Electroextraction.
3. Galvanizare.
4. Electrosinteză.
5. Aplicarea acoperirilor anticorozive și altele.