Pri prejazde elektrický prúd cez kovy (vodiče 1. druhu) nedochádza k chemickým reakciám a kovy zostávajú nezmenené. Ak cez taveninu alebo roztok elektrolytu (vodiče 2. druhu) prechádza elektrický prúd, dochádza na rozhraní elektrolyt-kov vodič (elektróda) k rôznym chemickým reakciám (elektrolýze) a vznikajú nové zlúčeniny.
Elektrolýza je súbor procesov, ktoré sa vyskytujú, keď elektrický prúd prechádza elektrochemickým systémom pozostávajúcim z dvoch elektród a taveniny alebo roztoku elektrolytu.
Počas elektrolýzy sa katióny presúvajú na zápornú elektródu (katódu) a anióny sa presúvajú na kladnú elektródu (anódu). V tomto prípade však katióny a anióny elektrolytu nie sú vždy vybité, akceptujú alebo darujú elektróny. Často sa elektrolýznych reakcií zúčastňuje rozpúšťadlo-elektrolyt, ako je voda.
Zásadný rozdiel medzi reakciami v galvanickom článku a elektrolyzéri spočíva len v ich smere a spontánnosti. V uzavretom okruhu galvanického článku prebieha elektrochemická reakcia samovoľne a v elektrolyzéri len vplyvom elektrického prúdu z vonkajšieho zdroja.
Venujte pozornosť názvu elektród: v galvanickom článku je zápornou elektródou anóda a kladnou elektródou je katóda; v článku je naopak zápornou elektródou katóda a kladnou elektródou je anóda.
Malo by sa pamätať na to, že výrazy "negatívny" a "pozitívny" sa vždy vzťahujú na póly zdroja prúdu, takto označujú elektródy článku. Pri týchto procesoch je bežné, že ako v galvanickom článku, tak aj v elektrolyzéri vzniká na negatívnej elektróde nadbytok elektrónov a na kladnej ich nedostatok. Na katóde sa pôsobením elektrónov redukujú ióny alebo molekuly, na anóde sa častice oxidujú, čím sa ich elektróny odovzdajú elektróde.
V bunke sú katióny (M n+) prejdite na katódu (-) a anióny (A n–) - k anóde (+).
Rozkladné napätie elektrolyt počas elektrolýzy sa nazýva minimálne napätie (externé EMF), ktoré sa musí aplikovať na elektródy. Napríklad pre roztok chloridu zinočnatého pri štandardné podmienky:
Zn 2+ + 2 ē = Zn φ° = - 0,76 B,
Cl2 + 2 ē \u003d 2Cl - φ ° \u003d + 1,36 V,
a rozkladné napätie sa rovná (v absolútnej hodnote) súčtu štandardných elektródových potenciálov oboch elektród: 0,76 + 1,36 = 2,12 V, t.j. rozkladné napätie nemôže byť nižšie ako EMF príslušného galvanického článku.
Rozkladné napätie je tvorený potenciálmi dvoch elektród – potenciálmi výboja iónov.
Potenciál vákua katión sa niekedy nazýva depozičný potenciál kov. Toto je minimálny potenciál, ktorý sa musí aplikovať na elektródu, aby katión stratil náboj a došlo k usadzovaniu kovu. Pre niektoré ióny (Cu 2+, Ag +, Cd 2+) je depozičný potenciál blízky elektródovému potenciálu, zatiaľ čo pre iné ióny (Fe 2 +, Co 2 +, Ni 2 +) depozičné potenciály výrazne prevyšujú elektródové potenciály. kovov - pre elektrolýzu je potrebné určité prepätie.
Rozlišovať elektrolýza roztokov a elektrolýza taveniny. Elektrolýza roztokov sa delí na elektrolýza s inertnými elektródami a rozpustná anódová elektrolýza. Kovové (Pt, Au) a nekovové (grafitové) elektródy môžu byť inertné. Ako rozpustné anódy sa používajú anódy z Cr, Ni, Cd, Zn, Ag, Cu atď.
Niektoré kovy sa v dôsledku vysokej anodickej polarizácie prakticky nerozpúšťajú, ako napríklad Ni a Fe v alkalickom roztoku, Pb v H 2 SO 4 .
Elektrolýza roztokov inertnými elektródami. Pri elektrolýze vodných roztokov elektrolytov sa na katóde namiesto kovu uvoľňuje nie kov, ale vodík. V kyslom prostredí vzniká vodík reakciou:
2H++2 ē =H2.
V neutrálnom a alkalickom prostredí sa vodík tvorí reakciou zahŕňajúcou molekuly vody:
2H20+2 ē = H2 + OH-.
Katióny ako Na + alebo K + sa vo vodnom roztoku vôbec nevybíjajú, ale uvoľňuje sa vodík.
Katióny môžu byť zoskupené podľa ich schopnosti vybíjania, od nevybíjania až po ľahké vybíjanie. Zároveň sa menia aj produkty elektrolýzy. Pre niektoré katióny je možná súčasná tvorba kovu a vodíka.
