Какво представлява електролизата в химията?

Първо, нека се опитаме да разберем какво е електролиза. Това са химични реакции, които възникват под въздействието на електрически ток върху електродите, които се поставят в стопилката или електролитния разтвор.

Някои теоретични концепции

Електролитът е вещество, което провежда електричество. Електродите са два вида. Катодът е отрицателно зареден електрод, на него се появява редукционна реакция.

Анодът се нарича положително зареден електрод, където се извършва възстановяване.

Използване на процеса

Електролизата на разтворите се използва в различни отрасли на съвременната индустрия. В химическата промишленост се използва хлор, алкали, перхлорат, хлорат, персулфат, органична материя, калиев перманганат, персулфатна киселина, флуор, кислород, водород и други ценни продукти.

В цветната металургия се използва електролиза на стопилки за извличане на чист метал от руди. Метали, които не могат да бъдат изолирани поради високия отрицателен потенциал от водни разтвори, се получават в цветна металургия чрез електролиза на стопилки. Сред металите, които се произвеждат чрез електролиза на така наречените разтопени среди, отбелязваме магнезий, алуминий, уран, берилий, цирконий.

Електролизата се използва в машиностроенето, електронната промишленост, радиотехниката, печата, за да се прилагат тънки метални покрития върху продуктите, като ги предпазва от корозия, увеличава износоустойчивостта, увеличава устойчивостта на топлина.

Исторически фон

Какво представлява електролизата? Това е една от най-важните области в електрохимията. Науката е родена в края на 18-19 век. Именно през този период експериментите са проведени от италианския физиолог Л. Галвани и физика А. Волт. В края на 18 век се появяват първите химически източници на ток. В началото на 20 век електрохимията започва да изучава електрохимичните процеси. Експериментално е установено, че електрическият ток, преминаващ през водни разтвори на соли, причинява химични трансформации, водещи до образуването на нови съединения.

Спорим за това какво е електролиза, ние отбелязваме, че това е сложен набор от процеси: йонна миграция, дифузия, йонни електрохимични реакции, вторични химични реакции на продуктите на електролизата един с друг.

Класификация на процеса

Говорейки за това какво е електролиза, е необходимо да се спрем на класификацията на електролитни процеси. Те са разделени на:

• производство на неорганични съединения (хлор, кислород, водород);
• образуването на метали (магнезий, мед, алуминий, калий, натрий, берилий, сребро, мед);
• получаване на метални и галванични покрития;
• азотиране, електрическо полиране, борониране на металната повърхност;
• нанасяне на филм чрез електрофореза;
• обезсоляване на вода и електродиализа;
• производство на различни органични вещества.

Електролизни експерименти

Как да направим уравнението на електролизата? Този процес се извършва в електролити. Възможно е да се свържат с два въглеродни електрода проводниците, които идват от осветителната мрежа.

В един от тях се включва електрическата лампа, която ще потвърди присъствието в електрическата верига на електрическия ток. Свободните краища на електродите могат да бъдат поставени в суха трапезна сол или безводна сярна киселина.

Лампата не гори, тъй като веществата не са в състояние да провеждат електрически ток и веригата остава отворена. Подобен резултат се наблюдава и в случаите, когато електродите се потапят в чаша с дестилирана вода.

Когато малко количество сол, алкали и киселина се разтвори във вода, се наблюдава ярка луминесценция.

Когато електродите се спускат в разтвор на глицерин или захар, лампата също престава да свети.

Този експеримент, разбира се, потвърждава проводимостта на соли, основи, киселинни разтвори на електрически ток.

При преминаване на електрически ток през разтвори или стопилки се наблюдават химически промени, които се изразяват в отделянето на продукти на разлагане на разтворител или разтворимо вещество.

Какъв е процесът в случай на готварска сол

По време на експерименталните наблюдения беше отбелязано, че електролизата на воден разтвор на натриев хлорид води до образуване на водород на катода, освобождаване на газообразен хлор в анода. Как математически да опише този процес? Електролизата на натриев хлорид настъпва в стопилката, което води до появата на чист алкален метал на катода и газообразен хлор в анода.

