Ako se dvije elektrode spuste u elektrolit i spoje na izvor napajanja, tada će negativno nabijeni ioni (anioni) u elektrolitu početi da se privlače na pozitivnu elektrodu (anodu), a pozitivno nabijeni ioni (kationi) na negativnu elektrodu ( katoda) - postojat će jednosmjerna struja u krugu.

Kationi će, kada dođu do površine katode, pričvrstiti metalne elektrone na sebe (oporavljati); anjoni na anodi će donirati svoje elektrone (oksidirati).

Gornja slika prikazuje najjednostavniji slučaj elektrolize - u talini se natrijum hlorid disocira na natrijum katione i hloridne anione. Pod djelovanjem električne struje, Na + se redukuju na katodi, Cl - - oksidiraju na anodi.

Jednačina elektrolize će izgledati ovako:

2Na + +Cl - \u003d 2Na 0 +Cl 2 0 2NaCl \u003d 2Na + Cl

Kao rezultat elektrolize, plin hlor će se osloboditi na anodi, a metalni natrijum će se osloboditi na katodi.

Redoks reakcija koja se javlja tokom elektrolize odvija se zahvaljujući električnoj energiji - bez vanjskog izvora energije to će biti nemoguće.

Treba napomenuti da elektroliza rješenje elektrolita i elektrolize u rastopiti elektroliti su malo različite stvari.

Nijansa je da u vodenoj otopini elektrolita, osim iona metala i kiselih ostataka, postoje i proizvodi disocijacije vode, što se mora uzeti u obzir.

Pravila za elektrolizu vodenih otopina

• Elektroliza na katodi zavisi samo od pozicije metala u elektrohemijskom nizu napona:
  • ako je kation elektrolita lijevo od aluminija (uključivo), voda se reducira na katodi razvojem vodika, a kationi metala ostaju u otopini:
    2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH - (Li ... Al)
  • ako je kation elektrolita između aluminija i vodika, i voda i metalni kationi se reduciraju na katodi;
    Me n+ +ne - = Me 0 ; 2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH - (Mn ... Pb)
  • ako je kation elektrolita desno od vodika, na katodi se redukuju samo metalni kationi:
    Me n+ +ne - = Me 0 (Cu...Au)
  • ako se u otopini elektrolita nalazi nekoliko metala, prvi se redukuju kationi metala koji se nalazi desno od ostalih u nizu napona.
• Elektroliza na anodi zavisi samo od materijal od kojeg je napravljena anoda:
  • u slučaju rastvorljive anode (metali koji se oksidiraju tokom elektrolize - željezo, bakar, cink, srebro) - metal anode je uvijek oksidiran:
    Me 0 -ne - = Me n+
  • u slučaju nerastvorljive anode (zlato, platina, grafit):
    • proces anionske oksidacije nastaje tokom elektrolize rastvora soli kiselina bez kiseonika, sa izuzetkom fluorida:
      Ac m - me - = Ac 0
    • u drugim slučajevima dolazi do procesa oksidacije vode (elektroliza hidroksi kiselina i fluorida) - anion ostaje u rastvoru:
      2H 2 O-4e - \u003d 4H + + O 2
    • tokom elektrolize alkalnih rastvora, hidroksidni joni se oksidiraju:
      4OH - -4e - \u003d 2H 2 O + O 2
  • redukujuća aktivnost aniona opada u nizu (prema tome povećava se sposobnost oksidacije): I - ; Br-; S2-; Cl-; OH-; SO 4 2- ; NO 3 - ; F-

Industrijska primjena elektrolize

• Izolacija i prečišćavanje metala.
• Dobivanje aluminijuma, magnezijuma, natrijuma, kadmijuma.
• Dobivanje alkalija, hlora, vodonika.
• Prečišćavanje bakra, nikla, olova.
• Postupci prskanja zaštitnih premaza za zaštitu metala od korozije.

Primjeri rješavanja problema elektrolize

1. Napišite jednačinu za elektrolizu rastvora kalijum hlorida za nerastvorljivu anodu.

• KCl → K + +Cl -
• elektroliza na anodi (+):
  2Cl - -2e - \u003d Cl 2 0
• elektroliza na katodi (-):
  2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
• Ukupna ionska jednadžba:
  2H 2 O + 2Cl - \u003d H 2 + Cl 2 + 2OH -
• Molekularna jednadžba:
  2KCl + 2H 2 O \u003d H 2 + Cl 2 + 2KOH

2. Napišite jednačinu za elektrolizu rastvora kalijum hlorida za bakarnu (topivu) anodu.

• KCl → K + +Cl -
• anoda (+):
  Cu 0 -2e - = Cu 2+
• joni bakra u procesu elektrolize prelaze sa anode na katodu (izolacija čistog bakra na katodi):
  Cu 2+ +2e - = Cu 0
• Koncentracija kalijum hlorida u rastvoru ostaje konstantna, stoga se ne može napisati ukupna jednačina elektrolize za rastvorljivu anodu.

