Меню

Использование электрического тока в электролитах

Использование электрического тока в электролитах

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза (рис.9.10).

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Первый закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

m = kq = kIt,

где kэлектрохимический эквивалент вещества:

F = eNA = 96485 Кл / моль. – постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея электрохимические эквиваленты различных веществ относятся их химические эквиваленты :

Объединенный закон Фарадея для электролиза:

Электролитические процессы классифицируются следующим образом:

получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.);

получение металлов (литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.);

очистка металлов (медь, серебро,…);

получение металлических сплавов;

получение гальванических покрытий;

обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка);

получение органических веществ;

электродиализ и обессоливание воды;

нанесение пленок при помощи электрофореза.

Практическое применение электролиза

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами – процесс электрорафинирования или с нерастворимыми – процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах. В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки.

Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3 (рис.9.11). При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.

На рисунке 9.11 приведена схема электролитического рафинирования меди.

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегиюи гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера (рис. 9.12).

Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

Рис. 9.12 Рис. 9.13

Рекомендуем просмотреть демонстрацию «Гальванопластика».

Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами (рис. 9.13).

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного» слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Источник



Электрический ток в электролитах

Электролиты – это проводящие среды, в которых протекает электрический ток, сопровождающийся переносом вещества.

Какие вещества являются электролитами. Электролиз

Положительно и отрицательно заряженные ионы являются носителями свободных зарядов в электролитах. Соединения металлов в расплавленном состоянии, некоторые твердые вещества относят к электролитам. Основными их представителями являются водные растворы неорганических кислот, солей, оснований. Их широко применяют в технике.

При прохождении электрического тока через электролит происходит одновременное выделение веществ на электродах. Данное явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах рассматривается как перемещение ионов с обоими знаками в противоположных направлениях.

Движение положительных ионов направлено к отрицательному электроду (катоду), а отрицательных – к положительному электроду (аноду). Появление ионов с противоположными знаками в водных растворах солей, кислот, щелочей является следствием расщепления нейтральных молекул. Явление получило название электролитической диссоциации.

Читайте также:  Распространение тока по земле

При диссоциации в водном растворе хлорида меди CuCl 2 на ионы меди и хлора получаем выражение:

CuCl 2 ⇄ Cu 2 + + 2 Cl — .

Рисунок 1 . 15 . 1 показывает принцип упорядоченного движения положительных ионов меди к катоду, а отрицательных ионов хлора – к аноду вследствие подключения электродов к источнику тока при действии электрического поля на эти ионы.

После достижения катода ионы меди нейтрализуются избыточным количеством его электронов и переходят в состояние нейтральных атомов, оседающих на катоде. Ионы хлора, добравшись к аноду, отдают по одному электрону. После чего происходит соединение попарно нейтральных атомов хлора для образования молекулы хлора Cl 2 . Его наличие обусловлено выделением пузырьков на аноде.

Многие реакции электролиза сопровождаются вторичными реакциями продуктов разложения, которые выделяются на электродах, с его материалом или растворителями.

Примером может служить электролиз раствора сульфата меди (медного купороса) CuSO 4 при опущенных в электролит электродов, изготовленных их меди.

Диссоциация молекул сульфата меди идет согласно формуле:

CuSO 4 ⇄ Cu 2 + + SO 4 2 — .

Нейтральные атомы меди оседают в виде твердого осадка на катоде. Таким образом получается химически чистая медь. При отдаче ионом SO 4 2 — двух электронов аноду становится нейтральным радикалом SO 4 , который вступает во вторичную реакцию с медным анодом:

SO 4 + Cu = CuSO 4 .

Получившаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Это показывает прохождение электрического тока через водный раствор сульфата меди для растворения медного анода и оседания меди на катоде. Концентрация данного раствора не меняется.

Рисунок 1 . 15 . 1 . Электролиз водного раствора хлорида меди.

Закон электролиза

В 1833 году М. Фарадеем был установлен закон электролиза.

Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, которые выделяются во время электролиза на электродах. Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:

m = k Q = k I t , где k является электрохимическим эквивалентом.

Масса вещества, выделившегося на электроде, равняется массе всех ионов, пришедших к электроду, и запишется n = m 0 N = m 0 Q q 0 = m 0 q 0 I t .

Значения m 0 и q 0 являются массой и зарядом одного иона соответственно, а N = Q q 0 — числом ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит с зарядом Q . Отсюда следует, что электрохимический эквивалент k равняется отношению массы m 0 иона данного вещества к его заряду q 0 .