Nižšie sú uvedené katióny v poradí podľa klesajúcej náročnosti ich vybíjania a produkty elektrolýzy:
Katióny Produkty elektrolýzy
Li+, K+, Na+, Mg2+, Al3+, H+ (presmerovanie) H2
Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, H+ (pH 7) M + H2
Co2+, Ni2+, Sr2+, Pb2+, H+ (pH 0) M + H2
Cu2+, Ag+, Au3+M
Odlišné postavenie vodíka v tejto sérii je vysvetlené nasledujúcimi dôvodmi. Poloha vodíka medzi olovom a meďou zodpovedá číselným hodnotám štandardných elektródových potenciálov pri OD M n+ = OD H+ = 1 mol/l, t.j. pri pH=0. Poloha vodíka medzi železom a kobaltom zodpovedá elektródovému potenciálu vodíka vo vode pri pH=7 (φº H 2 / H + = –0,414 V). Za týchto podmienok sa môžu z roztokov vyzrážať všetky kovy, hodnota φ ° ktoré sú väčšie ako –0,414 V. V praxi je však možné z vodných roztokov vyzrážať okrem kobaltu, niklu, cínu a olova aj zinok, chróm a železo. Je to spôsobené tým, že zrážky na katóde plynný vodík brzdené vodíkovým prepätím.
Teda v rade katiónov z Li + až A1 3+ nevzniká kov a vodík sa uvoľňuje počas elektrolýzy v dôsledku redukcie vody. V rade katiónov z Mn 2+ až Pb 2+ počas elektrolýzy sa kov a vodík tvoria súčasne a nakoniec v sérii Cu 2+ - Au 3+ vzniká iba kov.
V dôsledku toho, čím ďalej vľavo (bližšie k začiatku) je kov v sérii štandardných elektródových potenciálov (séria napätí), tým ťažšie je izolovať tento kov elektrolýzou vodného roztoku.
Ak sa postupne zvyšujúce napätie aplikuje na roztok obsahujúci niekoľko katiónov, potom elektrolýza začne, keď sa dosiahne depozičný potenciál katiónu s najvyšším elektródovým potenciálom (najkladnejší). Počas elektrolýzy roztoku obsahujúceho ióny zinku (φ °= -0,76 V) a meď (φ ° = +0,34 V), najskôr sa na katóde uvoľní meď a až po vybití takmer všetkých iónov Cu 2+ sa začne uvoľňovať zinok. Touto cestou, ak roztok súčasne obsahuje rôzne katióny, potom počas elektrolýzy môžu byť izolované postupne v súlade s hodnotami ich elektródových potenciálov. V tomto prípade sa predpokladá, že prepätie uvoľnenia kovu je pre nich približne rovnaké (a malé).
Čo sa týka potenciál aniónového výboja, potom je tu obraz oveľa komplikovanejší kvôli schopnosti vody zúčastniť sa procesu elektrolýzy. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že anióny s najnižším potenciálom (najmenej kladné) sa najskôr vybijú na anóde. Ak roztok obsahuje ióny Cl - (φº = 1,36 V), Br - (φº = 1,09 V) a I - (φº = 0,54 V), potom sa najskôr vytvorí jód, potom bróm a nakoniec chlór. Fluoridové ióny vo vodnom roztoku sa vôbec nedajú vybiť (φ ° = 2,87 V).
Väčšina aniónov obsahujúcich kyslík (okrem acetátového iónu) sa nevypúšťa vo vodnom roztoku, namiesto nich v kyslom a neutrálne riešenia voda sa rozkladá:
2H20 - 4 ē \u003d O2 + 4H +,
a v alkalických roztokoch - vypúšťanie hydroxidových iónov:
2OH--2 ē \u003d 1/2 O2 + H20.
Podľa schopnosti vybíjať sa pri elektrolýze vodných roztokov sú anióny zoradené v nasledujúcom rade od aniónov kyselín obsahujúcich kyslík ako SO 4 2–, NO 3, ktoré sa vo vodnom roztoku nevybíjajú, až po ľahko vybíjateľné:
Produkty aniónovej elektrolýzy
SO 4 2–, NO 3 - atď., OH - O 2
Cl-, Br-, I- Cl2 (ClO-, ClO3-), Br2, I2 (+ O2)
S2– S, SO2 (+ O2)
Je teda možné formulovať nasledujúce hlavné pravidlá pre elektrolýzu vodných roztokov elektrolytov s nerozpustnými elektródami:
1. Z aniónov elektrolytov sa na anóde najskôr vybijú anióny bezkyslíkatých kyselín (Cl -, Br -, S 2- atď.).
2. Anióny kyselín s obsahom kyslíka (SO 4 2–, NO 3 –, CO 3 2– atď.) v prítomnosti vody nevypúšťajú, namiesto nich sa oxiduje voda podľa reakcie:
2H20-4 ē \u003d O2 + 4H+.
3. aktívne kovy umiestnené v sérii napätí až po Al (vrátane) na katóde sa neobnovia, namiesto toho sa obnoví voda:
2H20+2 ē \u003d H2 + 2OH-.
