Що таке електроліз? Анод і катод. Фізико-хімічний процес

Довгий час людям не вдавалося отримувати багато чисті речовини у вільному вигляді. Такі, наприклад, як:

метали;
луги;
хлор;
водень;
перекис водню;
хлорорганика та інші.

Їх отримували або з великим вмістом домішок, від яких неможливо було позбутися, або не синтезували зовсім. Але ж з`єднання дуже важливі для використання в промисловості та побуті. Але з відкриттям такого процесу, як електроліз, завдання величезного масштабу була вирішена. Сьогодні він застосовується не тільки для синтезу, але і для багатьох інших процесів.

Що таке електроліз? Як він відбувається, з яких етапів складається, в чому полягає основна перевага даного методу, спробуємо розібратися в ході статті.

Що таке електроліз?

Щоб відповісти на це питання, слід спочатку звернутися до термінології і усвідомити деякі основні фізико-хімічні поняття.

Постійний струм - це спрямований потік електронів, що виходить від будь-якого джерела електрики.
Електроліт - речовина, розчин якого здатний проводити електричний струм.
Електроди - пластинки з певних матеріалів, з`єднані між собою, які пропускають електрику через себе (Анод і катод).
Окислювально-відновна реакція - це процес, при якому відбувається зміна ступенів окислення учасників. Тобто одні іони окислюються і підвищують значення ступеня окислення, інші, навпаки, відновлюються, знижуючи її.

З`ясувавши всі ці терміни, можна відповісти на питання про те, що таке електроліз. Це окислювально-відновний процес, що полягає в пропущенні постійного струму через розчин електроліту і завершується виділенням різних продуктів на електродах.

Найпростіша установка, яку можна назвати електролізером, включає в себе лише кілька компонентів:

дві склянки з електролітом;
джерело струму;
два електроди, з`єднаних між собою.

У промисловості використовує набагато більш складні автоматизовані конструкції, що дозволяють отримувати великі маси продуктів - електролізних ванни.

Процес електролізу досить складний, підпорядковується кільком теоретичним законам і протікає по встановленим порядків і правил. Щоб правильно передбачити його результат, необхідно чітко засвоїти все закономірності і можливі варіанти проходження.

Теоретичні основи процесу

Найголовніші основоположні канони, на яких тримається електроліз, - закони Майкла Фарадея - знаменитого вченого-фізика, відомого своїми роботами в області вивчення електричного струму і всіх супроводжуючих його процесів.

Всього таких правил два, кожне з яких описує суть що відбуваються при електролізі процесів.

перший закон

перший закон Фарадея, формула якого записується як m = kI *&Delta-t, звучить наступним чином.

Маса речовини, що виділяється на електроді, прямо пропорційна тому електрики, яке пройшло через електроліт.

З формули видно, що m - це маса речовини, I - сила струму, &Delta-t - час, протягом якого він пропускався. Також є значення k, яке називається електрохімічним еквівалентом з`єднання. Ця величина залежить від природи самого з`єднання. Чисельно k одно масі речовини, яка виділяється на електроді при пропущенні через електроліт однієї одиниці електричного заряду.

Відео: ЕЛЕКТРОЛІЗ! ЯК ВИРІШУВАТИ ЄДІ з хімії 2015! Завдання 29: Електроліз. TheRobertMars

Друге правило електролізу

Другий закон Фарадея, формула якого - m = M * I *&Delta-t / n * F, звучить наступним чином. Електрохімічний еквівалент сполуки (k) прямо пропорційний його молярніймасі і обернено пропорційний валентності речовини.

Наведена формула є результатом виведення з усіх об`єднаних. Вона відображає суть другого закону електролізу. М - молярна маса сполуки, I - сила струму, пропущеного за весь процес, &Delta-t - час усього електролізу, F - постійна Фарадея, n - електрони, які брали участь в процесі. Їх число дорівнює заряду іона, який брав участь в процесі.

Закони Фарадея допомагають зрозуміти, що таке електроліз, а також розрахувати можливий вихід продукту за масою, спрогнозувати необхідний результат і вплинути на хід процесу. Вони і складають теоретичну основу розглянутих перетворень.

Поняття про аноді і його типи

Дуже важливе значення в електролізі мають електроди. Весь процес залежить від матеріалу, з якого вони виготовлені, від їх специфічних властивостей і характеру. Тому розглянемо більш детально кожен з них.

Анод - плюс, або позитивний електрод. Тобто такий, який приєднується до "+" полюса джерела живлення. Відповідно, до нього з розчину електроліту рухатимуться негативні іони або аніони. Вони будуть окислюватися тут, набуваючи більш високу ступінь окислення.

Тому можна зобразити невелику схему, яка допоможе запам`ятати анодні процеси: анод "плюс" - Аніони - окислення. При цьому існує два основних типи цього електрода, в залежності від яких, буде виходити той чи інший продукт.