3. Napišite jednačinu za elektrolizu otopine natrijum hidroksida.

• NaOH → Na + +OH -
• elektroliza na anodi (+):
  4OH - + 4e - \u003d O 2 + 2H 2 O
• elektroliza na katodi(-):
  2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
• Rezime jednadžbe:
  4H 2 O + 4OH - \u003d 2H 2 + O 2 + 4OH - + 2H 2 O
  2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2

4. Napišite jednačinu za elektrolizu otopine cink hlorida sa ugljičnim elektrodama.

• ZnCl 2 → Zn 2+ +2Cl -
• elektroliza na anodi (+):
  2Cl - -2e - \u003d Cl 2
• katoda(-):
  Zn 2+ +2e - = Zn 0
  2H 2 O + 2e - \u003d H 2 + 2OH -
• Ukupna jednačina elektrolize se ne može napisati, jer se ne zna koliko se električne energije troši na redukciju vode, a koliko na redukciju jona cinka.

5. Napišite jednačinu za elektrolizu vodenog rastvora nitrata bakra (II) i srebra sa nerastvorljivim elektrodama.

• Cu(NO 3) 2 → Cu 2+ + 2NO 3 -
  AgNO 3 → Ag + + NO 3 -
• elektroliza na anodi (+):
  2H 2 O-4e - \u003d O 2 + 4H +
• elektroliza na katodi(-):
  Cu 2+ +2e - = Cu 0
  Ag + +e - = Ag 0
• Prema položaju metala u naponskoj seriji (vidi gore), katjoni srebra će se reducirati prvi, a bakreni - zadnji.
• jonske jednadžbe:
  4Ag + +2H 2 O \u003d 4Ag 0 + O 2 + 4H +
  2Cu 2+ +2H 2 O \u003d 2Cu 0 + O 2 + 4H +
• Molekularne jednadžbe:
  4AgNO 3 + 2H 2 O \u003d 4Ag + O 2 + 4HNO 3
  2Cu (NO 3) 2 + 2H 2 O \u003d 2Cu + O 2 + 4HNO 3

Elektroliza se u industrijskim razmjerima koristi za izdvajanje metala iz ruda koje sadrže metal i njihovo pročišćavanje od nečistoća. Uz pomoć ovog fizičko-hemijskog procesa u proizvodnji se dobijaju bakar i aluminijum. Zbog toka ove reakcije nastaje i naelektrisanje hemijskih izvora struje (akumulatora).

Definicija elektrolize

Kemijska reakcija, uslijed koje se komponente iz elektrolitskih otopina tvari talože na elektrodama, a odvija se pod utjecajem električne struje - to je elektroliza. Uključuje kompleks procesa oksidacije i redukcije koji se odvijaju na elektrodama. Preduvjet je kretanje jednosmjerne struje od elektrode do elektrode.

Šta je proces

Tehnološki red elektrolize, ili se još naziva i galvanoliza, odvija se prema zakonima hemije i fizike. U ovom slučaju se uzimaju električno vodljive otopine (tečnosti) u kojima se uz pomoć dvije elektrode organizira električno polje.

Pažnja! Elektrode imaju imena. Katoda (K) je elektroda s negativnim potencijalom, anoda (A) je elektroda s pozitivnim potencijalom.

Joni se kreću na uredan način kroz otopinu koja se zove elektrolit. U ovom slučaju, joni koji pripadaju metalima, vodiku (kationi) šalju se na katodu, ioni koji pripadaju kiselinskim ostacima ili hidroksilnim grupama (anjoni) teže anodi. Kationi su pozitivno nabijeni, anjoni negativno. Prenos električne struje tokom elektrolize može se vršiti i kroz rastvore i kroz taline elektrolita.

Informacije. Tokom pripreme elektrolita, rastvor se disocira na jone. To je zbog interakcije rastvarača na otopljenoj tvari. Ova reakcija se naziva primarna. Dalje djelovanje električne struje na elektrolit uzrokuje sekundarnu reakciju galvanolize.

Takva podjela na primarne i sekundarne omogućila je Michaelu Faradayu da potkrijepi zakone primjenjive na galvanolizu.

Elektroliza rastvora

Upotreba vode za pripremu otopine elektrolita komplikuje proces. U rastvorima soli i alkalija, voda se tokom elektrolize ponaša dvosmisleno. To se očituje u činjenici da se H2O ponaša i kao oksidacijski i kao redukcijski agens. Na katodi prima elektrone i reducira atome vodika u plinoviti oblik vodika. Na anodi voda ispušta negativno nabijene čestice, zatim se atomi kisika oksidiraju u plinoviti oblik kisika. Kiselina koja se koristi kao otopina elektrolita nema ovaj problem.

katodni procesi

Katoda postavljena u rastvor soli privlači katione metala na sebe. Ovi kationi djeluju kao oksidanti.

Bitan! Za pojedinačne metale, sposobnost iona da oksidiraju je različita. Za procjenu sposobnosti oksidacije – redukcije potrebno je osloniti se na elektrohemijski niz napona.

EHP vrijednost je relativna, stoga pojedinačni joni imaju različite vrijednosti EHP. Vodonik je nula.

Tokom procesa elektrolize koja se odvija u rastvorima soli, otkrivene su sledeće primedbe:

• kada su aktivni Ms prisutni u solima, oni se ne redukuju na katodi, već vodik;
• ako M u elektrolitu ima prosječnu aktivnost, tada se oba ispuštaju (oporavljaju) na katodi: i vodonik i M;
• kod neaktivnog M, samo se on reducira na katodi, jer je njegov ion jači oksidant od jona vodonika.