4. Kovy nachádzajúce sa v sérii napätí po hliníku, ale pred vodíkom, sa redukujú na katóde spolu s molekulami vody:
K: 1) Zn2+ + 2 ē = Zn
2) 2H20 + 2 ē \u003d H2 + 2OH-.
5. Kovy s kladnou hodnotou elektródového potenciálu sa redukujú na katóde v prvom rade:
Cu 2+ + 2 ē = Cu
Napríklad pri elektrolýze kyseliny sírovej (grafitové elektródy) dochádza k nasledujúcim procesom:
na katóde 2H++ 2 ē = H 2,
na anóde 2H20 - 4 ē \u003d O2 + H+.
Súhrnná rovnica:
2H20 \u003d 2H2 + O2,
tie. pri elektrolýze roztoku kyseliny sírovej sa rozkladom molekúl vody uvoľňuje vodík a kyslík. Produkty elektrolýzy: vodík a kyslík.
Elektrolýza roztoku síranu meďnatého:
na katóde Cu 2 + + 2 ē = Cu,
na anóde 2H20 - 4 ē \u003d O2 + 4H+
Súhrnná rovnica:
2Cu2+ + 2H20 \u003d 2Cu + O2 + 4H+
2CuS04 + 2H20 \u003d 2Cu + O2 + 2H2S04.
Produkty elektrolýzy: meď, kyslík, kyselina sírová.
Možnosť výboja aniónu závisí od jeho koncentrácie. Produkty elektrolýzy koncentrovaných a zriedených roztokov NaCl sú teda chlór a kyslík.
Elektrolýza zriedeného roztoku chloridu sodného prebieha bez vybitia iónov Cl - (a podľa toho aj iónov Na +), t.j. voda sa rozkladá. Keď sa koncentrácia soli na anóde zvyšuje, chlór sa uvoľňuje spolu s kyslíkom a chlór sa tvorí v koncentrovaných roztokoch (s prímesou kyslíka):
na katóde 2H20+2 ē \u003d H2 + 2OH -
na anóde 2Cl--2 ē = Cl2 .
Súhrnná rovnica:
2Cl - + 2H20 \u003d H2 + Cl2 + 2OH -
2NaCl + 2H20 \u003d H2 + Cl2 + 2NaOH.
Produkty elektrolýzy: vodík, chlór a hydroxid sodný.
V prípade uvoľňovania chlóru pri elektrolýze roztokov chloridov je hlavný proces tvorby chlóru superponovaný reakciami interakcie chlóru s vodou (hydrolýza) a následnými premenami výsledných látok. Hydrolýza chlóru prebieha za vzniku slabej kyseliny chlórnej a chloridových iónov (kyselina chlorovodíková):
Cl2 + H20 \u003d H + + Cl + HC10.
Kyselina chlórna s alkáliou vznikajúcou pri elektrolýze (presnejšie Na + + OH -) dáva ako produkt chlórnan sodný NaClO. V alkalickom prostredí má celková reakčná rovnica tvar:
Cl2 + 2NaOH \u003d NaCl + NaClO + H20.
Pri zvýšených teplotách (vriaca voda) hydrolýza chlóru prebieha za vzniku chlorečnanu. Možné reakčné rovnice:
3Cl2 + 3H20 \u003d ClO3 - + 5 Cl - + 6H +,
3HClO \u003d ClO3 - + 2Cl - + 3H +,
3СlО - = СlO 3 - + 2Сl -.
V alkalickom prostredí má celková rovnica tvar
3Cl2 + 6NaOH \u003d NaCl03 + 5NaCl + 3H20.
Membránová elektrolýza. Počas elektrolýzy zriedeného roztoku chloridu sodného sa ióny Na + pohybujú ku katóde, ale uvoľňuje sa vodík:
2H20+2 ē \u003d H2 + OH -
a roztok hydroxidu sodného sa skoncentruje.
Chloridové ióny sa pohybujú k anóde, ale kvôli ich nízkej koncentrácii nevzniká hlavne chlór, ale kyslík:
2H20-4 ē \u003d O2 + 4H+
a roztok sa skoncentruje kyseliny chlorovodíkovej.
Ak sa elektrolýza uskutočňuje v kadičke alebo inej podobnej nádobe, roztoky alkálií a kyselín sa zmiešajú a elektrolýza sa redukuje na tvorbu vodíka a kyslíka v dôsledku rozkladu vody. Ak sú na druhej strane priestory anódy a katódy oddelené prepážkou (membránou), ktorá umožňuje prechod prúdových nosných iónov, ale bráni zmiešaniu roztokov blízkych elektróde, potom sa ako produkty elektrolýzy môžu získať roztoky kyselín a zásad.
Počas elektrolýzy roztoku chloridu sodného sa na katóde tvoria hydroxidové ióny podľa reakcie:
2H20+2 ē \u003d H2 + 2OH -
okamžite sa začnú podieľať na prenose elektriny a spolu s iónmi C1 sa presunú na anódu, kde sa oba ióny vybijú a vznikne zmes kyslíka a chlóru. Preto produkcia chlóru klesá. Ak je anóda vyrobená z uhlia (grafitu), potom sa oxiduje kyslíkom a vznikajú oxidy uhlíka CO a CO 2, znečisťujúce chlór. Ďalej, chlór vytvorený na anóde interaguje s hydroxidovými iónmi:
C12 + OH - \u003d H + + Cl - + OSl -.
