В качестве примера рассмотрим процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида меди. Указанный раствор поместим в сосуд, называемый электролизером и погрузим в него два графитовых стержня. При растворении хлорида меди в воде происходит его полная диссоциация и образующиеся ионы Cu2+ и Cl- беспорядочно движутся в растворе. Возьмем источник постоянного электрического тока - выпрямитель или аккумулятор и к его клеммам присоединим графитовые стержни. Движение ионов в растворе станет упорядоченным: положительные ионы Cu2+ будут перемещаться по направлению к отрицательному электроду, называемому катодом, а ионы Cl- - к положительному электроду - аноду. Поэтому положительные ионы называют катионами, а отрицательные - анионами. Ион Cu2+, подходя к катоду, где есть избыточные электроны, присоединяет два электрона, превращаясь в нейтральный атом - на поверхности катода появляется слой металлической меди:
(–) Cu2+ + 2e ® Cu
Ионы Cl- отдают на анод свои электроны и превращаются в молекулы хлора:
(+) 2Cl- - 2e ® Cl2
Таким образом, в результате пропускания постоянного тока через раствор хлорида меди мы получили два новых вещества - металлическую медь и газообразный хлор.
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
На катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.
Напомним, что в гальваническом элементе катодом называется положительный электрод, а анодом - отрицательный. Главное состоит в том, что и в гальваническом элементе и при электролизе на катоде идет восстановление, а на аноде - окисление.
Рассматривая принцип работы гальванического элемента, мы отмечали, что протекающие в нем процессы всегда являются самопроизвольными. Напротив любой электролиз - процесс несамопроизвольный, т.е. требует затраты энергии в виде электрического тока. Источник постоянного тока играет роль своеобразного насоса, который перекачивает электроны с анода на катод. Характер процессов, протекающих на электродах при электролизе зависит от природы электролита и растворителя, материала, из которого изготовлены электроды и других факторов.
Электролиз находит широкое применение в различных областях техники. Приведем основные направления использования этого процесса.
1.Получение металлов.
Выделение в чистом виде алюминия и металлов IА и IIА групп таблицы Менделеева производится электролизом расплавленных соединений, а остальных металлов – электролизом водных растворов.
2.Очистка металлов.
Для этого применяется электролиз с растворимым анодом.
3.Получение металлических покрытий.
Гальванические покрытия металлов осуществляются в декоративных целях, для защиты от коррозии, повышения твердости и электропроводности. Осаждение металла осуществляется электролизом водного раствора соли, причем покрываемое изделие завешивается в электролизер в качестве катода.
4.Анодирование алюминия и его сплавов.
В качестве электролита берется раствор серной кислоты, катодом служит свинцовая пластина, а анодом подлежащее анодированию изделие. В ходе электролиза на аноде образуется пленка оксида алюминия, предохраняющая изделие от коррозии. В пленке имеются многочисленные поры, которые могут быть заполнены красителем или светочувствительным составом - это используется для окраски алюминиевых предметов и получения на них фотографических изображений.
5.Получение различных химических веществ.
Примером таких процессов может служить электролиз водного раствора хлорида натрия. В процессе электролиза на катоде выделяется водород, на аноде - хлор, а в растворе накапливается щелочь NaOH.
6.Защита от коррозии.
Катодная защита основана на процессе электролиза, в котором защищаемый объект присоединяется к отрицательному полюсу источника тока, т.е. играет роль катода, на котором происходит восстановление воды.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какая величина называется удельной электрической проводимостью ? В каких единицах она измеряется?
2.Что называется константой кондуктометрической ячейки? Как ее определяют?
3.От каких факторов зависит величина удельной проводимости?
4.Постройте график зависимости удельной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер кривых.
5.Какая величина называется молярной электрической проводимостью? Как она связана с удельной проводимостью?
6.Постройте график зависимости молярной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер линий.
7.Какая величина называется предельной молярной проводимостью? Как ее определяют?
8.Что характеризует коэффициент электропроводности сильного электролита? Как его определяют?
9.В чем заключается сущность закона независимости движения ионов? Для чего этот закон применяют?
10.Как можно кондуктометрическим методом определить степень диссоциации слабого электролита?
11.Сопротивление раствора хлорида калия с концентрацией 0,01моль×дм-3, измеренное при 180°С, равно 1,23 Ом. Удельная проводимость этого раствора при 180°С равна 1,22 См×см-1. Чему равна константа кондуктометрической ячейки?
12.Постоянная кондуктометрической ячейки равна 0,42 см-1. Электропроводность раствора нитрата серебра с концентрацией 0,1моль/дм3, измеренная в этой ячейке, равна 0,0284 См. Чему равна молярная электрическая проводимость нитрата серебра при указанной концентрации?
13.Молярная электрическая проводимость 0,2 моль/дм3 раствора хлорида калия равна 12,4 См×см2×моль-1. Предельная молярная проводимость хлорида калия равна 149,9 См×см2×моль-1. Чему равен коэффициент электропроводности? Как эта величина будет изменяться при разбавлении раствора? Почему?
14.Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,8×10-5, а предельная молярная проводимость составляет 271,8 См×см2×моль-1. Чему равна молярная проводимость 1×10-1 моль×дм-3 раствора гидроксида аммония?
15.Каков механизм возникновения потенциала на границе металл-раствор?
16.От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Напишите уравнение Нернста?
17.Что представляет собой водородный электрод? Напишите для него уравнение Нернста.
18.По какому принципу построен ряд напряжений? Какие выводы можно сделать на основании положения металла в ряду напряжений при рассмотрении реакций замещения, процессов электрохимической коррозии и электролиза?
19.Что представляет собой электрод второго рода? Напишите уравнение Нернста.
20.Напишите уравнение Нернста для окислительно-восстановительного электрода. Какие свойства вещества характеризует величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала?
22.Как устроен стеклянный электрод? Для чего он применяется?
23.Чему равен потенциал платинового электрода, погруженного в раствор, содержащий 0,02 моль/дм3 сульфата железа(II) и 0,002 моль/дм3 сульфата железа(III) по отношению к стандартному водородному электроду?
24.Потенциал водородного электрода в растворе уксусной кислоты равен - 120 мВ по отношению к стандартному водородному электроду. Чему равен рН раствора?
25.Что представляет собой гальванический элемент? Какую роль играет в нем солевой мостик?
26.Какой электрод в гальваническом элементе называется катодом? Анодом? Почему катод в гальваническом элементе и при электролизе имеют разные знаки?
27.Что называется электродвижущей силой гальванического элемента? Как ее рассчитывают?
28.Нарисуйте схему измерения э.д.с. Почему ее не измеряют вольтметром?
29.Какая химическая реакция протекает в гальваническом элементе: Zn/ZnSO4 // H2SO4/H2 (Pt), если С(ZnSO4) = 0,01 моль/дм3, С(H2SO4) = 5×10-4 моль×дм-3. Какова э.д.с. этого элемента?
30.Составьте схемы гальванических элементов, в которых протекают следующие токообразующие реакции:
а) Fe + NiCl2 = Ni + FeCl2 в) CuSO4 + H2 = Cu + H2SO4
31.Какие гальванические элементы называются концентрацион-ными? Какие процессы в них протекают и как они отражаются на величине э.д.с.?
32.Как устроен топливный элемент и в чем его преимущество перед другими источниками электрической энергии?
33.Какие из следующих реакций могут протекать самопроизвольно в прямом направлении:
а) MnO4- + Fe2+ ® Mn2+ + Fe3+
б) KCl + Br2 ® KBr + Cl2
в) Cu + H2SO4 ® CuSO4 + H2
г) Fe3+ + KI ®Fe2+ + I2
е) Sn+4 + Fe+2 ® Sn+2 + Fe+3
ж) Ni + FeSO4 ®Fe + NiSO4
34.Рассчитайте константы равновесия следующих реакций:
а) Fe+3 + Ag « Fe+2 + Ag+
б) Sn+4 + H2 « Sn+2 + 2H+
в) 2Ce+4 + 2Cl- « 2Ce+3 + Cl2
г) Fe+3 + Cr+2 « Fe+2 + Cr+3
35.Какой процесс называется электрохимической коррозией? В чем состоит принципиальное отличие коррозии в кислой среде от коррозионных процессов в нейтральной и щелочной средах?
36.Напишите схемы катодных и анодных процессов при коррозии:
а) пары медь - цинк в нейтральной среде;
б) пары железо - никель в кислой среде;
в) пары олово - цинк в нейтральной среде;
г) пары алюминий - медь в нейтральной среде.
37.Какие процессы будут происходить при нарушении цинкового покрытия на железной детали во влажном воздухе?
38.Какие покрытия называются катодными? Какие процессы происходят при нарушении катодного покрытия ?
39. В чем заключается принцип протекторной защиты от коррозии? Как осуществляется катодная защита?