Primjeri takvih procesa na katodi su sljedeće reakcije:

• sa aktivnim M: 2H2O +2ē → H2 + 2OH-;
• pri srednjoj aktivnosti M: Men+ + nē → Me0 i 2H+2O +2ē → H20 + 2OH-, gdje je Me otopljeni metal;
• u slučaju neaktivnog M u solima: Men+ + nē → Me0.

Primijećeno je da kada vodikovi katjoni H+ interaguju sa katodom, oni se ispuštaju u molekule vodonika – 2H+ + 2ē → H20

Anodni procesi

Osim toga, nanesena na anodu, privlači anjone zajedno sa molekulima vode. U ovom slučaju, anoda je oksidaciono sredstvo, a redukcioni agensi su molekule H2O ili anjoni kiselih ostataka.

Tokom galvanolize, na anodi se javljaju sljedeće reakcije:

• kiseli ostaci koji ne sadrže kiseonik oksidiraju se do nultog oksidacionog stanja: ne-Men- - nē = ne-Me0, gdje je - ne-Me nemetal;
• kada je sadržaj kiseonika u ostatku, voda se oksidira i oslobađa molekule kiseonika (molekularni kiseonik O2): 2H2O-2 – 4ē → O20 + 4H+;
• u slučaju kontakta sa anodom hidroksidnog jona, potonji se takođe oksidira: 4O-2H– – 4ē → O20 + 2H2O, uz oslobađanje molekularnog kiseonika.

Izuzetak. Fluor ima veću elektronegativnost od kiseonika. Prema tome, elektroliza otopina fluorida teče oksidacijom molekula vode umjesto jona fluorida.

Ukupni procesi elektrolize

Ono što se dobije u ukupnoj reakciji galvanolize može se razmotriti na primjeru natrijum hlorida. Kada električna struja prođe kroz elektrode, događa se sljedeće:

• katoda - na njoj se redukuje H - vodonik: 2H + 2O + 2ē → H20 + 2OH–;
• anoda - hloridni joni se oksidiraju na elektrodi: 2Cl– – 2ē → Cl20.

Ioni natrija ne učestvuju u ovoj reakciji elektrolize. Međutim, oni su uključeni u ukupnu jednačinu rastvora natrijum hlorida tokom elektrolize. Izgleda:

2H+2O + 2NaCl– → H20 + 2NaOH + Cl20.

Elektroliza topljenja

Ako uporedimo galvanolizu talina i rastvora, onda u talinama svi M: aktivni, nisko aktivni i neaktivni, reaguju na proces elektrifikacije na isti način.

Pažnja! Tokom elektrolize taline u elektrolitu nema vode. Stoga nema komplikacija povezanih s njenom intervencijom. Opis takve reakcije može se razmotriti na primjeru taline NaCl (natrijum hlorida).

U ovom slučaju, Na kationi se redukuju na katodi:

Na+ + ē → Na0.

Anoda uzrokuje oksidaciju Cl aniona:

2Cl– – 2ē → Cl20.

Opća jednačina za galvanolizu taline NaCl bit će:

2Na+Cl– → 2Na0 + Cl20.

Elektroliza sa rastvorljivim elektrodama

U ovom slučaju, elektroliza metala se provodi pomoću elektroda napravljenih od istog M koji je prisutan u elektrolitu. Također, elektrode se mogu napraviti od M sa većom aktivnošću.

Bitan! Tokom ovog procesa, na anodi se ne redukuju anjoni ili molekuli H2O, već se sama anoda oksidira. Njegove čestice se otapaju (oksidiraju) i redukuju već na katodi.

U slučaju bakarne anode, tokom elektrolize bakra, gde je elektrolit bakar sulfat, dešava se sledeće:

• joni bakra koji ulaze u rastvor se redukuju na katodi: Cu2+ + 2ē → Cu0;
• bakarna anoda prolazi kroz oksidaciju svojih bakarnih čestica: Cu0 – 2ē → Cu2+.

Dakle, ako se bakarna gredica koja sadrži nečistoće koristi kao anoda tokom galvanolize u bakar sulfatu, tada će se čisti bakar taložiti na katodi. Anodna elektroda će se tada rastvoriti.

Evo liste nekih metala koji mogu biti rastvorljive elektrode:

• bakar (Cu);
• srebro (Ag);
• cink (Zn);
• kobalt (Co);
• kalaj (Sn);
• nikl (Ni);
• kadmijum (Cd).

Na rastvorljivoj anodi, u početnoj fazi elektrolize, procesi se odvijaju pri minimalnom standardnom potencijalu na elektrodi. Ako se elektroliza ne zaustavi, tada vrijednost potencijala odstupa u negativnom smjeru. Ovo je uzrokovano polarizacijom zbog zadržavanja elektrona na katodi.

Za tvoju informaciju. Potencijali elektroda mogu odstupiti od svoje početne vrijednosti tokom elektrolize. Ovaj fenomen se naziva polarizacija. To je elektrohemijski i koncentracijski.

aktivni metali

Ovo je vrsta metala koja lako reaguje. U periodnom sistemu to su elementi 1. i 2. grupe. Budući da metalna svojstva elemenata postaju slabija u nizu s lijeva na desno, tada uključuju:

• alkalni metali: litijum, kalijum, natrijum, cezijum, francijum, rubidijum;
• zemnoalkalni elementi: berilijum, magnezijum, kalcijum, stroncijum, barijum, radijum;
• aluminijum.

