Što je elektroliza? Anoda i katoda. Fizikalno-kemijski proces

Dugo vremena ljudi nisu mogli dobiti puno čistih tvari u slobodnom obliku. Takvi, na primjer, kao:

• metala;
• lužine;
• klor;
• vodik;
• vodikov peroksid;
• klororganski i drugi.

Dobiveni su ili s visokim sadržajem nečistoća, koji se nisu mogli ukloniti, ili se uopće nisu sintetizirali. Ali veze su vrlo važne za upotrebu u industriji i svakodnevnom životu. No, otkrićem takvog procesa kao elektrolize, riješen je zadatak ogromne ljestvice. Danas se koristi ne samo za sintezu već i za mnoge druge procese.

Što je elektroliza? Kako se to događa, od čega se formira, koja je glavna prednost ove metode, pokušajmo razumjeti tijek članka.

Što je elektroliza?

Da bismo odgovorili na ovo pitanje, prvo se moramo obratiti terminologiji i razumjeti neke osnovne fizičko-kemijske pojmove.

1. Izravna struja je usmjereni tok elektrona koji proizlaze iz bilo kojeg izvora električne energije.
2. Elektrolit je tvar čija je otopina sposobna provoditi električnu struju.
3. Elektrode - ploče od određenih materijala, međusobno povezani, koji dopuštaju struju (anoda i katoda).
4. Reakcija redukcije oksidacije je proces u kojem se mijenja stupanj oksidacije sudionika. To jest, neki ioni oksidiraju i povećavaju vrijednost stupnja oksidacije, dok se drugi, naprotiv, smanjuju, smanjuju.

Nakon što je objasnio sve ove pojmove, može se odgovoriti na pitanje o tome što je elektroliza. Taj proces redukcije oksidacije sastoji se od prolaska istosmjerne struje kroz elektrolitsku otopinu i završavanjem otpuštanjem različitih proizvoda na elektrodama.

Najjednostavnija instalacija, koja se može nazvati elektrolitskom ćelijom, uključuje samo nekoliko komponenti:

• dvije čaše s elektrolitom;
• trenutni izvor;
• dvije elektrode međusobno spojene.

U industriji koristi mnogo sofisticiranijih automatiziranih dizajna koji omogućuju proizvodnju velikih količina proizvoda - elektrolitičkih spremnika.

Proces elektrolize je prilično složen, podložan je nekoliko teorijskih zakona i ostvaruje se prema utvrđenim procedurama i pravilima. Da bi točno predvidio njezin ishod, potrebno je jasno razumjeti sve obrasce i moguće varijante prolaza.

Teorijska osnova procesa

Najvažniji osnovni kanoni na kojima se održava elektroliza su zakoni Michaela Faradaya, poznatog znanstvenika-fizičara, poznatog po svom radu na području proučavanja električne struje i svih pratećih procesa.

Ukupno, postoje dva takva pravila, od kojih svaka opisuje bit procesa koji se javljaju tijekom elektrolize.

Prvi zakon

Prvi Faradayjev zakon, formula koja je napisana kao m = kI * Delta-t, glasi kako slijedi.

Masa tvari koja se oslobađa na elektrodi izravno je proporcionalna struji koja je prolazila kroz elektrolit.

Može se vidjeti iz formule da m je masa tvari, I je trenutna snaga, Delta-t je vrijeme tijekom kojeg je preskočena. Tu je i vrijednost k, koja se naziva elektrokemijskim ekvivalentom spoja. Ova vrijednost ovisi o prirodi samog spoja. Numerički je k jednak masu tvari koja se oslobađa na elektrodi kada jedna jedinica električnog naboja prolazi kroz elektrolit.

Druga pravila elektrolize

Drugi zakon Faraday, čija je formula m = M * I * Delta-t / n * F, glasi kako slijedi. Elektrokemijski ekvivalent spoja (k) je izravno proporcionalan njegovoj molarnoj masi i obrnuto proporcionalan valenciji tvari.

Gornja formula rezultat je izvođenja svih kombiniranih. Ona odražava suštinu drugog zakona elektrolize. M je molarna masa spoja, I je snaga struje prolaze kroz cijeli proces, Delta-t je vrijeme ukupne elektrolize, F je Faradayova konstanta, a n su elektroni koji su sudjelovali u procesu. Njihov broj jednak je naboju iona koji je sudjelovao u procesu.

Faradayjevi zakoni pomažu razumjeti što je elektroliza, a također i izračunati mogući prinos proizvoda masenom, predvidjeti traženi rezultat i utjecati na tijek procesa. Oni predstavljaju teorijsku osnovu promatranja.

Koncept anode i njegovih tipova

Elektrode su vrlo važne za elektrolizu. Cijeli postupak ovisi o materijalu iz kojeg su izrađeni, o njihovim specifičnim svojstvima i karakteru. Stoga, detaljnije razmotrimo svaki od njih.

Anoda je plus, ili pozitivna elektroda. To jest, onaj koji se pridružuje "+" polu izvora energije. U skladu s tim, s njom otopina elektrolita Negativni ioni ili anioni će se kretati. Ovdje će se oksidirati, postižući veći stupanj oksidacije.

Stoga možete prikazati malu shemu koja će pomoći zapamtiti anodne procese: anode "plus" - anione - oksidaciju. Postoje dvije glavne vrste ove elektrode, ovisno o tome koji će se ovaj ili onaj proizvod proizvesti.

