Czym jest elektroliza? Anoda i katoda. Proces fizyko-chemiczny

Przez długi czas ludzie nie mogli otrzymać w czystej postaci wielu czystych substancji. Takie, na przykład, jak:

• Metale;
• Alkalis;
• Chlor;
• Wodór;
• Nadtlenek wodoru;
• Chloroorganiczne i inne.

Uzyskano je z dużą zawartością zanieczyszczeń, których nie można było wyrzucić, lub w ogóle nie zsyntetyzować. Ale połączenia są bardzo ważne dla przemysłu i życia codziennego. Ale wraz z odkryciem takiego procesu jak elektroliza, zadanie ogromnej skali zostało rozwiązane. Dziś jest używany nie tylko do syntezy, ale także dla wielu innych procesów.

Czym jest elektroliza? Jak to się dzieje, od którego etapów powstaje, co jest główną zaletą tej metody, spróbuj zrozumieć przebieg artykułu.

Czym jest elektroliza?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw należy zwrócić uwagę na terminologię i zrozumieć podstawowe pojęcia fizykochemiczne.

1. Prąd stały jest ukierunkowanym przepływem elektronów emitowanych z dowolnego źródła energii elektrycznej.
2. Elektrolit jest substancją, której rozwiązanie jest w stanie prowadzić prąd elektryczny.
3. Elektrody są płytami pewnych materiałów, połączonych ze sobą, które przechodzą przez siebie energię elektryczną (anoda i katoda).
4. Reakcja utleniania – redukcja jest procesem, w którym zmienia się stopień utleniania uczestników. Oznacza to, że niektóre jony utleniają i zwiększają wartość stopnia utleniania, podczas gdy inni, przeciwnie, są redukowane, obniżając je.

Po wyjaśnieniu wszystkich tych terminów można odpowiedzieć na pytanie, co to jest elektroliza. Ten proces utleniania-redukcji polega na przechodzeniu prądu stałego przez roztwór elektrolitu i kończącym się uwalnianiem różnych produktów na elektrodach.

Najprostsza instalacja, którą można nazwać komórką elektrolityczną, zawiera tylko kilka elementów:

• Dwie szklanki z elektrolitem;
• Bieżące źródło;
• Dwie elektrody połączone ze sobą.

W przemyśle wykorzystuje znacznie bardziej wyrafinowane zautomatyzowane projekty umożliwiające produkcję dużych ilości produktów – zbiorników elektrolitycznych.

Proces elektrolizy jest dosyć skomplikowany, stosuje się do kilku praw teoretycznych i postępuje zgodnie z ustalonymi procedurami i regułami. Aby prawidłowo przewidzieć jego rezultat, trzeba jasno zrozumieć wszystkie wzorce i możliwe warianty przejścia.

Teoretyczne podstawy procesu

Najważniejszymi podstawowymi kanonami, w których zachodzi elektroliza, są prawa Michaela Faradaya, znanego naukowca-fizyka, znanego z jego pracy w dziedzinie badania prądu elektrycznego i towarzyszących mu procesów.

W sumie istnieją dwie takie reguły, z których każda opisuje istotę procesów, które występują podczas elektrolizy.

Pierwsze prawo

Pierwsze prawo Faradaya, którego formuła jest napisane jako m = kI * Δt, brzmi następująco.

Masa substancji uwalnianej w elektrodzie jest wprost proporcjonalna do energii elektrycznej przechodzącej przez elektrolit.

Z wzoru widać, że m jest masą substancji, I jest aktualną siłą, a Δt to czas, w którym został przekroczony. Jest też wartość k, nazywana elektrochemicznym odpowiednikiem związku. Ta wartość zależy od natury samego związku. Liczbowo, k jest równe masie substancji, która jest uwalniana na elektrodzie, gdy jedna jednostka ładunku elektrycznego przechodzi przez elektrolit.

