Законы электролиза
С количественной стороны процесс электролиза был впервые изучен в тридцатых годах XIX века английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), который установил два закона электролиза:
1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества прошедшего через раствор или расплав электролита;
2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к образованию на электродах эквивалентных количеств разных веществ.
Для выделения при электролизе одного эквивалента вещества необходимо затратить 96500 кулонов. Величина 96500 Кл/моль называется постоянной Фарадея (F). Так при пропускании 96500 кулонов электричества через раствор CuCℓ2 на катоде выделяется один моль-эквивалента меди (31,77 г) и одновременно на аноде выделяется одна молярная масса эквивалента хлора (35,45 г).
Законы Фарадея можно выразить уравнением
m= МэIt/F = МэIt/96500 или V = VэIt/F = VэIt/96500,
где m(V) –масса (объем) окисленного или восстановленного вещества, г (дм3); Мэ (Vэ) - молярная масса (объем эквивалента), г/моль (дм3); I - сила тока, А; t - продолжительность электролиза, с.
Если It = 1 Кл, то масса выделившегося вещества составит Мэ/F = Е. Величина Е называется электрохимическим эквивалентом вещества окисляющегося или восстанавливающегося на электродах при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Масса эквивалента связана с электрохимическим эквивалентом Мэ = ЕF.
При практическом проведении электролиза расход тока превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Происходит это вследствие протекания тех или иных побочных процессов, поэтому в электрохимии используют понятие выход по току (η, % ). Выход по току отношение массы полученного веществ(mпракт) к массе, теоретически вычисленной (mтеoр)
η = (mпракт/mтеор)100%
Применение электролиза
Процессы электролиза получили широкое и разностороннее применение в промышленности:
1 . Электролизом расплавов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов получают Na, К, Са, Мg и др. Металлический алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия в расплавленном криолите 3NаF∙А1F3. Путем электролиза водного раствора поваренной соли получают едкий натр (каустическую соду) и хлор. Получение водорода, в больших количествах применяемого для синтеза NH3, НС1 и др., осуществляется электролизом H2O (используют не чистую воду, а растворы электролитов, ионы которых разряжаются труднее, чем Н+ и ОН-);
2. Электролитическое окисление в случае, если на аноде выделяются О2 и Сl2, используют для окисления и хлорирования находящихся в растворе веществ. Электролити-
ческое восстановление в случае, когда на катоде выделяется атомарный водород, часто применяется для гидрирования находящихся в растворе неорганических и органических веществ;
3. Гидроэлектрометаллургия – важная отрасль металлургии цветных металлов (Cu, Bi, Sb, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией;
4. Электролиз применяется для очистки и получения особо чистых материалов (рафинирование металлов). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Чаще всего этот процесс используется для получения электролитически чистой меди. Листы неочищенной (черновой) меди служат анодом. Процесс сводится к растворению анода и выделению чистой меди на катоде; электролит регенерируется и сохраняется в растворе.
5. Электролитическое покрытие менее благородного металла более благородным металлом (гальваностегия) широко используется для никелирования, хромирования, серебрения, меднения. Хромирование применяется для повышения коррозионной стойкости черных металлов, а также для увеличения твердости поверхностного слоя и сопротивления стиранию. Никелирование используется для изменения внешнего вида изделия. Цинкование и лужение - для защиты от коррозии. Меднение - для нанесения припоя и т.д. Гальваностегия осуществляется аналогично рафинированию меди. Покрываемое изделие служит катодом, покрывающий металл - анодом.
6. Гальванопластика - получение точных копий изделий с использованием электролиза. С ее помощью получают очень тонкослойные изделия для радиотехники и приборостроения. Например, на алюминиевую деталь сложной геометрической формы электролизом наносят слой меди нужной толщины. Затем алюминий растворяют в соляной кислоте или растворе щёлочи, с которыми медь не реагирует. Получают изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.
Электролиз нашел применение также для травления, оксидирования, полирования, заточки металлов и т.д.