Przez długi czas ludzie nie mogli uzyskać wielu czystych substancji w postaci wolnej. Takich jak na przykład:
Zostały uzyskane albo z wysoką zawartością zanieczyszczeń,z którego nie można się było pozbyć ani w ogóle nie zsyntetyzować. Ale związki te są bardzo ważne do stosowania w przemyśle i życiu codziennym. Ale wraz z odkryciem takiego procesu, jak elektroliza, zadanie o ogromnym zasięgu zostało rozwiązane. Dziś jest używany nie tylko do syntezy, ale także do wielu innych procesów.
Co to jest elektroliza? Jak to się dzieje, na jakich etapach się rozwija, co jest główną zaletą tej metody, spróbujmy to rozgryźć w artykule.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz najpierw przejść do terminologii i zrozumieć niektóre podstawowe pojęcia fizyczne i chemiczne.
Po zrozumieniu wszystkich tych terminów możesz odpowiedzieć na pytanieo tym, czym jest elektroliza. Jest to proces redoks, który polega na przepuszczeniu prądu stałego przez roztwór elektrolitu i kulminacji w izolacji różnych produktów na elektrodach.
Najprostsza instalacja, którą można nazwać elektrolizerem, obejmuje tylko kilka elementów:
W przemyśle wykorzystuje znacznie bardziej złożone zautomatyzowane konstrukcje, które pozwalają uzyskać duże masy produktów - kąpiele elektrolityczne.
Proces elektrolizy jest dość skomplikowany,przestrzega kilku teoretycznych praw i postępuje zgodnie z ustalonymi procedurami i zasadami. Aby poprawnie przewidzieć jego wynik, konieczne jest jasne zrozumienie wszystkich praw i możliwych opcji przejścia.
Najważniejsze podstawowe kanony, na którychelektroliza jest utrzymywana, - prawa Michaela Faradaya, słynnego fizyka znanego z pracy w dziedzinie badania prądu elektrycznego i wszystkich towarzyszących mu procesów.
Istnieją dwie takie zasady, z których każda opisuje istotę procesów zachodzących podczas elektrolizy.
Pierwsze prawo Faradaya, którego wzór zapisano jako m = kI * Δt, jest następujące.
Masa materii uwalnianej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do energii elektrycznej przechodzącej przez elektrolit.
Ze wzoru wynika, że m jest masą substancji, I -aktualna siła, Δt - czas, w którym upłynął. Istnieje również wartość k, która nazywa się elektrochemicznym odpowiednikiem związku. Ta wartość zależy od natury samego związku. Liczbowo k jest równe masie substancji uwalnianej na elektrodzie, gdy jedna jednostka ładunku elektrycznego przechodzi przez elektrolit.
Drugie prawo Faradaya, którego formuła jestm = M * I * Δt / n * F, brzmi następująco. Elektrochemiczny równoważnik związku (k) jest wprost proporcjonalny do jego masy molowej i odwrotnie proporcjonalny do wartościowości substancji.
Powyższa formuła jest wynikiem wnioskuod wszystkich zjednoczonych. Odzwierciedla istotę drugiego prawa elektrolizy. M to masa molowa związku, I to prąd przepuszczony przez cały proces, ,t to czas całej elektrolizy, F to stała Faradaya, n to elektrony uczestniczące w procesie. Ich liczba jest równa ładunkowi jonu, który brał udział w procesie.
Prawa Faradaya pomagają zrozumieć, co jestelektrolizy, a także obliczyć możliwą wydajność masową produktu, przewidzieć pożądany wynik i wpłynąć na proces. Stanowią one teoretyczną podstawę rozważanych przekształceń.
Bardzo ważne w elektrolizie sąelektrody. Cały proces zależy od materiału, z którego są wykonane, od ich specyficznych właściwości i charakteru. Dlatego rozważymy każdy z nich bardziej szczegółowo.
Anoda jest dodatnią lub dodatnią elektrodą.To znaczy taki, który łączy się z biegunem „+” zasilacza. W związku z tym jony ujemne lub aniony przeniosą się do niego z roztworu elektrolitu. Utlenią się tutaj, uzyskując wyższy stopień utlenienia.