Tvorba chlórnanových iónov je tiež nežiaduci proces (ak nie je cieľom získať roztok chlórnanu sodného). Všetkým týmto nežiaducim následkom možno predísť použitím membrány oddeľujúcej katódový a anódový priestor a zadržiavajúcej OH- ióny, ale prepúšťajúce Cl- ióny. Nakoniec membrána zabraňuje difúzii plynov a umožňuje získať čistejší vodík.
Ak roztok obsahuje viacero aniónov, je ťažšie predpovedať postupnosť ich výboja na anóde ako u katiónov, ale všeobecne platí pravidlo, že anión s najnižšou hodnotou potenciálu (alebo najvyššou zápornou hodnotou elektródový potenciál reakcie prebiehajúcej na anóde).
Elektrolýza roztokov s rozpustnou anódou. Elektrolýza s rozpustnou anódou je možná vtedy, keď kov uvoľňuje elektróny ľahšie ako ióny Cl-, OH- alebo molekuly vody. Napríklad na medenej anóde v roztoku chloridu meďnatého alebo síranu meďnatého sa neuvoľňuje chlór ani kyslík, ale dochádza k prechodu do roztoku iónov Cu 2+. Súčasne sa na katóde vypúšťajú rovnaké ióny a ukladá sa kovová meď. Elektrolýza s rozpustnou anódou sa teda redukuje na prenos medi z anódy na katódu.
Reakcia na anóde je vo väčšine prípadov komplikovaná mnohými vedľajšími a často nežiaducimi procesmi. Napríklad výsledné ióny môžu vytvárať oxidy, hydroxidy a ich filmy:
M2+ + 2OH - \u003d MO + H20.
Na anóde je možný aj vývoj kyslíka:
2H20-4 ē \u003d O2 + 4H +,
ktoré sa môžu podieľať na širokej škále reakcií elektrolytického systému.
Pri tvorbe plynných produktov, najmä kyslíka, vo väčšine prípadov nezodpovedajú potenciály rozkladu potenciálom elektród v dôsledku vysokých hodnôt prepätia. . Prepätie je rozdiel medzi skutočným rozkladným napätím a teoreticky vypočítaným z elektródových potenciálov EMF zodpovedajúcej reakcie. Zvlášť silný vplyv na veľkosť prepätia má charakter uvoľňovanej látky (pre chlór, bróm a jód je prepätie veľmi nevýznamné) a materiál elektródy. Nižšie sú uvedené údaje o prepätí počas vývoja vodíka a kyslíka na rôznych katódach a anódach.
Prepätie elektród, V
Vodík Kyslík
Pt sčernená 0,00 0,2–0,3
Pt svetlé 0,1 0,4–0,5
Fe 0,1–0,2 0,2–0,3
Ni 0,1–0,2 0,1–0,3
Сu 0,2 0,2–0,3
Pb 0,4–0,6 0,2–0,3
Prepätie závisí aj od tvaru elektród, stavu ich povrchu, prúdovej hustoty, teploty roztoku, intenzity miešania roztoku a ďalších faktorov.
Prepätie vodíka na železe je ~ 0,1 V a kyslíka na tom istom materiáli ~ 0,3 V. Preto bude prepätie pri elektrolýze na železných elektródach 0,1 + 0,3 = 0,4 V. Súčet tejto hodnoty a teoreticky vypočítaný bude minimálna hodnota vybíjacieho napätia príslušného elektrolytu.
Postoj k prepätiu je ambivalentný. Prepätie vedie na jednej strane k zvýšenej spotrebe energie, na druhej strane sa vplyvom prepätia môže z vodných roztokov ukladať veľa kovov, ktoré by sa podľa hodnôt ich štandardných elektródových potenciálov ukladať nemali. Sú to Fe, Pb, Sn, Ni, Co, Zn , cr. Vďaka prepätiu, ako aj vplyvom koncentrácie roztoku na potenciál elektródy je možné elektrolytické chrómovanie a niklovanie železných produktov a dokonca aj sodík možno získať z vodného roztoku na ortuťovej elektróde.
Zriedenie vo vodnom roztoku iónov Cl - a nie OH - v roztokoch s vysokou koncentráciou elektrolytu sa vysvetľuje aj prepätím kyslíka. Toto prepätie však nestačí na vybitie iónov F a uvoľnenie voľného fluóru.
Veľkosť prepätia je ovplyvnená mnohými ďalšími kinetickými faktormi - rýchlosťou prenosu častíc na elektródy a odstraňovaním produktov elektrolýzy, rýchlosťou procesu deštrukcie hydrátových a iných obalov vybíjajúcich iónov, rýchlosťou spájania atómov na dvojatómové molekuly plynu atď.
Riešenie chemických problémov
poznať Faradayov zákon
stredná škola
Vývoj autora
Spomedzi veľkej rozmanitosti rôznych chemických problémov, ako ukazuje prax vyučovania v škole, spôsobujú najväčšie ťažkosti problémy, na riešenie ktorých je okrem solídnych chemických znalostí potrebné aj dobré ovládanie látky. kurzu fyziky. A hoci nie každá stredná škola venuje pozornosť riešeniu aspoň najjednoduchších úloh s využitím znalostí dvoch kurzov – chémie a fyziky, problémy tohto typu sa občas nájdu aj v vstupné testy na univerzitách, kde je chémia hlavnou disciplínou. A preto bez analýzy problémov tohto typu v triede môže učiteľ neúmyselne pripraviť svojho študenta o možnosť vstúpiť na univerzitu v chemickom odbore.
Vývoj tohto autora obsahuje vyše dvadsať úloh, tak či onak súvisiacich s témou „Elektrolýza“. Na riešenie problémov tohto typu je potrebná nielen dobrá znalosť témy „Elektrolýza“ školského kurzu chémie, ale aj znalosť Faradayovho zákona, ktorý sa študuje v školskom kurze fyziky.
Možno tento výber úloh nebude zaujímať absolútne všetkých študentov v triede alebo je dostupný pre každého. Napriek tomu sa odporúča, aby sa úlohy tohto typu analyzovali so skupinou záujemcov v kruhu alebo na voliteľnej hodine. S istotou možno poznamenať, že úlohy tohto typu sú komplikované a prinajmenšom netypické pre školský kurz chémie (hovoríme o priemere všeobecnovzdelávacia škola), a preto úlohy tohto typu možno pokojne zaradiť do variantov školy či okresu chemická olympiáda pre žiakov 10. alebo 11. ročníka.
Dostupnosť podrobné riešenie pre každú úlohu je rozvoj cenným nástrojom, najmä pre začínajúcich učiteľov. Po rozbore niekoľkých úloh so študentmi na voliteľnej hodine alebo na kruhovej hodine si kreatívne pracujúci učiteľ určite doma zadá viacero úloh rovnakého typu a využije tento vývoj v procese kontroly domácich úloh, čím výrazne ušetrí drahocenný čas učiteľa.
Teoretické informácie o probléme
Chemické reakcie, prúdiaci pôsobením elektrického prúdu na elektródy umiestnené v roztoku alebo tavenine elektrolytu, sa nazýva elektrolýza. Zvážte príklad.
V šálke pri teplote asi 700 °C je tavenina chloridu sodného NaCl, v nej sú ponorené elektródy. Pred prechodom elektrického prúdu cez taveninu sa ióny Na + a Cl - pohybujú náhodne, ale keď sa použije elektrický prúd, pohyb týchto častíc je usporiadaný: ióny Na + sa vrhnú na záporne nabitú elektródu a ióny Cl - - na kladne nabitú elektródu.
A on Nabitý atóm alebo skupina atómov, ktorá má náboj.
katión je kladne nabitý ión.
anión je záporne nabitý ión.
Katóda- smerom k nej sa pohybuje záporne nabitá elektróda (kladne nabité ióny - katióny).
anóda- kladne nabitá elektróda (záporne nabité ióny - anióny) sa pohybujú smerom k nej.
Elektrolýza taveniny chloridu sodného na platinových elektródach
Celková reakcia:
Elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného na uhlíkových elektródach
Celková reakcia:
alebo v molekulárnej forme:
Elektrolýza vodného roztoku chloridu meďnatého na uhlíkových elektródach
Celková reakcia:
V sérii elektrochemickej aktivity kovov sa meď nachádza napravo od vodíka, takže meď bude redukovaná na katóde a chlór bude oxidovaný na anóde.
Elektrolýza vodného roztoku síranu sodného na platinových elektródach
Celková reakcia:
Podobne prebieha elektrolýza vodného roztoku dusičnanu draselného (platinové elektródy).
Elektrolýza vodného roztoku síranu zinočnatého na grafitových elektródach
Celková reakcia:
Elektrolýza vodného roztoku dusičnanu železitého na platinových elektródach
Celková reakcia:
Elektrolýza vodného roztoku dusičnanu strieborného na platinových elektródach
Celková reakcia:
Elektrolýza vodného roztoku síranu hlinitého na platinových elektródach
Celková reakcia:
Elektrolýza vodného roztoku síranu meďnatého na medených elektródach - elektrochemická rafinácia
Koncentrácia CuSO 4 v roztoku zostáva konštantná, proces sa redukuje na prenos materiálu anódy na katódu. To je podstata procesu elektrochemickej rafinácie (získanie čistého kovu).
