Elektroliza

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Shematski prikaz elektrolitičke ćelije za istraživanje elektrolize

Elektroliza - fizikalno-kemijski proces koji se sastoji u izdvajanju elektrodnih komponenti otopljenih ili drugih tvari koje nastaju sekundarnim reakcijama na elektrodama , a koji nastaju tijekom prolaska električne struje kroz otopinu ili otopljeni elektrolit .

Elektroliza je jedna od najboljih metoda pozlate ili pozlaćivanja metala bakrom ili zlatom.

Uređeno kretanje iona u vodljivim tekućinama događa se u električnom polju, koje stvaraju elektrode - vodiči spojeni na polove izvora električne energije. Tijekom elektrolize katoda se naziva negativna elektroda, anoda - pozitivna [1] . Pozitivni ioni - kationi ( ioni metala, vodikovi ioni, amonijevi ioni itd.) - prelaze na katodu, negativni ioni - anioni (ioni kiselinskih ostataka i hidroksilnih skupina) - prelaze na anodu.

Reakcije koje nastaju tijekom elektrolize na elektrodama nazivaju se sekundarnim. Primarne reakcije su reakcije disocijacije u elektrolitu. Razdvajanje reakcija na primarne i sekundarne pomoglo je Michaelu Faradayu da uspostavi zakone elektrolize.

Primjena

Radionica elektrolize bakra tvornice Uralelektromed.Katode se spuštaju u elektrolitne kupke

Elektroliza se široko koristi u modernoj industriji . Konkretno, elektroliza je jedna od metoda za industrijsku proizvodnju aluminija , bakra, vodika , manganovog dioksida [2] i vodikovog peroksida . Velika količina metala se ekstrahira iz ruda i obrađuje elektrolizom ( elektroekstrakcija , elektrorafinacija ). Također, elektroliza je glavni proces zbog kojeg funkcionira kemijski izvor struje .

Elektroliza se koristi u pročišćavanju otpadnih voda (procesi elektrokoagulacije, elektroekstrakcije, elektroflotacije).

Koristi se za dobivanje mnogih tvari (metali, vodik, klor itd.), pri nanošenju metalnih premaza ( galvanizacija ), reprodukciji oblika predmeta ( galvanizacija ).

Prvi Faradayev zakon

Godine 1832. Faraday je ustanovio da je masa m tvari oslobođene na elektrodi izravno proporcionalna električnom naboju q koji prolazi kroz elektrolit:

ako se kroz elektrolit za vrijeme t propušta stalna struja jakosti struje I.

Omjer stranica naziva se elektrokemijskim ekvivalentom tvari . Brojčano je jednaka masi tvari koja se oslobađa kada jedan električni naboj prođe kroz elektrolit, a ovisi o kemijskoj prirodi tvari.

Derivacija Faradayeva zakona

(jedan)
(2)
(3)
(4)
, (5)
gdje je z valencija atoma ( iona ) tvari,
e - naboj elektrona
Zamjenom (2) - (5) u (1) dobivamo
,

gdje - Faradayeva konstanta .

Faradayev drugi zakon

Elektrokemijski ekvivalenti različitih tvari proporcionalni su njihovoj molarnoj masi i obrnuto proporcionalni brojevima koji izražavaju njihovu kemijsku valenciju.

Kemijski ekvivalent iona je omjer molarne mase ion na njegovu valenciju ... Dakle, elektrokemijski ekvivalent

,

gdje - Faradayeva konstanta .

Drugi Faradayev zakon je napisan na sljedeći način:

,
gdje - molarna masa određene tvari nastala (ali ne nužno oslobođena - mogla bi ući u bilo koju reakciju odmah nakon formiranja) kao rezultat elektrolize, g / mol
- jačina struje koja prolazi kroz tvar ili smjesu tvari (otopina, talina), A
- vrijeme tijekom kojeg je elektroliza provedena, s
Je li Faradayeva konstanta , C mol −1
- broj elektrona koji sudjeluju u procesu, koji je, pri dovoljno velikim vrijednostima jakosti struje, jednak apsolutnoj vrijednosti naboja iona (i njegovog protuiona), koji je izravno sudjelovao u elektrolizi (oksidirao ili smanjeno)
Međutim, to nije uvijek slučaj; Na primjer, tijekom elektrolize otopine bakrene (II) soli mogu nastati ne samo slobodni bakreni, već i bakreni (I) ioni (pri maloj jakosti struje).

Promjena elektrolizom tvari

Neće sve tvari elektrolizirati kada prođe električna struja. Postoje neki obrasci i pravila.