1. Netopljiva ili inertna anoda. Za ovu vrstu upotrebljava se elektroda koja služi samo za prijenos elektrona i oksidacijskih procesa, ali sama se ne konzumira i ne otapa. Takve anode su napravljene od grafita, iridija, platine, ugljena i tako dalje. Koristeći takve elektrode, moguće je dobiti metale u čistom obliku, plinovi (kisik, vodik, klor, i tako dalje).
2. Topiva anoda. U oksidacijskim procesima se otapa i utječe na ishod sve elektrolize. Glavni materijali iz kojih se izrađuju ove vrste elektroda su: nikal, bakar, kadmij, olovo, kositar, cink i drugi. Korištenje takvih anoda nužno je za postupke elektrofiniranja metala, elektroliziranje, primjenu zaštitnih premaza protiv korozije i tako dalje.

Bit svih procesa koji se javljaju na pozitivnoj elektrodi svodi se na ispuštanje većine elektronskih negativnih iona u potencijalnu vrijednost. Ivot zašto se radi anione anoksičnih kiselina i hidroksida iona, a zatim vode, kada je u pitanju rješenje. Anioni koji sadrže kisik u vodenoj otopini elektrolita općenito se ne ispuštaju na anodu jer voda to čini brže, otpuštajući kisik.

Katoda i njegova svojstva

Katoda je negativno nabijena elektroda (zbog akumulacije elektrona na njemu prolazeći električnu struju). Zato se pozitivni ioni kationi koji se podvrgavaju obnovi - kreću prema njoj, tj. Oni smanjuju oksidacijsko stanje.

Ovdje, za pamćenje, također je prikladna sljedeća shema: katoda "minus" -cara-restauracija. Materijal za katodu može biti:

• nehrđajući čelik;
• bakar;
• ugljik;
• mjed;
• željezo;
• aluminij i drugi.

Na ovoj elektrodi se metali svode na čiste tvari, što je jedan od glavnih načina njihova dobivanja u industriji. Također je moguće prenijeti elektrone iz anode u katodu, a ako je prvi topiv, onda njegovi ioni se vraćaju u negativnu elektrodu. Ovdje se hidrogen kationi reduciraju u plin H₂. Dakle, katoda je jedan od najvažnijih dijelova u cjelokupnoj shemi postupka elektrolize tvari.

Elektroliza taljenja

Sa stajališta kemije, proces koji se razmatra ima svoju jednadžbu. Pomoću njega možete nacrtati cijelu shemu na papiru i predvidjeti rezultat. Najvažnije, što treba obratiti pažnju na - prisutnost ili odsutnost vodenog medija i vrsta anode (topljivi ili ne).

Ako je potrebno proizvesti sljedeće proizvode: alkalne i zemno alkalijske metale, lužine, aluminij, berilij, plinovi iz aniona koji sadrže kisik, tada se ne može govoriti o elektrolizi elektrolitske otopine. Samo talina, jer inače potrebne veze neće raditi. Zato često industrija sintetizira navedene tvari, koristeći njihove bezvodne suhe soli i hidrokside.

Općenito, jednadžba elektrolize taline izgleda vrlo jednostavna i standardna. Na primjer, ako ga razmotrite i napišete kalijev jodid, onda je obrazac sljedeći:

KI = K⁺ + ja^-

Katoda (K) ";": K⁺ + 1e = K⁰

Anoda (A) "+": 2I^- - 2e = I₂⁰

Rezultat procesa: KI = K + I_2.

Slično, elektroliza bilo kojeg metala bit će zabilježena, bez obzira na vrijednost njegovog potencijala elektroda.

Elektroliza vodene otopine

Ako govorimo o rješenjima elektrolita, ishod procesa bit će potpuno drugačiji. Uostalom, voda postaje aktivni sudionik. Također je sposoban odvojiti se u ionima i ispuštati na elektrode. Stoga, u takvim slučajevima, elektrodni potencijal ioni. Što je niža njegova negativna vrijednost, to je veća vjerojatnost bržeg oksidiranja ili smanjenja.

Elektroliza vodene otopine podložna je nekoliko pravila koja se moraju pamtiti.

1. Anodni procesi: Samo anioni anoksičnih kiselina (osim fluorovodika) se ispuštaju. Ako je ion ion koji sadrži kisik ili fluorid, onda će se kisik oksidirati.
2. Katodni procesi: metali u elektrokemijskom stresnom nizu (do aluminija uključivo) na katodi nisu obnovljeni zbog visoke kemijske aktivnosti. To čini vodu s oslobađanjem vodika. Metali od aluminija do vodika istodobno se smanjuju vodom s jednostavnim tvarima. Iste one koje stoje iza vodika u nizu naprezanja (nisko aktivne) lako se podvrgavaju obnovi jednostavnih tvari.

Ako slijedite ova pravila, možete prikazati bilo koju elektrolizu i izračunati prinos proizvoda. U slučaju topive anode, krug se mijenja i postaje mnogo složeniji.

Elektroliza soli

Ovi postupci se koriste za proizvodnju čistih metala i plinova, budući da je tehnološki jednostavan i ekonomski isplativ. Osim toga, proizvodi dolaze s visokim stupnjem čistoće, što je važno.

Na primjer, elektroliza bakra omogućuje brzu dobivanje u čistom obliku od bilo kakve solne otopine. Najčešće se koristi bakreni vitriol ili bakar sulfat (II) -CuSO₄.

I iz otopine i iz otopine ove soli, moguće je izvući čisti metal, koji je tako nužan u gotovo svim granama elektrotehnike i metalne konstrukcije.

Važnost i primjena procesa

Elektroliza je vrlo važan proces. Na temelju tih potrebnih tehničkih operacija temelji se na:

1. Rafiniranje metala.
2. Electroextraction.
3. Galvansko.
4. Electrosynthesis.
5. Primjena korozijskih premaza i drugih.