Ovi metali imaju jedan ili dva valentna elektrona i lako ih doniraju, budući da su redukcioni agensi. Prepoznatljive karakteristike aktivnih metala uključuju:

• mekoća;
• lakoća;
• niska tačka topljenja.

U interakciji sa kiseonikom (u vazduhu), alkalni metali se mogu spontano zapaliti. Do spontanog sagorevanja zemnoalkalnih metala dolazi kada temperatura poraste. Kada su u interakciji s vodom, nastaju lužine i vodonik, reagirajući s kiselinama, formiraju soli.

Manje aktivni metali i neaktivni metali

Prosečnu aktivnost pokazuju metali koji stoje u redu posle aluminijuma Al i pre vodonika H2.

Neaktivni elementi su oni desno od vodonika: bakar (Cu), živa (Hg), srebro (Ag), platina (Pt), zlato (Au).

Praktična primjena u proizvodnji

Takav elektrohemijski proces kao što je elektroliza, čiji se primjeri mogu vidjeti posvuda, sastavni je dio industrije:

• dobijanje hemijski čistih sirovina: fluora, hlora, alkalija, čistog vodonika i kiseonika, itd.;
• primjena elektrolize u hidrometalurgiji: prerada sirovina koje sadrže metale;
• elektrorafiniranje (upotreba rastvorljivih anoda) za konačno pročišćavanje metala;
• elektroekstrakcija (upotreba nerastvorljivih anoda) za izolovanje željenih metala iz rastvora;
• galvanski procesi: galvanoplastika i galvanizacija.

Informacije. Procesi elektrolize ne teku nekontrolirano. Bakarni kulometar je uključen u krug elektrolizera. Jedinica mjerenja instrumenta je 1 C (kulon). U ovom slučaju, količina rezultata (proizvoda) anodnih, katodnih reakcija se kontroliše na 100% izlazne struje potrebne za odvijanje reakcija.

Galvanizacija je metoda elektrohemijskog premazivanja metalnih površina drugim metalima:

• čelik je podvrgnut niklanju, hromiranju, pocinčavanju;
• bakar je presvučen srebrom, niklom i drugim metalima.

Površina baze se obrađuje tako da premaz čvrsto drži i štiti strukturu od utjecaja vanjskih faktora. Istovremeno, proizvodi su dobili estetski izgled.

Galvanizacija vam omogućava da dobijete tačne kopije radnog komada, napravljenog od plemenitih metala. Široko se koristi u proizvodnji matrica, kopija skulptura, nakita, detalja složene geometrije. Kod ove metode važno je da se radni komad odvoji od premaza.

Elektroliza otvara široke mogućnosti za rad s metalima i elektrolitima. Koristeći ovaj proces, možete samostalno obavljati radove ne samo na području galvanizacije, već i dobiti čiste metale u malim količinama. Istovremeno, ne treba brkati spontane hemijske reakcije u galvanskim ćelijama i reakcije koje se dešavaju u elektrolizerima.

Video

Elektroliza je proces raspadanja tvari pod djelovanjem električne struje ( električna struja).

Istorija otkrića elektrolize

Riječ elektroliza dolazi od grčkog (ἤλεκτρον) [ɛ̌ːlektron] "jantar" i λύσις "otapanje".

Mala hronologija istorije elektrolize:

• 1785 - Martinus van Marum je koristio elektrostatički generator za taloženje (izvlačenje) kalaja, cinka i antimona iz njihovih soli pomoću elektrolize (Enciklopedija Britanica 3. izdanje (1797), tom 1, str. 225).
• 1800 - William Nicholson i Anthony Carlyle (uz učešće Johanna Rittera) razložili su vodu na vodonik i kiseonik.
• 1807 - Sir Humphry Davy je pomoću elektrolize otkrio takve hemijske elemente kao što su: kalij, natrijum, barijum, kalcijum i magnezijum.
• 1833 - Michael Faraday otkriva svoja dva zakona elektrolize i daje njihovu matematičku formulaciju i objašnjenje.
• 1875 - Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran otkrio je galijum elektrolizom.
• 1886 - Anri Moissan je otkrio fluor pomoću elektrolize.
• 1886 - Hall-Héroultov proces razvijen za proizvodnju aluminija iz glinice.
• 1890 - Castner-Kellner razvija proces natrijum hidroksida.

Kratak opis elektrolize

Elektroliza nastaje kada konstantna (jednosmjerna) električna struja prolazi kroz ioniziranu tvar, koja može biti ili talina ili otopina u kojoj se upravo ta tvar razlaže na ione (elektrolitička disocijacija molekula) i predstavlja elektrolit. Kada električna struja prođe kroz takvo stanje materije, kada je predstavljena ionima, dolazi do elektrohemijske reakcije oksidacije i redukcije.

Na jednoj elektrodi će ioni jedne vrste biti oksidirani, a na drugoj reducirani, što se vrlo često manifestira u obliku evolucije plina, odnosno taloženja tvari u obliku nerastvorljivog hemijskog taloga. Prilikom elektrolize joni, zvani anjoni, primaju elektrone koji nedostaju i prestaju biti joni, a joni druge vrste - katjoni, doniraju dodatne elektrone i nakon toga prestaju biti joni.

