Для початку спробуємо зрозуміти, що таке електроліз. Це хімічні реакції, що протікають під вплив електричного струму на електродах, які поміщені в розплав або розчин електроліту.

Деякі теоретичні поняття

Електролітом називають речовину, яка проводить струм. Електроди бувають двох видів. Катод являє собою заряджений негативно електрод, на ньому відбувається реакція відновлення.

Анодом називають позитивно заряджений електрод, де здійснюється відновлення.

Використання процесу

Електроліз розчинів використовується в різних галузях сучасної промисловості. У хімічній галузі з допомогою даного процесу отримують хлор, луги, перхлораты, хлорати, персульфаты, органічні речовини, перманганат калію, надсерную кислоту, фтор, кисень, водень, інші цінні продукти.

У кольоровій металургії електроліз розплавів застосовують для вилучення чистого металу з руд. Метали, які не можна виділяти з-за високого негативного потенціалу з водних розчинів, у кольоровій металургії одержують електролізом розплавів. Серед металів, які отримують шляхом електролізу так званих розплавлених середовищ, зазначимо магній, алюміній, уран, берилій, цирконій.

Електроліз використовують у машинобудуванні, електронній промисловості, радіотехніці, поліграфії, щоб наносити тонкі металеві покриття на вироби, захищаючи їх від корозії, збільшуючи зносостійкість, підвищуючи жароміцність.

Історична довідка

Що таке електроліз? Це одне з найважливіших напрямків в електрохімії. Зародилася наука на рубежі 18-19 століть. Саме в той період були проведені досліди італійським фізіологом Л. Гальвані і фізиком А. Вольт. В кінці 18 століття з’явилися перші хімічні джерела струму. На початку 20 століття електрохімія почала займатися вивченням електрохімічних процесів. Експериментальним шляхом було встановлено, що електричний струм, проходячи через водні розчини солей, викликає хімічні перетворення, що призводять до утворення нових сполук.

Розмірковуючи над тим, що таке електроліз, зазначимо, що він є складною сукупністю процесів: міграції іонів, дифузії, електрохімічних реакцій розряду іонів, вторинних хімічних реакцій продуктів електролізу один з одним.

Класифікація процесів

Говорячи про те, що таке електроліз, необхідно зупинитися на класифікації електролітичних процесів. Їх ділять на:

• одержання неорганічних сполук (хлору, кисню, водню);
• освіта металів (магнію, міді, алюмінію, калію, натрію, берилію, срібла, міді);
• отримання металевих і гальванічних покриттів;
• азотування, електрична полірування, борирование поверхні металу;
• нанесення за допомогою електрофорезу плівок;
• знесолення і електродіаліз води;
• виробництво різноманітних органічних речовин.

Експерименти з електролізом

Як скласти рівняння електролізу? Даний процес протікає в електролітах. Можна з’єднати з двома вугільними електродами проводи, які йдуть від освітлювальної мережі.

В один з них включити електричну лампу, яка стане підтвердженням присутності в ланцюзі електричного струму. Вільні кінці електродів можна розмістити у сухої кухонної солі або безводній сірчаної кислоті.

Лампа не горить, оскільки речовини не здатні проводити електричний струм, і ланцюг залишається розімкнутої. Аналогічний результат спостерігається і в тому випадку, коли електроди занурюються в склянку з дистильованою водою.

При розчиненні у воді невеликої кількості кухонної солі, луги, кислоти спостерігається яскраве свічення лампи.

При зануренні в розчин гліцерину або цукру електродів лампа також перестає світитися.

Даний експеримент, безумовно, підтверджує провідність солями, підставами, розчинами кислот електричного струму.

При проходженні електричного струму через розчини або розплави спостерігаються хімічні зміни, які виражаються у виділенні продуктів розкладання розчинника або розчиненої речовини.

Що собою являє процес у випадку з повареною сіллю

В ході експериментальних спостережень було відмічено, що електроліз водного розчину хлориду натрію приводить до утворення водню на катоді, виділенню газоподібного хлору на аноді. Як математично описати цей процес? Електроліз натрію хлористого відбувається в розплаві, призводить до появи на катоді чистого лужного металу, а на аноді – газоподібного хлору.