Aktivni metalni kationi Manje aktivni metalni kationi Neaktivni metalni kationi
Li + , Cs + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Be 2+ , Al 3+ Mn 2+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Ga 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , In 3+ , Tl + , Co 2+ , Ni 2+ , Mo 4+ , Sn 2+ , Pb 2+ Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pd 3+ , Pt 2+ , Au 3+
Jako se ispuštaju (samo iz taline), u vodenoj otopini voda se elektrolizira uz oslobađanje vodika U vodenoj otopini metal se reducira (pri niskoj koncentraciji kationa u otopini - metala i vodika) Lako se prazni i vraća se samo metal
Oksigenirani kiseli anioni i fluoridni ion Hidroksidni ioni ; anioni anoksičnim kiselina (osim F -)
PO 4 3− , CO 3 2− , SO 4 2− , NO 3 - , NO 2 - , ClO 4 - , F - OH - , Cl - , Br - , I - , S 2−
Jako se ispuštaju (samo iz taline), u vodenoj otopini voda se elektrolizira uz oslobađanje kisika Jednostavan za pražnjenje

Primjeri

Topi se

Aktivni metali, manje aktivni metali i neaktivni metali se ponašaju isto u talinama.

Sol aktivnog metala i anoksična kiselina Sol aktivnog metala i kiselina koja sadrži kisik Hidroksid: aktivni metal i hidroksidni ion

K (-):

A (+):

Zaključak:

K (-):

A (+):

Zaključak:

K (-):

A (+):

Zaključak:

Rješenja

Aktivni metali

Sol aktivnog metala i anoksična kiselina Sol aktivnog metala i kiselinski ostatak koji sadrži kisik Hidroksid: aktivni metal i hidroksidni ion

K (-):

A (+):

Zaključak:

K (-):

A (+):

Zaključak:

K (-):

A (+):

Ukupno:

Zaključak:

Manje aktivni metali i neaktivni metali

Sol manje aktivnog metala i anoksična kiselina Sol manje aktivnog metala i kiselina koja sadrži kisik Hidroksid

K (-):

A (+):

Zaključak:

K (-):

A (+):

Zaključak:

Nemoguće: neaktivni metalni hidroksidi su netopivi u vodi

Mnemoničko pravilo

Za pamćenje katodnih i anodnih procesa u elektrokemiji postoji sljedeće mnemoničko pravilo:

  • Na anodi se anioni oksidiraju.
  • Na katodi se kationi reduciraju.

U prvom retku sve riječi počinju samoglasnikom, u drugom - suglasnikom.

Ili jednostavnije:

  • CAThode - KATions (joni na katodi)
  • Anod - Anioni (ioni na anodi)

Elektroliza u plinovima

Elektroliza u plinovima, u prisutnosti ionizatora, sastoji se u činjenici da kada kroz njih prolazi stalna električna struja, opaža se oslobađanje tvari na elektrodama. Zašto Faradayevi zakoni o plinovima ne vrijede ? u kojem smislu? [3] , ali postoji nekoliko obrazaca:

  1. u nedostatku ionizatora, elektroliza se neće provesti, čak ni pri visokom naponu; [4]
  2. elektrolizom se podvrgavaju samo anoksične kiseline u plinovitom stanju i neki plinovi;
  3. jednadžbe elektrolize, i u elektrolitima i u plinovima, uvijek ostaju konstantne.

vidi također

Bilješke (uredi)

  1. Obrnuta oznaka znaka katode i anode nalazi se u literaturi kada se opisuje galvanske ćelije
  2. Elektrosinteza // Kemijska enciklopedija.
  3. Možda to znači da je difuzija jaka u plinovima, kao i često drugi, čak i učinkovitiji mehanizmi miješanja, stoga je često, ako ne i u pravilu, teško izbjeći obrnutu reakciju tvari koje se oslobađaju na elektrodama, pogotovo ako obje od njih su također plinoviti. To ne znači temeljno kršenje Faradayevih zakona kao takvih, međutim, efektivno promatrani prinos reakcije može se tako smanjiti u usporedbi s izračunatim prema zakonu (to je moguće kod elektrolize ne samo u plinovima).
  4. U potonjem slučaju, naravno, pri vrlo visokom naponu, može doći do pražnjenja, ali, očito, takav je slučaj prilično daleko od klasične elektrolize, makar samo zato što je u ovom slučaju temperatura obično vrlo visoka i gubitak naboja ionima na elektrodama teško je i jako se razlikuje od klasičnog ("hladnog") slučaja (?).

Linkovi