Elektroliza ne mogu nastaju tamo gdje nema jona, na primjer, u kristalu soli ili u čvrstim polimerima (smole, plastika). Ako se kristal soli otopi u odgovarajućem otapalu u kojem se raspada na ione, tada je u takvom tekućem mediju moguć proces elektrolize, jer je otopina elektrolit. Svi elektroliti su provodnici druga vrsta u kojoj može postojati električna struja.

Proces elektrolize zahtijeva najmanje dvije elektrode, koje su izvor struje. Između ove dvije elektrode, električna struja teče kroz elektrolit ili talinu, a prisustvo samo jedne elektrode ne osigurava zatvoreni električni krug, te stoga struja ne može teći.

Bilo koji materijal koji pruža dovoljnu provodljivost može se koristiti kao elektrode. To mogu biti metali i njihove legure, grafit, poluvodički materijali. Elektrohemijska svojstva elektroda su od odlučujućeg značaja u komercijalnoj (industrijskoj) upotrebi elektrolize, jer mogu značajno smanjiti troškove proizvodnje, poboljšati kvalitet i brzinu elektrohemijskog procesa, a to je elektroliza.

proces elektrolize

Cijeli smisao procesa elektrolize je pretvaranje jona otopine (taline) u atome dodavanjem ili uklanjanjem elektrona. Takva promjena nastaje zbog vanjskog električnog kola u kojem postoji električna struja. U takvom kolu nužno postoji izvor električne energije, koji je dobavljač elektrona na jednoj elektrodi - katodi, i neka vrsta pumpe koja ispumpava elektrone na drugoj elektrodi - anodi. Na katodi uvijek postoji višak elektrona i kationi (+) se kreću u njenom smjeru da bi dobili elektrone koji nedostaju i postali atomi, a na anodi je nedostatak elektrona i anjona (-) se kreću u njenom smjeru, koji imaju dodatne elektrone u njihovoj orbiti, tako da ih odaju i postanu neutralni atomi.

Elektrolizer je poseban uređaj koji je dizajniran da odvaja komponente spoja ili otopine pomoću električne struje. Ovi uređaji se široko koriste u industriji, na primjer, za dobivanje aktivnih metalnih komponenti iz rude, pročišćavanje metala, nanošenje metalnih premaza na proizvode. Za svakodnevni život se rijetko koriste, ali se i nalaze. Konkretno, za kućnu upotrebu nude se uređaji koji vam omogućavaju da odredite kontaminaciju vode ili dobijete takozvanu "živu" vodu.

Osnova rada uređaja je princip elektrolize, čiji se otkrivač smatra poznati strani naučnik Faraday. Međutim, prvi elektrolizator vode 30 godina prije Faradaya stvorio je ruski naučnik Petrov. U praksi je dokazao da se voda može obogatiti u katodnom ili anodnom stanju. Uprkos ovoj nepravdi, njegov rad nije bio uzaludan i služio je razvoju tehnologije. Trenutno su izmišljene i uspješno korištene brojne vrste uređaja koji rade na principu elektrolize.

Šta je

Elektrolizator radi zahvaljujući vanjskom izvoru napajanja koji napaja električnu struju. Pojednostavljeno, jedinica je napravljena u obliku kućišta u koje su montirane dvije ili više elektroda. Unutar kućišta je elektrolit. Kada se primeni električna struja, rastvor se razlaže na potrebne komponente. Pozitivno nabijeni ioni jedne tvari usmjeravaju se na negativno nabijenu elektrodu i obrnuto.

Glavna karakteristika takvih jedinica su performanse. Odnosno, ovo je količina otopine ili tvari koju instalacija može obraditi u određenom vremenskom periodu. Ovaj parametar je naveden u nazivu modela. Međutim, na to mogu utjecati i drugi pokazatelji: jačina struje, napon, vrsta elektrolita itd.

Vrste i tipovi

Prema dizajnu anode i lokaciji strujnog vodiča, elektrolizator može biti tri tipa, a to su jedinice sa:

1. Presovane pečene anode.
2. Kontinuirana samopečeća anoda, kao i bočni provodnik.
3. Kontinuirana samopečeća anoda, kao i gornji provodnik.

Elektrolizer koji se koristi za rješenja, prema karakteristikama dizajna, može se podijeliti na:

• Suha.
• Teče.
• Membrane.
• Dijafragma.

Uređaj

Dizajn jedinica može biti različit, ali svi rade na principu elektrolize.

Uređaj se u većini slučajeva sastoji od sljedećih elemenata:

• Električno provodljivo tijelo.
• Katoda.
• Anoda.
• Razvodne cijevi dizajnirane za unos elektrolita, kao i za izlaz tvari dobivenih tijekom reakcije.

Elektrode su zapečaćene. Obično su predstavljeni u obliku cilindara koji komuniciraju s vanjskim okruženjem pomoću mlaznica. Elektrode su izrađene od posebnih provodljivih materijala. Na katodi se taloži metal ili se na nju usmjeravaju ioni izdvojenog plina (prilikom cijepanja vode).

U industriji obojenih metala često se koriste specijalizirane jedinice za elektrolizu. To su složenije instalacije koje imaju svoje karakteristike. Dakle, elektrolizer za ekstrakciju magnezijuma i hlora zahteva kupku od krajnjih i uzdužnih zidova. Obložen je vatrostalnim ciglama i drugim materijalima, a također je pregradom podijeljen na odjeljak za elektrolizu i ćeliju u kojoj se skupljaju konačni proizvodi.