Pri zostavovaní schém elektrolýzy konkrétnej soli je potrebné mať na pamäti, že:
– kovové katióny s vyšším štandardným elektródovým potenciálom (SEP) ako má vodík (od medi po zlato vrátane) sú na katóde počas elektrolýzy takmer úplne redukované;
– kovové katióny s malými hodnotami SEP (od lítia po hliník vrátane) sa na katóde neredukujú, ale molekuly vody sa redukujú na vodík;
- kovové katióny, ktorých hodnoty SEC sú menšie ako hodnoty vodíka, ale väčšie ako hodnoty hliníka (z hliníka na vodík), sa redukujú súčasne s vodou počas elektrolýzy na katóde;
- ak vodný roztok obsahuje zmes katiónov rôznych kovov, napríklad Ag +, Cu 2+, Fe 2+, potom sa v tejto zmesi ako prvé redukuje striebro, potom meď a ako posledné železo;
- na nerozpustnej anóde pri elektrolýze sa oxidujú anióny alebo molekuly vody a ľahko oxidujú anióny S 2–, I –, Br – , Cl –;
– ak roztok obsahuje anióny kyselín obsahujúcich kyslík , , , , potom sa molekuly vody na anóde oxidujú na kyslík;
- ak je anóda rozpustná, potom počas elektrolýzy sama podlieha oxidácii, t.j. posiela elektróny do vonkajšieho okruhu: keď sa elektróny uvoľnia, rovnováha medzi elektródou a roztokom sa posunie a anóda sa rozpustí.
Ak z celej série elektródových procesov vyčleníme len tie, ktoré zodpovedajú všeobecnej rovnici
M z+ + ze=M,
potom dostaneme rozsah napätia kovov. V tomto rade je vždy umiestnený aj vodík, čo umožňuje vidieť, ktoré kovy sú schopné vytesniť vodík z vodných roztokov kyselín a ktoré nie (tabuľka).
Tabuľka
Rad stresových kovov
| Rovnica elektróda proces |
Štandardné elektróda potenciál pri 25 °C, V |
Rovnica elektróda proces |
Štandardné elektróda potenciál pri 25 °C, V |
|---|---|---|---|
| Li ++ 1 e= Li0 | –3,045 | Co2+ + 2 e= Co0 | –0,277 |
| Rb ++ 1 e= Rb 0 | –2,925 | Ni 2+ + 2 e= Ni0 | –0,250 |
| K++1 e= K0 | –2,925 | Sn 2+ + 2 e= Sn0 | –0,136 |
| Cs + + 1 e= Cs 0 | –2,923 | Pb 2+ + 2 e= Pb 0 | –0,126 |
| Ca 2+ + 2 e= Ca0 | –2,866 | Fe 3+ + 3 e= Fe0 | –0,036 |
| Na + + 1 e= Na 0 | –2,714 | 2H++2 e=H2 | 0 |
| Mg 2+ + 2 e=Mg0 | –2,363 | Bi 3+ + 3 e= Bi 0 | 0,215 |
| Al 3+ + 3 e=Al0 | –1,662 | Cu 2+ + 2 e= Cu 0 | 0,337 |
| Ti 2+ + 2 e= Ti0 | –1,628 | Cu + +1 e= Cu 0 | 0,521 |
| Mn 2+ + 2 e= Mn0 | –1,180 | Hg 2 2+ + 2 e= 2Hg0 | 0,788 |
| Cr 2+ + 2 e=Cr0 | –0,913 | Ag + + 1 e= Ag0 | 0,799 |
| Zn 2+ + 2 e= Zn0 | –0,763 | Hg 2+ + 2 e= Hg 0 | 0,854 |
| Cr 3+ + 3 e=Cr0 | –0,744 | Pt 2+ + 2 e= Pt0 | 1,2 |
| Fe 2+ + 2 e= Fe0 | –0,440 | Au 3+ + 3 e= Au 0 | 1,498 |
| CD 2+ + 2 e= CD 0 | –0,403 | Au + + 1 e= Au 0 | 1,691 |
V jednoduchšej forme možno sériu kovových napätí znázorniť takto:
Na vyriešenie väčšiny problémov s elektrolýzou je potrebná znalosť Faradayovho zákona, ktorého vzorec je uvedený nižšie:
m = M ja t/(z F),
kde m je hmotnosť látky uvoľnenej na elektróde, F- Faradayovo číslo, ktoré sa rovná 96 485 A s / mol alebo 26,8 A h / mol, M – molárna hmota prvok, ktorý sa redukuje v procese elektrolýzy, t– čas procesu elektrolýzy (v sekundách), ja- sila prúdu (v ampéroch), z je počet elektrónov zapojených do procesu.
Podmienky úlohy
1. Aká hmotnosť niklu sa uvoľní pri elektrolýze roztoku dusičnanu nikelnatého počas 1 hodiny pri prúde 20 A?
2. Pri akej sile prúdu je potrebné uskutočniť proces elektrolýzy roztoku dusičnanu strieborného, aby sa v priebehu 10 hodín získalo 0,005 kg čistého kovu?
3. Aká hmotnosť medi sa uvoľní pri elektrolýze taveniny chloridu meďnatého počas 2 hodín pri prúde 50 A?
4. Ako dlho trvá elektrolýza vodného roztoku síranu zinočnatého pri prúde 120 A, aby sa získalo 3,5 g zinku?
5. Aké množstvo železa sa uvoľní pri elektrolýze roztoku síranu železitého pri prúde 200 A počas 2 hodín?
6. Pri akej sile prúdu je potrebné vykonať proces elektrolýzy roztoku dusičnanu meďnatého, aby sa do 15 hodín získalo 200 g čistého kovu?