Заряд иона является произведением валентности вещества n на элементарный заряд e ( q 0 = n e ) , тогда запись выражения для k примет вид

k = m 0 q 0 = m 0 N А n e N А = 1 F M n .

Значение N А является постоянной Авогадро, M = m 0 N А — молярной массой вещества, F = e N А — постоянной Фарадея.

F = e N А = 96485 К л / м о л ь .

Постоянная Фарадея численно равняется заряду, который следует пропустить через электролит, для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Запись закона Фарадея для электролиза имеет вид

Явление электролиза широко применимо в современном промышленном производстве.

Источник

Электрический ток в электролитах

Передача электричества

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.

Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:

  • слабые электролиты, распадающиеся частично или не распадающиеся вообще;
  • сильные электролиты, быстро распадающиеся на ионы.

К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.

Процесс электролитической диссоциации

Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.

Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:

  • катионы – положительно заряженные частицы;
  • анионы – отрицательно заряженные частицы.

Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.

Электроды

Рис. 2. Электроды.

Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.

Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.

Закон Фарадея

Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

Майкл Фарадей

Рис. 3. Майкл Фарадей.

  • m – масса вещества;
  • Q – заряд;
  • k – электрохимический эквивалент;
  • I – сила тока;
  • t – время действия тока.

Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

  • m – масса выделившегося вещества;
  • k – электрохимический эквивалент;
  • M – молярная масса;
  • z – валентность вещества.

Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

Что мы узнали?

Электрический ток в электролитах передают ионы, образовавшиеся в результате электролитической диссоциации. Положительно заряженные ионы – катионы – движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду. Отрицательно заряженные анионы устремятся к положительно заряженному электроду – аноду. Достигнув электрода, ионы нейтрализуются, превращаясь в атомы вещества, и оседают на электродах. Это явление было изучено Майклом Фарадеем и получило название электролиза.

Читайте также:  Электрический ток в проводниках образован движением

Источник

Электрический ток в электролитах — механизм возникновения, законы и применение

Процесс электролитической диссоциации Электрический ток в электролитах Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

Передача электричества

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.

Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:

  • слабые электролиты, распадающиеся частично или не распадающиеся вообще;
  • сильные электролиты, быстро распадающиеся на ионы.

К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.

Процесс электролитической диссоциации

Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.

Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:

  • катионы – положительно заряженные частицы;
  • анионы – отрицательно заряженные частицы.

Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.

Электроды

Рис. 2. Электроды.

Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.

Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.

Передача электротока Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

Электрическая диссоциация

Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:

Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

  • Анионы. Имеют отрицательный заряд.
  • Катионы. Обладают положительным зарядом.

Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных близко друг к другу. При этом их заряды противоположны по знаку, но одинаковы по модулю. Свойство полярности H2O объясняется геометрическим строением молекул вещества:

  • угол между центральными линиями атомов равен примерно 104,5 градуса;
  • электронны смещены в направлении кислорода.
  • Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.

    Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.

    Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:

    • катионы направятся к катоду;
    • анионы начинают двигаться в направлении анода.

    Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.

    Закон Фарадея

    Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

    Майкл Фарадей

    Рис. 3. Майкл Фарадей.

    • m – масса вещества;
    • Q – заряд;
    • k – электрохимический эквивалент;
    • I – сила тока;
    • t – время действия тока.

    Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

    • m – масса выделившегося вещества;
    • k – электрохимический эквивалент;
    • M – молярная масса;
    • z – валентность вещества.

    Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

    Электролиз с переменным током. Вступление

    Как происходит электролиз? Например, представим себе раствор хлорида меди, в который опущено два графитовых (инертных) электрода. Напряжение — обычно 4-12 В, ток, разумеется, постоянный.

    На положительном электроде (анод) будут окисляться анионы хлора с выделением газообразного хлора (Cl2), на отрицательном электроде (катод) будут восстанавливаться катионы меди и выделяться металлическая медь (часто — в виде губки, чтобы получилось прочное покрытие нужно следить за плотностью тока на катоде).

    А что будет, если к электродам подключить переменный ток, например, частотой 50 Гц? Т.е., чтобы каждый электрод становился, то катодом, то анодом и так 50 раз в секунду. Большинство людей, столкнувшись с этим вопросом, отвечали, что электролиза не будет. Некоторые были настолько не согласны с возможностью протекания электролиза с переменным током, что выходили за рамки приличного поведения. — Как будто это была неслыханная ересь.

    Читайте также:  Особенности цепей переменного тока реферат

    Как впервые ответил на этот вопрос я сам? Увы, не пришлось: сначала я столкнулся с растворением родия под действием переменного тока, и только потом задался вопросом, как такое возможно?