Dlatego możesz przedstawić mały diagram, którypomoże zapamiętać procesy anodowe: anoda „plus” - aniony - utlenianie. W tym przypadku istnieją dwa główne typy tej elektrody, w zależności od tego, który produkt zostanie uzyskany.
Istota wszystkich zachodzących procesów na pozytywieelektroda jest zredukowana do rozładowania najbardziej elektroujemnych jonów pod względem potencjału. I dlatego robią to aniony kwasów beztlenowych i jon wodorotlenkowy, a potem woda, jeśli chodzi o roztwór. Aniony zawierające tlen w wodnym roztworze elektrolitu na ogół nie są odprowadzane na anodzie, ponieważ woda robi to szybciej, uwalniając tlen.
Katoda jest elektrodą naładowaną ujemnie (dlaz powodu gromadzenia się na nim elektronów, gdy przepływa prąd elektryczny). Dlatego w jej kierunku poruszają się jony naładowane dodatnio – kationy, które ulegają redukcji, czyli obniżają stopień utlenienia.
Tutaj, do zapamiętywania, odpowiedni jest również schemat: katoda „minus” - kation - redukcja. Materiałem na katodę może być:
To na tej elektrodzieredukcja metali do substancji czystych, co jest jedną z głównych metod ich otrzymywania w przemyśle. Możliwe jest również przejście elektronów z anody do katody, a jeśli pierwsza jest rozpuszczalna, to jej jony są redukowane na elektrodzie ujemnej. Tutaj redukcja kationów wodorowych do gazu Н2... Dlatego katoda jest jedną z najważniejszych części w ogólnym schemacie elektrolizy substancji.
Z punktu widzenia chemii rozważany procesma swoje własne równanie. Dzięki niemu możesz narysować cały schemat na papierze i przewidzieć wynik. Najważniejszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest obecność lub brak ośrodka wodnego oraz rodzaj anody (rozpuszczalna lub nie).
Jeśli potrzebujesz uzyskać następujące produkty:metale alkaliczne i ziem alkalicznych, zasady, aluminium, beryl, gazy z anionów zawierających tlen, to nie możemy mówić o elektrolizie roztworu elektrolitu. Tylko stopić, ponieważ w przeciwnym razie wymagane związki nie będą działać. Dlatego wymienione substancje są często syntetyzowane w przemyśle z ich bezwodnych suchych soli i wodorotlenków.
Ogólnie rzecz biorąc, równanie elektrolizy stopu wygląda dość prosto i standardowo. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę i zapiszemy to dla jodku potasu, to forma będzie następująca:
KI = K+ + I-
Katoda (K) "-": K+ + 1e = K0
Anoda (A) „+”: 2I- - 2e = I20
Wynik procesu: KI = K + I2.
Elektroliza dowolnego metalu będzie rejestrowana w ten sam sposób, niezależnie od wartości jego potencjału elektrodowego.
Jeśli chodzi o roztwory elektrolitów, wynikproces będzie zupełnie inny. W końcu woda staje się aktywnym uczestnikiem. Jest również zdolny do dysocjacji na jony i rozładowywania się na elektrodach. Dlatego w takich przypadkach duże znaczenie ma potencjał elektrodowy jonów. Im niższa jego wartość ujemna, tym większe prawdopodobieństwo szybszego utleniania lub redukcji.
Elektroliza roztworu wodnego podlega kilku zasadom, o których należy pamiętać.
Jeśli będziesz przestrzegać tych zasad, możesz zobrazować dowolną elektrolizę i obliczyć wydajność produktu. W przypadku anody rozpuszczalnej obwód zmienia się i staje się znacznie bardziej złożony.
Procesy te służą do uzyskiwania czystych metali i gazów, ponieważ jest to technologicznie proste i opłacalne. Ponadto produkty mają wysoki stopień czystości, co jest ważne.
Na przykład elektroliza miedzi pozwala szybko uzyskać ją w czystej postaci z roztworu dowolnej soli. Najczęściej stosowany siarczan miedzi lub siarczan miedzi (II) - CuSO4.
Zarówno z wytopu, jak iz roztworu tej soli można wydobyć czysty metal, tak niezbędny w niemal wszystkich gałęziach elektrotechniki i budownictwa metalowego.
Elektroliza to bardzo ważny proces. Na jego podstawie opierają się takie niezbędne operacje techniczne, jak:
