Czym jest elektroliza w chemii?

Po pierwsze, spróbujmy zrozumieć, czym jest elektroliza. Są to reakcje chemiczne zachodzące pod wpływem prądu elektrycznego na elektrodach, które są umieszczane w roztworze stopu lub elektrolitu.

Niektóre koncepcje teoretyczne

Elektrolit to substancja, która przewodzi elektryczność. Elektrody są dwojakiego rodzaju. Katoda jest ujemnie naładowaną elektrodą, na której zachodzi reakcja redukcji.

Anodę nazywa się elektrodą o ładunku dodatnim, gdzie przeprowadza się przywracanie.

Wykorzystanie procesu

Elektrolizę roztworów stosuje się w różnych gałęziach nowoczesnego przemysłu. W przemyśle chemicznym za pomocą tego procesu otrzymuje się chlor, alkalia, nadchloran, chloran, nadsiarczan, materię organiczną, nadmanganian potasu, kwas persulfurowy, fluor, tlen, wodór i inne cenne produkty.

W metalurgii metali nieżelaznych elektroliza wytopów służy do wydobywania czystego metalu z rud. Metale, których nie można wyizolować ze względu na wysoki potencjał ujemny z roztworów wodnych, uzyskuje się w metalurgii metali nieżelaznych na drodze elektrolizy wytopów. Wśród metali, które są wytwarzane przez elektrolizę tak zwanych stopionych mediów, możemy zauważyć magnez, glin, uran, beryl, cyrkon.

Elektroliza jest stosowana w inżynierii mechanicznej, przemyśle elektronicznym, radiotechnice, druku, w celu nanoszenia cienkich powłok metalowych na produkty, chroniąc je przed korozją, zwiększając odporność na zużycie, zwiększając odporność na ciepło.

Tło historyczne

Czym jest elektroliza? Jest to jeden z najważniejszych obszarów w elektrochemii. Nauka narodziła się na przełomie 18 i 19 wieku. W tym czasie eksperymenty przeprowadził włoski fizjolog L. Galvani i fizyk A. Volt. Pod koniec XVIII wieku pojawiły się pierwsze źródła prądu chemicznego. Na początku XX wieku elektrochemia zaczęła badać procesy elektrochemiczne. Eksperymentalnie ustalono, że prąd elektryczny, przechodzący przez wodne roztwory soli, powoduje przemiany chemiczne prowadzące do powstawania nowych związków.

Mówiąc o tym, czym jest elektroliza, zauważamy, że jest to złożony zestaw procesów: migracji jonów, dyfuzji, reakcji elektrochemicznych wyładowań jonowych, wtórnych reakcji chemicznych produktów elektrolizy między sobą.

Klasyfikacja procesu

Mówiąc o tym, czym jest elektroliza, należy zastanowić się nad klasyfikacją procesów elektrolitycznych. Są one podzielone na:

• produkcja związków nieorganicznych (chlor, tlen, wodór);
• powstawanie metali (magnezu, miedzi, aluminium, potasu, sodu, berylu, srebra, miedzi);
• otrzymywanie powłok metalowych i galwanicznych;
• azotowanie, polerowanie elektryczne, borowanie powierzchni metalu;
• nakładanie folii za pomocą elektroforezy;
• odsalanie wody i elektrodializa;
• wytwarzanie różnych substancji organicznych.

Eksperymenty z elektrolizą

Jak zrobić równanie elektrolizy? Ten proces odbywa się w elektrolitach. Możliwe jest połączenie z dwoma elektrodami węglowymi, które pochodzą z sieci oświetleniowej.

W jednym z nich włącz lampę elektryczną, która potwierdzi obecność w obwodzie prądu elektrycznego. Wolne końce elektrod mogą być umieszczone w suchej soli kuchennej lub bezwodnym kwasie siarkowym.

Lampa nie pali się, ponieważ substancje nie są w stanie przewodzić prądu elektrycznego, a obwód pozostaje otwarty. Podobny wynik obserwuje się w przypadku zanurzenia elektrod w szklance z wodą destylowaną.

Kiedy mała ilość soli, zasad i kwasu rozpuszcza się w wodzie, obserwuje się jasną luminescencję.

Kiedy elektrody są opuszczane do roztworu gliceryny lub cukru, lampa również przestaje świecić.

Ten eksperyment oczywiście potwierdza przewodnictwo soli, zasad, kwaśnych roztworów prądu elektrycznego.

Gdy prąd elektryczny przechodzi przez roztwory lub topi się, obserwuje się zmiany chemiczne, które wyrażają się w uwalnianiu produktów rozkładu rozpuszczalnika lub substancji rozpuszczonej.

Jaki jest proces w przypadku soli kuchennej

Podczas obserwacji eksperymentalnych zauważono, że elektroliza wodnego roztworu chlorku sodu prowadzi do powstania wodoru na katodzie, uwolnienia gazowego chloru na anodzie. Jak matematycznie opisać ten proces? Elektroliza chlorku sodu zachodzi w stopie, co prowadzi do pojawienia się czystego metalu alkalicznego na katodzie i gazowego chloru na anodzie.

... i chlorek magnezu

Po przejściu prądu eklektycznego przez stopiony chlorek magnezu obserwuje się pojawianie się kationów magnezu i anionów chloru.

Na katodzie obserwuje się redukcję kationów magnezu do czystego metalu, aniony chloru, przechodzenie do anody, oddawanie elektronów, proces utleniania zachodzi. Elektrolizę chlorku magnezu można zapisać jako równanie sumaryczne:

MgCl2 = Mg + Cl2

Właściwości elektrolizy w roztworach

Należy wziąć pod uwagę fakt, że oprócz jonów elektrolitowych istnieją również roztwory dysocjacji wody w roztworze: kationy wodoru i aniony grupy hydroksylowej. Właśnie dlatego katoda może rozładować zarówno kation elektrolitu, jak i proton wodoru. Przy anodzie wyładowywane są jony hydroksylowe i aniony elektrolitów.

Również cząsteczki wody mogą ulegać redukcji elektrochemicznej lub utlenianiu.

Przy dokładnym rozważeniu procesów katodowych, które zachodzą podczas elektrolizy wodnego roztworu, należy wziąć pod uwagę potencjalny potencjał redukcji protonów wodorowych. Zależy od stężenia kationów wodoru, o wartości -0,41 V.

Jeśli w roztworze elektrolitu znajduje się metal, w którym potencjał elektrody ma wartość dodatnią, w związku z tym katoda zostanie przywrócona w ramach elektrolizy. To stwierdzenie dotyczy metali, które znajdują się w pobliżu wodoru w elektrochemicznej serii naprężeń Beketova. Przy bardziej ujemnej wartości potencjału elektrody niż w przypadku kationów wodorowych, metal nie odzyska na katodzie. W takich przypadkach na tej elektrodzie gromadzi się wodór.

Jeżeli potencjał metalu jest podobny do wartości -0,41 V, dopuszczalne jest równoczesne tworzenie wodoru i czystego metalu na katodzie.

Charakter procesu katody w przypadku elektrolizy roztworu soli (alkaliów) zależy od umiejscowienia metalu w szeregu elektrochemicznych napięć metali Beketova.

Analizując procesy zachodzące na anodzie, należy wziąć pod uwagę fakt, że możliwe jest utlenianie materiału anodowego. Dlatego elektrochemia oddzieli obojętną anodę, a także elektrodę składającą się z ich aktywnej anody.

Obojętna jest anoda, w której materiał nie ulega utlenieniu w ramach procesu elektrolizy. Aktywny jest uważany za anodę, która może utleniać się podczas elektrolizy.

Do anod obojętnych wybrać platynę, węgiel, grafit. Ta opcja jest rozważana w szkolnym kursie chemii.

Typowe przykłady elektrolizy roztworów wodnych

Zacznijmy od osobliwości elektrolizy w roztworze chlorku miedzi (2). Ponieważ ten metal w elektrochemicznej serii aktywności metalu znajduje się na prawo od wodoru, na katodzie powstaje metaliczna miedź. Jony chlorkowe są uwalniane w przestrzeni anodowej, tworząc gazowy chlor. Schemat procesu przedstawiony jest w następującej formie:

• Katoda: Cu ²⁺ 2e = Cu.
• Anoda: 2Cl ^- -2 e = Cl _2.

Skumulowane równanie:

• CuCl2 = Cu + Cl2 _.

Czym jest elektroliza wodnego roztworu siarczanu sodu? Ponieważ sód znajduje się w zakresie aktywności metalu na lewo od wodoru, obserwuje się tworzenie wodoru cząsteczkowego na katodzie. Ponadto jony wodorotlenowe gromadzą się w przestrzeni katodowej.

Na anodzie uwalniany jest gazowy tlen, a jony wodorotlenowe gromadzą się w pobliżu tej elektrody.

Ponieważ kationy sodu i jony siarczanowe pozostają w roztworze, ta część roztworu pozostaje elektrycznie obojętna. Schemat takiej elektrolizy można przedstawić następująco:

• 2Na 2S04 + 6H20 = 4NaOH + 2H 2SO ₄ + 0 ₂ + 2H2

Czynniki wpływające na proces elektrolizy

Skuteczność tej reakcji chemicznej ocenia się za pomocą kilku czynników, wśród których można zauważyć: napięcie, natężenie, wydajność prądową, sprawność, zużycie energii elektrycznej na jednostkę uzyskanego produktu, gęstość prądu.

Aktualna siła charakteryzuje wydajność elektrolizera. Im wyższy, tym większa ilość produktu powstaje na elektrodach.

Prąd wyjściowy pozwala na uwzględnienie skuteczności zastosowania ilości prądu elektrycznego przepływającego przez elektrolizer.