7. Za aký čas je potrebné uskutočniť proces elektrolýzy taveniny chloridu železitého pri prúde 30 A, aby sa získalo 20 g čistého železa?
8. Pri akej sile prúdu je potrebné uskutočniť proces elektrolýzy roztoku dusičnanu ortuťnatého (II), aby sa v priebehu 1,5 hodiny získalo 0,5 kg čistého kovu?
9. Pri akej sile prúdu je potrebné uskutočniť proces elektrolýzy taveniny chloridu sodného, aby sa za 1,5 hodiny získalo 100 g čistého kovu?
10. Tavenina chloridu draselného sa podrobila elektrolýze počas 2 hodín pri prúde 5 A. Výsledný kov reagoval s vodou s hmotnosťou 2 kg. Aká koncentrácia alkalického roztoku bola získaná v tomto prípade?
11.
Koľko gramov 30% roztoku kyseliny chlorovodíkovej bude potrebných na úplnú interakciu so železom získaným elektrolýzou roztoku síranu železitého počas 0,5 hodiny pri súčasnej sile
10 A?
12. V procese elektrolýzy taveniny chloridu hlinitého, uskutočňovanej počas 245 minút pri prúde 15 A, sa získal čistý hliník. Koľko gramov železa možno získať aluminotermickou metódou, keď daná hmotnosť hliníka interaguje s oxidom železitým?
13. Koľko mililitrov 12% roztoku KOH s hustotou 1,111 g / ml bude potrebných na reakciu s hliníkom (za vzniku tetrahydroxyhlinitanu draselného) získaným elektrolýzou roztoku síranu hlinitého počas 300 minút pri prúde 25 A ?
14. Koľko mililitrov 20% roztoku kyseliny sírovej s hustotou 1,139 g / ml bude potrebných na interakciu so zinkom získaným elektrolýzou roztoku síranu zinočnatého počas 100 minút pri prúde 55 A?
15. Aký objem oxidu dusnatého (IV) (n.o.) sa získa interakciou nadbytku horúceho koncentrovaného kyselina dusičná s chrómom získaným elektrolýzou roztoku síranu chromitého počas 100 minút pri prúde 75 A?
16. Aký objem oxidu dusnatého (II) (n.o.) sa získa, keď nadbytok roztoku kyseliny dusičnej reaguje s meďou získanou elektrolýzou taveniny chloridu meďnatého počas 50 minút pri prúdovej sile 10,5 A?
17. Za aký čas je potrebné vykonať elektrolýzu taveniny chloridu železitého pri prúde 30 A, aby sa získalo železo potrebné na úplnú interakciu so 100 g 30 % roztoku kyseliny chlorovodíkovej?
18. Ako dlho trvá elektrolýza roztoku dusičnanu nikelnatého pri prúde 15 A, aby sa získal nikel potrebný na úplnú interakciu s 200 g 35 % roztoku kyseliny sírovej pri zahrievaní?
19. Tavenina chloridu sodného bola elektrolyzovaná pri prúde 20 A počas 30 minút a tavenina chloridu draselného bola elektrolyzovaná počas 80 minút pri prúde 18 A. Oba kovy boli rozpustené v 1 kg vody. Nájdite koncentráciu alkálií vo výslednom roztoku.
20.
Horčík získaný elektrolýzou taveniny chloridu horečnatého počas 200 minút pri prúdovej sile
10 A, rozpustený v 1,5 l 25 % roztoku kyseliny sírovej s hustotou 1,178 g/ml. Nájdite koncentráciu síranu horečnatého vo výslednom roztoku.
21. Zinok získaný elektrolýzou roztoku síranu zinočnatého počas 100 minút pri prúdovej sile
17 A, bol rozpustený v 1 1 10 % roztoku kyseliny sírovej s hustotou 1,066 g/ml. Nájdite koncentráciu síranu zinočnatého vo výslednom roztoku.
22. Železo získané elektrolýzou taveniny chloridu železitého počas 70 minút pri prúde 11 A sa rozprášilo a ponorilo do 300 g 18 % roztoku síranu meďnatého. Nájdite hmotnosť vyzrážanej medi.
23.
Horčík získaný elektrolýzou taveniny chloridu horečnatého počas 90 minút pri prúdovej sile
17 A, boli ponorené do nadbytku kyseliny chlorovodíkovej. Nájdite objem a množstvo uvoľneného vodíka (n.o.s.).
24. Roztok síranu hlinitého sa podrobil elektrolýze počas 1 hodiny pri prúde 20 A. Koľko gramov 15 % roztoku kyseliny chlorovodíkovej by bolo potrebných na úplnú interakciu s výsledným hliníkom?
25. Koľko litrov kyslíka a vzduchu (N.O.) bude potrebných na úplné spálenie horčíka získaného elektrolýzou taveniny chloridu horečnatého počas 35 minút pri prúde 22 A?