Нерозчинний, або інертний анод. До такого типу відносять електрод, який служить лише для передачі електронів і процесів окислення, однак сам він при цьому не витрачається і не розчиняється. Такими анодами є виготовлені з графіту, іридію, платини, вугілля і так далі. Використовуючи такі електроди, можна отримувати метали в чистому вигляді, гази (кисень, водень, хлор і так далі).
Розчинна анод. При окисних процесах він сам розчиняється і впливає на результат усього електролізу. Основні матеріали, з яких виготовляються подібного типу електроди: нікель, мідь, кадмій, свинець, олово, цинк та інші. Використання таких анодів необхідно для процесів електрорафінування металів, гальванопластики, нанесення захисних покриттів від корозії і так далі.

Суть всіх процесів, що відбуваються на позитивних пластинах зводиться до того, щоб розрядилися найбільш електронегативний за значенням потенціалу іони. Івото чому це роблять аніони безкисневих кислот і гідроксид-іон, а потім вода, якщо мова йде про розчині. Кисневовмісні аніони у водному розчині електроліту взагалі на аноді нерозряджаються, так як вода робить це швидше, вивільняючи кисень.

Катод і його характеристика

Катод - це негативно заряджений електрод (за рахунок скупчення на ньому електронів при пропущенні електричного струму). Саме тому до нього рухаються позитивно заряджені іони - катіони, які зазнають відновлення, тобто знижують ступінь окислення.

Тут для запам`ятовування також доречна схема: катод "мінус" - Катіон - відновлення. Як матеріал для катода можуть служити:

нержавейка;
мідь;
вуглець;
латунь;
залізо;
алюміній та інші.

Саме на цьому електроді відбувається відновлення металів до чистих речовин, що є одним з основних способів отримання їх в промисловості. Також можливий перехід електронів від анода до катода, а якщо перший - розчинний, то його іони відновлюються на негативному електроді. Тут же відбувається відновлення катіонів водню до газу Н₂. Тому катод - це одна з найважливіших частин в загальній схемі процесу електролізу речовин.

електроліз розплавів

З точки зору хімії розглянутий процес має своє рівняння. За допомогою нього можна зобразити всю схему на папері і передбачити результат. Найголовніше, на що слід звертати увагу, - наявність або відсутність водного середовища і тип анода (розчинний чи ні).

Якщо необхідно отримання наступних продуктів: лужних і лужноземельних металів, лугів, алюмінію, берилію, гази з кисневмісних аніонів, тоді не може йти мова про електролізі розчину електроліту. Тільки розплав, бо інакше необхідних з`єднань не вийде. Саме тому часто в промисловості синтезують перераховані речовини, використовуючи їх безводні сухі солі та гідроксиди.

В цілому рівняння електролізу розплаву виглядає досить просто і стандартно. Наприклад, якщо розглянути і записати його для йодиду калію, то вигляд буде наступний:

Відео: ЄДІ ХІМІЯ 2016 Завдання 29 Електроліз Розчини Правила на катоді і аноді СОЛІ Частина 3 відео урок

KI = K⁺ + I^-

Катод (К) "-": До⁺ + 1е = К⁰

Анод (А) "+": 2I^- - 2e = I₂⁰

Підсумок процесу: KI = K + I_2.

Точно так же буде записуватися електроліз будь-якого металу, незалежно від значення його електродного потенціалу.

Електроліз водного розчину

Якщо мова йде про розчинах електролітів, то результат процесу буде зовсім інший. Адже вода стає активним учасником. Вона здатна також диссоциировать на іони і розряджатися у електродів. Тому в подібних випадках важливе значення має електродний потенціал іонів. Чим його від`ємне значення нижче, тим більше вірогідність швидшого окислення або відновлення.

Електроліз водного розчину підпорядковується декільком правилам, які слід запам`ятати.

Анодні процеси: розряджаються тільки аніони безкисневих кислот (крім фтороводородной). Якщо іон кисневмісний або фторид-іон, то окислюватися буде вода з вивільненням кисню.
Катодні процеси: метали в електрохімічному ряді напруг (до алюмінію включно) на катоді не відновлюються внаслідок високої хімічної активності. Це робить вода з вивільненням водню. Метали від алюмінію до водню відновлюються одночасно з водою до простих речовин. Ті ж, що стоять після водню в ряду напруг (малоактивні), легко піддаються відновленню до простих речовин.

Відео: Електроліз і його промислове приминение

Якщо слідувати цим правилам, то можна зобразити будь-який електроліз і прорахувати вихід продукту. У випадку з розчинною анодом схема змінюється і стає набагато складнішою.

електроліз солей

Дані процеси використовують для отримання чистих металів і газів, так як це технологічно просто і економічно вигідно. До того ж продукти виходять з великою часткою чистоти, що важливо.

Наприклад, електроліз міді дозволяє швидко отримувати її в чистому вигляді з розчину будь солі. Найчастіше використовується мідний купорос або сульфат міді (II) - CuSO₄.

Як з розплаву, так і з розчину даної солі можна витягти чистий метал, який так необхідний практично у всіх галузях електротехніки та метало будівництва.