Karakteristike dizajna svake vrste takve opreme omogućuju rješavanje samo određenih problema koji su povezani s osiguranjem kvalitete otpuštenih tvari, brzine reakcije, energetskog intenziteta instalacije i tako dalje.

Princip rada

U uređajima za elektrolizu samo jonska jedinjenja provode struju. Stoga, kada se elektrode spuste u elektrolit i uključi električna struja, u njemu počinje teći ionska struja. Pozitivne čestice u obliku kationa šalju se na katodu, na primjer, to su vodonik i razni metali. Anjoni, odnosno negativno nabijeni ioni teku do anode (kiseonik, hlor).

Kada se približavaju anodi, anioni gube naboj i postaju neutralne čestice. Kao rezultat toga, oni se talože na elektrodi. Slične reakcije se dešavaju i na katodi: kationi uzimaju elektrone sa elektrode, što dovodi do njihove neutralizacije. Kao rezultat, kationi se talože na elektrodi. Na primjer, kada se voda podijeli, nastaje vodonik, koji se diže u obliku mjehurića. Za prikupljanje ovog gasa, iznad katode se konstruišu posebne cevi. Kroz njih vodik ulazi u potrebnu posudu, nakon čega se može koristiti za namjeravanu svrhu.

Princip rada u dizajnu različitih uređaja općenito je sličan, ali u nekim slučajevima mogu postojati neke posebnosti. Tako se u membranskim jedinicama koristi čvrsti elektrolit u obliku membrane, koja ima polimernu bazu. Glavna karakteristika ovakvih uređaja leži u dvostrukoj namjeni membrane. Ovaj međusloj može transportovati protone i ione, uključujući elektrode za odvajanje i krajnje proizvode elektrolize.

Dijafragmski uređaji se koriste u slučajevima kada se ne može dozvoliti difuzija krajnjih proizvoda procesa elektrolize. U tu svrhu koristi se porozna dijafragma koja je izrađena od stakla, azbesta ili keramike. U nekim slučajevima se kao takva dijafragma mogu koristiti polimerna vlakna ili staklena vuna.

Aplikacija

Elektrolizer se široko koristi u raznim industrijama. No, unatoč jednostavnom dizajnu, ima različite verzije i funkcije. Ova oprema se koristi za:

• Vađenje obojenih metala (magnezijum, aluminijum).
• Dobijanje hemijskih elemenata (razlaganje vode na kiseonik i vodonik, dobijanje hlora).
• Pročišćavanje otpadnih voda (desalinizacija, dezinfekcija, dezinfekcija od metalnih jona).
• Prerada raznih proizvoda (demineralizacija mlijeka, soljenje mesa, elektroaktivacija prehrambenih tekućina, ekstrakcija nitrata i nitrita iz biljnih proizvoda, ekstrakcija proteina iz algi, gljiva i ribljeg otpada).

U medicini, jedinice se koriste u intenzivnoj njezi za detoksikaciju ljudskog organizma, odnosno za stvaranje otopina natrijum hipohlorita visoke čistoće. Za to se koristi protočni uređaj s titanijumskim elektrodama.

Postrojenja za elektrolizu i elektrodijalizu se široko koriste za rješavanje ekoloških problema i desalinizacije vode. Ali ove jedinice, s obzirom na svoje nedostatke, rijetko se koriste: to je složenost dizajna i njihovog rada, potreba za trofaznom strujom i zahtjev za periodičnom zamjenom elektroda zbog njihovog rastvaranja.

Takve instalacije se također koriste u svakodnevnom životu, na primjer, za dobivanje "žive" vode, kao i za njeno pročišćavanje. U budućnosti je moguće stvoriti minijaturna postrojenja koja će se koristiti u automobilima za sigurnu proizvodnju vodika iz vode. Vodik će postati izvor energije, a automobil se može napuniti običnom vodom.

Elektroliza je redoks reakcija koja se javlja na elektrodama u otopini ili talini elektrolita pod djelovanjem jednosmjerne električne struje koja se dovodi iz vanjskog izvora. Elektroliza pretvara električnu energiju u hemijsku energiju. Uređaj u kojem se provodi elektroliza naziva se elektrolizer. Na negativnoj elektrodi elektrolizera (katodi) dolazi do procesa redukcije - oksidator vezuje elektrone koji dolaze iz električnog kola, a na pozitivnu elektrodu (anodu) - proces oksidacije - prenos elektrona sa redukcionog sredstva na električni kolo.

Na ovaj način, distribucija znakova naelektrisanja elektroda je suprotna onoj koja postoji tokom rada galvanske ćelije. Razlog tome je što su procesi koji se odvijaju tokom elektrolize, u principu, obrnuti procesima koji se dešavaju tokom rada galvanske ćelije. Tokom elektrolize procesi se odvijaju zahvaljujući energiji električne struje koja se dovodi izvana, dok se tokom rada galvanske ćelije energija spontane hemijske reakcije koja se u njoj odvija pretvara u električnu energiju. Za procese elektrolize DG>0, tj. u standardnim uslovima ne odlaze spontano.

Elektroliza taline. Razmotrimo elektrolizu taline natrijum hlorida (slika 10.2). Ovo je najjednostavniji slučaj elektrolize, kada se elektrolit sastoji od jedne vrste kationa (Na+) i jedne vrste anjona (Cl) i nema drugih čestica koje mogu učestvovati u elektrolizi. Proces elektrolize taline NaCl teče na sljedeći način. Koristeći vanjski izvor struje, elektroni se dovode do jedne od elektroda, dajući joj negativan naboj. Na + kationi se kreću do negativne elektrode pod djelovanjem električnog polja, u interakciji s elektronima koji dolaze kroz vanjsko kolo. Ova elektroda je katoda i na njoj se odvija proces redukcije Na+ kationa. Cl anioni se kreću prema pozitivnoj elektrodi i, donirajući elektrone anodi, oksidiraju. Proces elektrolize je vizualno prikazan dijagramom koji prikazuje disocijaciju elektrolita, smjer kretanja iona, procese na elektrodama i otpuštene tvari. . Shema elektrolize taline natrijevog klorida izgleda ovako:

NaCl = Na + + Cl

(-) Katoda: Na + Anoda (+): Cl

Na + + e - = Na 2Cl - 2eˉ = Cl 2

Rezime jednadžbe:

2Na + + 2Cl ELEKTROLIZA 2Na + Cl 2

ili u molekularnom obliku

2NaCl ELEKTROLIZA 2Na + Cl 2

Ova reakcija je redoks reakcija: proces oksidacije se odvija na anodi, a proces redukcije na katodi.

U procesima elektrolize rastvora elektrolita mogu učestvovati molekuli vode i dolazi do polarizacije elektroda.

Polarizacija i prenapon. Potencijali elektroda određeni u otopinama elektrolita u odsustvu električne struje u kolu nazivaju se ravnotežni potencijali (pod standardnim uvjetima - standardni potencijali elektrode). Prolaskom električne struje mijenjaju se potencijali elektroda . Promjena potencijala elektrode tokom prolaska struje naziva se polarizacija:

Dj \u003d j i - j p,

gdje je Dj - polarizacija;

j i je potencijal elektrode tokom prolaska struje;

j p je ravnotežni potencijal elektrode.

Kada je poznat uzrok promjene potencijala pri prolasku struje, umjesto pojma "polarizacija" koristite izraz "prenapon". To je također povezano s nekim specifičnim procesima, kao što je katodna evolucija vodonika (napon vodonika).

Za eksperimentalno određivanje polarizacije, gradi se krivulja ovisnosti potencijala elektrode o gustoći struje koja teče kroz elektrodu. Budući da elektrode mogu biti različite po površini, ovisno o površini elektrode na istom potencijalu, mogu postojati različite struje; stoga se struja obično odnosi na jediničnu površinu. Odnos struje I i površine elektrode S naziva se gustina struje I:

Grafička zavisnost potencijala od gustoće struje naziva se polarizaciona kriva(Sl. 10.3). Prolaskom struje mijenjaju se potencijali elektroda elektrolizera, tj. dolazi do polarizacije elektrode. Zbog katodne polarizacije (Dj k), katodni potencijal postaje negativniji, a zbog anodne polarizacije (Dj a), anodni potencijal postaje pozitivniji.

Redoslijed elektrodnih procesa u elektrolizi otopina elektrolita. Molekuli vode, ioni H+ i OH mogu učestvovati u procesima elektrolize rastvora elektrolita, zavisno od prirode medija. Prilikom određivanja proizvoda elektrolize vodenih otopina elektrolita, u najjednostavnijim slučajevima, može se voditi sljedećim razmatranjima:

1. Katodni procesi.

1.1. Na katodi se odvijaju procesi koje karakteriše najveći elektrodni potencijal, tj. prvo se redukuju najjači oksidanti.

1.2. Kationi metala sa standardnim elektrodnim potencijalom većim od vodonika (Cu 2+, Ag +, Hg 2+, Au 3+ i drugi niskoaktivni metalni katjoni) se gotovo potpuno redukuju na katodi tokom elektrolize:

Me n + + neˉ "Me.

1.3. Kationi metala, čiji je potencijal mnogo manji od potencijala vodonika (oni u „Redu napona“ od Li + do Al 3+ uključujući, tj. aktivni metalni katjoni), nisu reducirani na katodi, jer su molekuli vode reducirani. na katodi:

2H 2 O + 2eˉ ® H 2 + 2OH.

Elektrohemijsko oslobađanje vodika iz kiselih otopina događa se zbog pražnjenja vodikovih iona:

2N + + 2eˉ " N 2 .

1.4. Kationi metala koji imaju standardni elektrodni potencijal manji su od vodonika, ali više od aluminijuma (stoje u "redu napona" od Al 3+ do 2H + - metalni katjoni srednje aktivnosti), tokom elektrolize na katodi , oni se smanjuju istovremeno s molekulima vode:

Me n + + neˉ ® Me

2H 2 O + 2eˉ ® H 2 + 2OH.

U ovu grupu spadaju ioni Sn 2+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ itd. Upoređujući standardne potencijale ovih metalnih jona i vodonika, moglo bi se zaključiti da precipitacija metala pri katoda. Međutim, trebate uzeti u obzir:

· standardni potencijal vodonične elektrode odnosi se na n+ [H + ] 1 mol/l, tj. pH=0; sa povećanjem pH, potencijal vodonične elektrode se smanjuje, postaje negativniji ( ; vidi odeljak 10.3); istovremeno, potencijali metala u području gdje se njihovi nerastvorljivi hidroksidi ne talože ne zavise od pH;

polarizacija procesa redukcije vodika je veća od polarizacije pražnjenja metalnih jona ove grupe (ili drugim riječima, razvijanje vodika na katodi se događa s većim prenaponom u odnosu na prenapon pražnjenja mnogih metalnih jona ove grupe). grupa); primjer: polarizacijske krive katodnog oslobađanja vodonika i cinka (slika 10.4).