… і хлоридом магнію

Після проходження еклектичного струму через розплав хлориду магнію, спостерігається поява катіонів магнію і аніонів хлору.

На катоді спостерігається відновлення катіонів магнію до чистого металу, Аніони хлору, що прямують до анода, віддають електрони, відбувається процес окислення. Електроліз хлориду магнію можна записати сумарним рівнянням:

Mgcl 2 = Mg + Cl2

Особливості електролізу в розчинах

Важливо враховувати той факт, що, крім іонів електроліту, є також в розчині і продукти дисоціації води: катіони водню і аніони гідроксильної групи. Саме тому у катода можлива розрядка і катіона електроліту, і протона водню. У анода здійснюється розрядка гідроксильних іонів і аніонів електроліту.

Також молекули води можуть піддаватися електрохімічного відновлення або окислення.

При ретельному розгляді катодних процесів, які протікають в ході електролізу водного розчину, важливо враховувати величину потенціалу відновлення протонів водню. Він залежить від концентрації катіонів водню, має значення -0, 41 Ст.

Якщо в розчині електроліту присутній метал, у якого електродний потенціал має позитивне значення, отже, у катода в рамках електролізу буде спостерігатися його відновлення. Це твердження відноситься до тих металів, які в електрохімічному ряду напруг Бекетова розташовуються поблизу водню. При від’ємному значенні електродного потенціалу, ніж у катіонів водню, метал не буде відновлюватися на катоді. У таких випадках на цьому електроді накопичується водень.

При значенні потенціалу металу, подібному з показником -0,41, припустимо одночасне утворення на катоді як водню, так і чистого металу .

На характер катодного процесу у разі електролізу розчину солі (лугу) впливає розташування металу в ряду електрохімічних напруг металів Бекетова.

При аналізі процесів, що протікають на аноді, необхідно враховувати той факт, що можливо окислення матеріалу анода. Саме тому в електрохімії виділять інертний анод, а також електрод, який складається з активного анода.

Інертним є той анод, у якого в рамках протікає електролізу матеріал не піддається окисленню. Активним вважають анод, здатний окислюватися в ході електролізу.

Для інертних анодів вибирають платину, вугілля, графіт. Саме цей варіант розглядається в шкільному курсі хімії.

Типові приклади електролізу водних розчинів

Почнемо з особливостей протікання електролізу в розчині хлориду міді (2). Так як цей метал в електрохімічному ряду активності металів розташований правіше водню на катоді відбувається утворення металевої міді. В анодному просторі розряджаються хлорид-іони, утворюючи газоподібний хлор. Схему процесу представимо в наступному вигляді:

• Катод: Cu2+ 2e = Cu.
• Анод: 2Cl–2 e = Cl2.

Сумарне рівняння:

• CuCl2 = Cu+ Cl2.

Як виглядає електроліз водного розчину сульфату натрію? Так як натрій розташовується в ряду активності металів лівіше водню, то на катоді спостерігається утворення молекулярного водню. Крім того, в прикатодном просторі накопичуються гідроксид-іони.

У анода відбувається виділення газоподібного кисню, а поблизу даного електрода скупчуються гідроксид-іони.

Так як в розчині залишаються катіони натрію і сульфат-іони, дана частина розчину залишається електрично нейтральною. Схему такого електролізу можна представити в наступному вигляді:

• 2Na2SO4 + 6H2O = 4NaOH + 2H2SO4 + O2 + 2H2

Фактори, що впливають на процес електролізу

Результативність даної хімічної реакції оцінюється декількома факторами, серед яких можна відзначити: напругу, силу струму, вихід по струму, коефіцієнт корисної дії, витрата електричної енергії на одиницю об’єму продукту, щільність струму.

Сила струму характеризує продуктивність електролізера. І чим вона вища, тим більша кількість продукту утворюється на електродах.

Вихід за струмом дозволяє враховувати результативність застосування кількості електричного струму, пропущеного через електролізер.