Электролиз — электрохимический процесс¶
Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании постоянного электрического тока через электролит (расплав или раствор соли, кислоты, щёлочи). Под действием тока на электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита, что позволяет разлагать соединения на составляющие элементы и получать новые вещества.
¶Принцип действия
При подключении источника постоянного тока к электродам, погружённым в электролит, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду (отрицательному электроду), а отрицательно заряженные (анионы) — к аноду (положительному электроду). На электродах происходит обмен электронами:
- На катоде ионы восстанавливаются, присоединяя электроны: $M^{n+} + ne^- → M^0$.
- На аноде ионы окисляются, отдавая электроны: $X^{n-} → X^0 + ne^-$.
В итоге на катоде выделяется металл или водород, на аноде — галоген, кислород или другой неметалл. Процесс продолжается до тех пор, пока подаётся электрический ток; при отключении тока электролиз прекращается.
¶Электролиз расплавов
При электролизе расплавов солей в качестве электролитов выступают расплавленные соединения, например хлорид натрия, хлорид магния, фторид алюминия. Такой процесс требует высоких температур, поскольку расплавление солей происходит при существенных значениях.
Пример — электролиз расплава хлорида натрия:
- На катоде восстанавливается натрий: $Na^+ + e^- → Na$.
- На аноде окисляется хлорид-ион: $2Cl^- → Cl_2 + 2e^-$.
Общий результат: $2NaCl → 2Na + Cl_2$. Металлический натрий и хлор получают именно этим способом в промышленных масштабах.
¶Электролиз растворов
При электролизе растворов электролитов в роли дополнительных реагентов выступает вода, которая может восстанавливаться на катоде вместо катионов металла или окисляться на аноде вместо анионов.
Электролиз разбавленного раствора серной кислоты приводит к разложению воды на водород и кислород:
- На катоде: $2H^+ + 2e^- → H_2$.
- На аноде: $2H_2O → O_2 + 4H^+ + 4e^-$.
Электролиз раствора хлорида натрия (электролиз солёной воды) даёт на аноде хлор, на катоде — водород, а в растворе накапливается гидроксид натрия. Этот промышленный метод известен как хлор-щелочной электролиз.
При электролизе растворов солей металлов, стоящих в ряду активности до водорода (например, $CuSO_4$), на катоде восстанавливается металл, а на аноде выделяется кислород. Если металл стоит после водорода (например, $AgNO_3$), на катоде также осаждается металл.
¶Основные законы электролиза
Количественные закономерности электролиза сформулированы в законах, открытых Михаилом Фарадеем в 1833 году:
- Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна количеству прошедшего через электролит электрического заряда.
- Второй закон Фарадея: для одинаковых количеств заряда массы различных веществ, выделившихся на электродах, пропорциональны их эквивалентным массам (отношение атомной массы к валентности).
Формулировка второго закона: $m = \frac{M \cdot I \cdot t}{n \cdot F}$, где $m$ — масса выделившегося вещества, $M$ — молярная масса, $I$ — сила тока, $t$ — время, $n$ — число электронов, участвующих в восстановлении одного иона, $F$ — постоянная Фарадея (96 485 Кл/моль).
¶Применение
Электролиз находит широкое промышленное применение:
- Получение металлов: алюминия (электролиз расплава $Al_2O_3$ в криолите), натрия, магния, лития, кальция.
- Производство химических веществ: хлора, щелочей (NaOH), фтора, перманганата калия, перхлората натрия.
- Гальваностегия — нанесение тонких слоёв металлов на поверхности (хромирование, никелирование, серебрение, золочение) для защиты от коррозии и декоративных целей.
- Гальванопластика — получение точных металлических копий с форм (печатные платы, ювелирные изделия).
- Очистка металлов: рафинирование меди электролизом, при котором примеси остаются в растворе или оседают на дне.
- Анодирование — формирование оксидной плёнки на поверхности алюминия для защиты и декорирования.
¶История
Явление электролиза было открыто в 1800 году вскоре после изобретения вольтова столба. В том же году Уильям Николсон и Энтони Карлайл разложили воду электрическим током. В 1807 году Ханс Кристиан Эрстед получил калий и натрий электролизом их расплавов, а в 1808 году Хамфри Дэви выделил кальций, барий, стронций, магний и бор. Основополагающие количественные законы электролиза сформулировал Майкл Фарадей в 1833 году.
Электролиз является одним из базовых процессов электрохимии и важнейшей промышленной технологией, обеспечивающей производство ряда металлов и химических продуктов.
¶Источники
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы.
- Глинка Н. Л. Общая химия.
- Реми Г. Курс общей химии.
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона.