31. Электролиз. Процессы, протекающие на аноде и катоде. Закон Фарадея

Электролиз — физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ - как простых (Электролиз в узком смысле слова), так и сложных (электросинтез)

Особенность Электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. Электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.

Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при Электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.

На катоде в результате Электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы.

Первый закон Фарадея

В 1832 году Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, прошедшему через электролит:

если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I.

Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Вывод закона Фарадея

(1)

(2)

(3)

(4)

• , где z - валентность атома вещества, e - заряд электрона (5)

Подставляя (2)-(5) в (1), получим

Второй закон Фарадея

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

где F — постоянная Фарадея.

32. Электролиз растворов с нерастворимыми электродами. Электролиз расплавов.

При электролизе раствора:

1. На катоде восстановливаются катионы металлов, которые находятся в ряду напряжений после алюминия. Вместо катионов более активных металлов восстанавливается водород. Он же выделяется совместно с металлами, которые находятся после алюминия, но до водорода.

2. На аноде окисляются анионы бескислородных кислот (кроме фтора).

Вместо анионов к ислород содержащих кислот окисляются ионы ОН:

4 ОН - 4е = Н2О + О2

Для получения высокоактивных металлов (натрия, алюминия, магния, кальция и др.), легко вступающих во взаимодействие с водой, применяют электролиз расплава солей или оксидов:

Если пропускать электрический ток через водный раствор активного металла и кислородсодержащей кислоты, то ни катионы металла, ни анионы кислотного остатка не разряжаются. На катоде выделяется водород, а на аноде — кислород, и электролиз сводится к электролитическому разложению воды.

Отметим наконец, что электролиз растворов электролитов проводить энергетически выгоднее, чем расплавов, так как электролиты — соли и щелочи — плавятся при очень высоких температурах.