Druga zasada elektrolizy

Drugie prawo Faradaya, którego wzór ma m = M * I * Δt / n * F, brzmi następująco. Elektrochemiczny odpowiednik związku (k) jest wprost proporcjonalny do jego masy cząsteczkowej i odwrotnie proporcjonalny do wartościowości substancji.

Powyższa formuła jest wynikiem wyprowadzenia ze wszystkich połączonych. To odzwierciedla istotę drugiego prawa elektrolizy. M jest masą molową związku, I jest siłą prądu przechodzącą przez cały proces, Δt jest czasem całej elektrolizy, F jest stałą Faradaya, a n jest elektronami uczestniczącymi w procesie. Ich liczba jest równa obciążeniu jonu, który wziął udział w procesie.

Prawa Faradaya pomagają zrozumieć, czym jest elektroliza, a także obliczyć możliwą wydajność produktu w masie, przewidzieć niezbędny wynik i wpływać na przebieg procesu. Stanowią one podstawę teoretyczną rozważanych transformacji.

Koncepcja anody i jej typów

Elektrody są bardzo ważne w elektrolizie. Cały proces zależy od materiału, z którego są wykonane, od ich specyfiki i charakteru. W związku z tym rozważamy bardziej szczegółowo każdy z nich.

Elektroda anodowo – dodatnia. Oznacza to, że łączy się biegun "+" źródła zasilania. Odpowiednio do tego z roztworu jonów ujemnych elektrolitu lub anionów będzie się przemieszczać. Olejeją się tutaj, uzyskują wyższy stopień utleniania.

Dlatego możesz wyobrazić sobie mały schemat, który pomoże zapamiętać procesy anodowe: anoda "plus" – aniony – utlenianie. Istnieją dwa główne typy tej elektrody, w zależności od tego, jaki będzie ten produkt.

1. Nierozpuszczalna lub inertna anoda. Elektrodę stosuje się w tym typie, która służy jedynie do przenoszenia elektronów i procesów utleniania, ale sama nie jest zużyta i nie rozpuszcza się. Takie anody są wykonane z grafitu, irydu, platyny, węgla i tak dalej. Stosując takie elektrody możliwe jest otrzymanie metali w czystej postaci, gazach (tlen, wodór, chlor itp.).
2. Rozpuszczalna anoda. W procesach utleniania rozpuszcza się i wpływa na wynik całej elektrolizy. Głównymi materiałami, z których wykonane są elektrody są nikiel, miedź, kadm, ołów, cynk, cynk i inne. Stosowanie takich anod jest konieczne w procesach elektrofiltru metali, elektroformowania, nanoszenia powłok ochronnych przed korozją, i tak dalej.

Istota wszystkich procesów zachodzących na dodatniej elektrodzie jest ograniczona do wydzielania jonów elektrolitycznych w odniesieniu do wartości potencjału. Ivot dlaczego to są aniony kwasów anoksyktycznych i jonów wodorotlenkowych, a następnie wody, jeśli chodzi o rozwiązanie. Aniony zawierające tlen w wodnym roztworze elektrolitu generalnie nie odprowadzają do anody, ponieważ woda robi to szybciej, uwalnia tlenu.

Katoda i jej właściwości

Katoda jest ujemnie naładowaną elektrodą (ze względu na gromadzenie się elektronów na niej poprzez przepływ prądu elektrycznego). Dlatego pozytywne jony-kationy, które ulegają odbudowie – przemieszczają się w stronę, czyli obniżają stan utleniania.

Tutaj, w celu zapamiętania, odpowiedni jest również następujący schemat: katoda "minus" – przywrócenie kationów. Materiał katody może być:

• Stal nierdzewna;
• Miedź;
• Węgiel;
• Mosiądz;
• Żelazo;
• Aluminium i inne.

To właśnie na tej elektodzie metale są redukowane do czystych substancji, co jest jednym z głównych sposobów ich uzyskania w przemyśle. Możliwe jest również przeniesienie elektronów z anody do katody, a jeśli pierwszy jest rozpuszczalny, jony jej są przywracane do ujemnej elektrody. Tutaj kationy wodoru są redukowane do gazu H2. Dlatego katoda jest jedną z najważniejszych części ogólnego schematu procesu elektrolizy substancji.

Elektroliza stopów

Z punktu widzenia chemii rozważany proces ma własne równanie. Za jego pomocą można narysować cały projekt na papierze i przewidzieć wynik. Co najważniejsze, należy zwrócić uwagę na: – obecność lub brak medium wodnego oraz rodzaj anody (rozpuszczalnej, czy nie).

Jeśli konieczne jest wytwarzanie następujących produktów: metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, zasad, aluminium, berylu, gazów z anionów zawierających tlen, wówczas nie może mówić o elektrolizie roztworu elektrolitu. Tylko stop, ponieważ w przeciwnym razie wymagane połączenia nie będą działać. Dlatego często przemysł syntetyzuje wymienione substancje, stosując bezwodne suche sole i wodorotlenki.

Ogólnie rzecz biorąc, równanie elektrolitycznej stopu wydaje się dość proste i standardowe. Na przykład, jeśli rozważasz i napiszesz jodek potasu, formularz będzie wyglądał następująco:

KI = K ⁺ + I ^–

Katoda (K) "-": K ⁺ + 1e = K0

Anoda (A) "+": 2I ^– – 2e = I2 ⁰

Rezultatem tego procesu jest: KI = K + I _2.

Podobnie, elektroliza dowolnego metalu będzie rejestrowana, niezależnie od wartości jego potencjału elektrodowego.

Elektroliza roztworu wodnego

Jeśli mówimy o rozwiązaniach elektrolitów, wynik procesu będzie zupełnie inny. W końcu woda staje się aktywnym uczestnikiem. Jest również zdolny do dysocjacji jonów i wyładowywania na elektrodach. Dlatego też, w takich przypadkach, potencjał elektrod jonów ma duże znaczenie. Im niższa jego wartość ujemna, tym większe prawdopodobieństwo szybszego utleniania lub redukcji.

Elektroliza wodnego roztworu podlega kilku zasadom, które należy pamiętać.

1. Procesy anodowe: Występują tylko aniony kwasów nietoksycznych (z wyjątkiem fluorowęglowodorów). Jeśli jon jest jonem zawierającym tlen lub fluorkiem, woda zostanie utleniona wraz z uwalnianiem tlenu.
2. Procesy katodowe: metale w elektrochemicznym zakresie naprężeń (do i włącznie z aluminium) na katodzie nie są przywracane ze względu na dużą aktywność chemiczną. To powoduje, że woda uwalnia wodór. Metale z aluminium do wodoru są redukowane jednocześnie z wodą do substancji prostych. Te same, które stoją po wodorze w szeregu naprężeń (niskoaktywnych), łatwo ulegają przywróceniu do prostych substancji.

Jeśli zastosujesz się do tych zasad, możesz wyobrazić sobie elektrolizę i obliczyć wydajność produktu. W przypadku anody rozpuszczalnej obwód zmienia się i staje się znacznie bardziej złożony.

Elektroliza soli

Procesy te są wykorzystywane do produkcji czystych metali i gazów, ponieważ są one technologicznie proste i ekonomicznie opłacalne. Ponadto, produkty są wysoce czyste, co jest ważne.

Na przykład, elektroliza miedzi pozwala szybko uzyskać ją w czystej postaci z roztworu dowolnej soli. Najczęściej _{stosuje się} siarczan miedzi lub siarczan miedzi (II) – CuSO4.

Zarówno ze stopu, jak iz roztworu tej soli możliwe jest wyodrębnienie czystego metalu, co jest konieczne w niemal wszystkich gałęziach przemysłu elektrotechnicznego i metalurgii.

Znaczenie i zastosowanie procesu

Elektroliza jest bardzo ważnym procesem. Na jego podstawie są to niezbędne czynności techniczne, takie jak:

1. Obróbka metali.
2. Elektroodkrystalizacja.
3. Galwanotechnika.
4. Elektrosynteza.
5. Zastosowanie powłok antykorozyjnych i innych.