    Родий, в отличие от золота, платины и палладия, не растворяется даже в царской водке. Перевести его в раствор — проблема. Тем не менее, растворять родий приходится, например, с целью приготовления электролита для получения родиевого покрытия.

    Решение оказалось простым. Два родиевых электрода опускают в раствор соляной или серной кислоты и подключают через ЛАТР переменный ток от сети (50 Гц), напряжение — около 10 В. Родиевые электроды постепенно растворяются, раствор окрашивается в темно-вишневый (или коричневый) цвет: мы имеем дело с электролизом с неинертным (растворимым) анодом.

    Почему родий переходит из электродов в раствор — понятно: происходит анодное растворение, но почему катионы родия не осаждаются из раствора назад на электроды (в тот момент, когда электрод играет роль катода)?

    Именно этот вопрос я задал сотруднику, который много лет занимался анодным растворением родия с помощью электрического тока. Оказывается, растворение родия с электродов и обратное его осаждение на электроды из раствора происходит с разной скоростью (растворение идет быстрее): благодаря этому в растворе и накапливается родий.

    В разбавленной соляной кислоте родий растворяется быстрее, чем в разбавленной серной кислоте (анодное растворение переменным током), но для приготовления электролита родирования нужен именно сульфат. Если вы получите хлорид родия, его придется переводить в сульфат через промежуточное осаждение гидроксида. Лично я занимался анодным растворением родия в бромистоводородной кислоте — в ней родий растворялся еще медленнее, чем в серной, но для синтезов был нужен именно гидратированный бромид родия.

    В сказанном выше нет ничего оригинального: упомянутая методика приготовления электролита для родирования изложена в ОСТ-107 460092 001 — 96 [1] (издание официальное). Проблема была в том, что оно было под грифом «ДСП» [2] т.е. секретно. Благодаря этому некоторые не совсем порядочные сотрудники держали методику в секрете, якобы как личное ноу-хау, и зарабатывали тем, что готовили электролит за деньги (хотя заказчики (Запорожье), если бы у них была методика, легко справились бы с этим сами).

    Но времена меняются: появились сканеры и появился интернет. Поэтому отсканировал ОСТ и выложил для всех.

    Выше упомянут случай электрохимического растворения родия с переменным током, который, кстати, применим и для других благородных металлов. Но в промышленности и лабораторной практике переменный и импульсный ток используется также для осаждения металлов, например, с целью получения гальванических покрытий или мелкодисперсных порошков металлов. Применяться может, как симметричный (синусоида), так и ассиметричный переменный ток.

    Протекание электролиза с переменным током зависит от частоты, напряжения, силы тока и от ряда других факторов. При частоте в десятки, сотни и тысячи герц ионы успевают дойти до электродов и там разрядиться. Если частота поднимается до миллионов герц (МГц), разрядка ионов прекращается, т.к. ионы не успевают достигнуть электродов и разрядиться.

    Большое значение имеет химическая природа системы, на которую действует электрический ток (состав электролита и материал электродов). Забегая наперед, скажу: часто все совсем не так, как с постоянным током. Кроме того, в некоторых случаях поверхность электрода может играть роль выпрямителя, превращая симметричный переменный ток в ассиметричный переменный или в импульсный ток.

    Во многих случаях переменный или импульсный ток используют для электролиза не от хорошей жизни: делается это в основном тогда, когда применение постоянного тока или методов без участия электрического тока (например, химическое растворение и химическое осаждение) дает плохие результаты.

    В некоторых случаях электролиз переменным током — нежелательное явление, которое возникает мимо нашей воли. Например, в нагревателях и парогенераторах, которые работают за счет омического тепла от прохождения переменного тока через воду, может происходить разложение воды на водород и кислород — так же, как при действии постоянного тока (такие нагреватели работают по принципу «Кипятильника из двух лезвий

    » [3]). В данном случае наиболее важной является критическая плотность тока на электродах, после превышения которой происходит активный электролиз воды. Разумеется, при этом энергия электрического тока расходуется не на нагрев (или испарение) воды, а на бесполезное ее разложение.

    Но я и не утверждаю, что электролиз с постоянным током — замечательное и уникальное явление. Достаточно констатации самого факта: электролиз с переменным током существует, в чем можно убедиться, поставив несколько простых экспериментов.

    Далее описаны опыты по электролизу с переменным током частотой в 50 Гц, напряжением 10-25 и 220 В.

    __________________________________________________ 1 ОСТ-107_460092_001-96. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Типовые технологические процессы. [ссылка]

    2 ДСП — для служебного пользования (т.е. ограниченного пользования).

    3 Самодельный кипятильник из двух лезвий [ссылка]

    Источник