... и магнезиев хлорид

След преминаване на еклектичен ток през стопилка от магнезиев хлорид се наблюдава появата на магнезиеви катиони и хлорни аниони.

На катода се наблюдава редукция на магнезиеви катиони до чист метал, хлорните аниони, които отиват до анода, даряват електрони, процесът на окисление се осъществява. Електролизата на магнезиев хлорид може да бъде написана като обобщено уравнение:

MgCl2 = Mg + CI2

Характеристики на електролиза в разтвори

Важно е да се вземе под внимание фактът, че освен електролитни йони, има и разтвори на водна дисоциация в разтвора: водородни катиони и аниони на хидроксилната група. Ето защо катодът може да изхвърли както електролитния катион, така и водородния протон. В анода се изхвърлят хидроксилни йони и електролитни аниони.

Също така, водните молекули могат да бъдат подложени на електрохимична редукция или окисление.

При внимателно разглеждане на катодните процеси, които се случват по време на електролизата на воден разтвор, е важно да се вземе предвид потенциалният потенциал за редукция на водородните протони. Тя зависи от концентрацията на водородните катиони, които имат стойност -0,41 V.

Ако в разтвора на електролита има метал, при който електродният потенциал има по-положителна стойност, затова катодът ще бъде възстановен в рамките на електролизата. Това твърдение се отнася за онези метали, които се намират в близост до водород в електрохимичната серия на напреженията на Бекетов. При по-отрицателна стойност на електродния потенциал от този на водородните катиони, металът няма да се възстанови на катода. В такива случаи водородът се натрупва на този електрод.

Ако потенциалът на метала е подобен на стойността -0,41 V, едновременно образуване на водород и чист метал на катода е допустимо.

Характерът на катодния процес при електролиза на разтвор на сол (алкали) се влияе от местоположението на метала в серия от електрохимични напрежения на металите Бекетов.

При анализирането на процесите, протичащи на анода, е необходимо да се вземе предвид фактът, че е възможно окисляване на анодния материал. Ето защо електрохимията ще раздели инертния анод, както и електрод, състоящ се от техния активен анод.

Инертният е анодът, в който материалът не се подлага на окисление като част от процеса на електролиза. Активният се счита за анод, който може да се окисли по време на електролиза.

За инертни аноди изберете платина, въглища, графит. Този вариант се разглежда в училищния курс по химия.

Типични примери за електролиза на водни разтвори

Нека започнем с особеностите на електролизата в разтвор на меден хлорид (2). Тъй като този метал в електрохимичната серия от метална активност е разположен вдясно от водород, на катода се образува метална мед. Хлоридните йони се изхвърлят в анодното пространство, образувайки газообразен хлор. Схемата на процеса е представена в следната форма:

• Катод: Cu ²⁺ 2e = Cu.
• Анод: 2С1-2е = С1 _.

Кумулативно уравнение:

• CuCl2 = Cu + Cl2 _.

Каква е електролизата на воден разтвор на натриев сулфат? Тъй като натрият се намира в обхвата на активността на метала отляво на водорода, образуването на молекулен водород се наблюдава на катода. В допълнение, хидроксидните йони се натрупват в катодното пространство.

В анода се отделя газообразен кислород и хидроксидни йони се натрупват в близост до този електрод.

Тъй като натриевите катиони и сулфатните йони остават в разтвор, тази част от разтвора остава електрически неутрална. Схемата на такава електролиза може да бъде представена, както следва:

• 2Na2S04 + 6H2O = 4NaOH + 2H2S04 + O2 + 2H2

Фактори, влияещи на процеса на електролиза

Ефективността на тази химична реакция се оценява от няколко фактора, сред които може да се отбележи: напрежение, ток, ефективност на тока, ефективност, консумация на електрическа енергия на единица от получения продукт, плътност на тока.

Силата на тока характеризира работата на електролизера. И колкото е по-високо, толкова по-голямо е количеството на продукта, образуван върху електродите.

Изходният ток позволява да се вземе предвид ефективността на прилагане на количеството електрически ток, преминал през електролизатора.