Kao što se može vidjeti iz ove slike, ravnotežni potencijal cink elektrode je manji od potencijala vodikove elektrode; pri niskim gustoćama struje, na katodi se oslobađa samo vodik. Ali prenapon vodika na elektrodi veći je od prenapona cinkove elektrode, stoga, s povećanjem gustoće struje, cink se također počinje oslobađati na elektrodi. Pri potencijalu φ 1 gustoće struje evolucije vodonika i cinka su iste, a kod potencijala φ 2, tj. cink se oslobađa uglavnom na elektrodi.

2.
anodni procesi.

2.1. Na anodi se najprije javljaju procesi koje karakterizira najmanji elektrodni potencijal, tj. jaka redukciona sredstva se prvo oksidiraju.

2.2. Obično se anode dijele na inertne (nerastvorljive) i aktivne (topive). Prvi su napravljeni od metala uglja, grafita, titana, platine, koji imaju značajan pozitivni elektrodni potencijal ili su prekriveni stabilnim zaštitnim filmom, koji služe samo kao provodnici elektrona. Drugi su od metala čiji su joni prisutni u rastvoru elektrolita - od bakra, cinka, srebra, nikla itd.

2.3. Na inertnoj anodi tijekom elektrolize vodenih otopina alkalija, kiselina koje sadrže kisik i njihovih soli, kao i HF i njegovih soli (fluorida), dolazi do elektrohemijske oksidacije hidroksidnih iona uz oslobađanje kisika. Ovisno o pH otopine, ovaj proces se odvija različito i može se zapisati različitim jednadžbama:

a) u kiseloj i neutralnoj sredini

2 H 2 O - 4eˉ \u003d O 2 + 4 H +;

b) u alkalnoj sredini

4OH - 4eˉ \u003d O 2 + 2H 2 O.

Oksidacijski potencijal hidroksidnih jona (potencijal kisikove elektrode) izračunava se pomoću jednadžbe (vidi odjeljak 10.3):

Anjoni koji sadrže kiseonik SO, SO, NO, CO, PO, itd. ili nisu u stanju oksidirati, ili se njihova oksidacija događa pri vrlo visokim potencijalima, na primjer: 2SO - 2eˉ \u003d S 2 O \u003d 2,01 V.

2.4. Tokom elektrolize vodenih rastvora anoksičnih kiselina i njihovih soli (osim HF i njegovih soli), njihovi anjoni se ispuštaju na inertnoj anodi.

Imajte na umu da je oslobađanje hlora (Cl 2) tokom elektrolize rastvora HCl i njegovih soli, oslobađanje broma (Br 2) tokom elektrolize rastvora HBr i njegovih soli u suprotnosti sa međusobnim položajem sistema.

2Cl - 2eˉ \u003d Cl 2 \u003d 1,356 V ili druge tvari prisutne u otopini ili na elektrodi, tada se elektroliza nastavlja s aktivnom anodom. Aktivna anoda se oksidira, rastvarajući: Me - neˉ ® Me n + .

strujni izlaz . Ako su potencijali dvije ili više elektrodnih reakcija jednaki, tada se te reakcije odvijaju na elektrodi istovremeno. U ovom slučaju, električna energija koja prolazi kroz elektrodu se troši u svim ovim reakcijama. Udio količine električne energije utrošene na transformaciju jedne od supstanci (Bj) naziva se strujni izlaz ove supstance:

(Bj) % = (Qj /Q) . stotinu,

gdje je Q j količina električne energije utrošene na transformaciju j-te supstance; Q je ukupna količina električne energije koja prolazi kroz elektrodu.

Na primjer, sa sl. 10.4 slijedi da trenutna efikasnost cinka raste sa povećanjem katodne polarizacije. Za ovaj primjer, visok prenapon vodika je pozitivna pojava. Kao rezultat toga, mangan, cink, hrom, željezo, kobalt, nikl i drugi metali mogu biti izolirani iz vodenih otopina na katodi.

Faradejev zakon. Teoretski odnos između količine propuštene struje i količine tvari oksidirane ili reducirane na elektrodi određen je Faradejevim zakonom, prema kojem masa elektrolita koji je prošao hemijsku transformaciju, kao i masa supstanci koje se oslobađaju na elektrodama, direktno su proporcionalne količini električne energije koja je prošla kroz elektrolit i molarnim masama ekvivalenata supstanci: m \u003d M e It / F,

gdje je m masa elektrolita podvrgnutog hemijskoj transformaciji,

ili masa tvari - produkata elektrolize, oslobođenih na elektrodama, g; M e je molarna masa ekvivalenta supstance, g/mol; I - jačina struje, A; t je trajanje elektrolize, s; F - Faradejev broj - 96480 C / mol.

Primjer 1 Kako se odvija elektroliza vodenog rastvora natrijum sulfata sa ugljeničnom (inertnom) anodom?

Na 2 SO 4 \u003d 2Na + + SO