Odpovede a riešenia nájdete v nasledujúcich číslach
Komerčné druhy komerčne čistého železa (typ Armco) získané pyrometalurgickou metódou majú čistotu 99,75 až 99,85 %. Ďalšie odstránenie najmä nekovových nečistôt (C, O, S, P, N) obsiahnutých v tomto železe je možné špeciálnym pretavením vo vysokom vákuu alebo žíhaním v atmosfére suchého vodíka. Avšak aj po takomto ošetrení obsah nečistôt dosahuje 2000-1500 dielov na milión dielov železa a hlavnými nečistotami sú C, P, S, Mn a O.
žehliť viac vysoký stupeňčistota sa získava elektrolytickými a chemickými metódami, ale vyžaduje si aj ďalšie komplexné čistenie.
Elektrolytickými metódami sa železo získava zo stredne koncentrovaných alebo koncentrovaných roztokov chloridu železitého, resp. vysoké hustoty a teploty rádovo 100°.
Podľa jednej z metód sa železo vyzrážalo z roztoku nasledujúceho zloženia g/l: 45-60 Fe2+ (vo forme FeCl2), 5-10 BaCl2 a 15 NaHCOs. Ako anódy boli použité platne vyrobené zo železa Armco alebo Ural, ako katódy bol použitý čistý hliník. Elektrolýza sa uskutočnila pri teplote miestnosti a prúdovej hustote 0,1 A/dm2. Získala sa zrazenina s hrubou kryštalickou štruktúrou, ktorá obsahovala asi 0,01 % C, stopy fosforu a neobsahovala síru.
Čistota elektrolytického železa závisí od čistoty elektrolytu a čistoty kovu anód. Počas zrážania sa môžu odstrániť nečistoty ušľachtilejšie ako železo, ako je cín, zinok, meď. Je vhodný na odstránenie niklu, kobaltu, mangánu. Celkový obsah nečistôt v elektrolytickom železe je približne rovnaký ako v komerčne čistom železe. Zvyčajne obsahuje značné množstvo kyslíka (až 0,1-0,2%), ako aj síru (0,015-0,05%), ak sa zrážanie uskutočnilo zo síranových kúpeľov.
Odstránenie kyslíka z elektrolytického železa sa uskutočňuje redukčnými procesmi: úpravou tekutého alebo pevného kovu vodíkom alebo deoxidáciou taveniny uhlíkom vo vákuu. Žíhanie v prúde suchého vodíka pri 900-1400°C znižuje obsah kyslíka na 0,003%.
Na získanie vysoko čistého železa v polopriemyselnom meradle sa vo vákuovom taviarni používa metóda redukcie vodíka. Elektrolytické železo sa najprv podrobí odsíreniu s prísadou mangánu v tégliku z vápna a kazivca v atmosfére oxidu uhoľnatého (obsah síry sa znížil z 0,01 na 0,004 %), potom sa tavenina redukuje vodíkom fúkaním alebo fúkaním v tégliku z hliníka oxid. V tomto prípade bolo možné znížiť obsah kyslíka na 0,004-0,001 %. Odsírenie kovov sa môže uskutočňovať aj vo vysokom vákuu, pričom sa do taveniny pridávajú také kovy (cín, antimón, bizmut), ktoré tvoria prchavé sulfidy. Deoxidáciou taveniny uhlíkom vo vysokovákuových peciach je možné získať železo s obsahom kyslíka a uhlíka v každej z nich do 0,002 %.
Získanie železa s nižším obsahom kyslíka deoxidáciou vo vysokom vákuu je sťažené interakciou kovu s materiálom téglika, ktorá je sprevádzaná prechodom kyslíka do kovu. najlepší materiál Tégliky zabezpečujúce minimálny prenos kyslíka sú ZrO2 a ThO2.
Vysoko čisté železo sa získava aj karbonylovou metódou z pentakarbonylu Fe (CO) 5 jeho rozkladom pri 200-300 °. Karbonylové železo zvyčajne neobsahuje nečistoty spojené so železom - síru, fosfor, meď, mangán, nikel, kobalt, chróm, molybdén, zinok, kremík. Špecifické nečistoty v ňom sú uhlík a kyslík. Prítomnosť kyslíka je spôsobená sekundárnymi reakciami medzi vznikajúcim oxidom uhličitým a železom. Obsah uhlíka dosahuje 1%; môže sa znížiť na 0,03 % pridaním malého množstva amoniaku k parám karbonylu železa alebo spracovaním železného prášku vo vodíku. Odstránenie uhlíka a kyslíka sa dosahuje rovnakými metódami vákuového tavenia, aké sa používajú pre elektrolytické železo.
Najčistejšie železo je možné získať chemicky, ale táto metóda je veľmi komplikovaná a umožňuje získať kov v malých množstvách. AT chemické metódy rekryštalizácia, zrážacie reakcie alebo extrakcia nečistôt zrážaním sa používajú na čistenie solí železa od nečistôt Co, Ni, Cu, Cr, Mn.
Jeden z chemické metódy, ktorý umožňuje získať železo s veľmi vysokým stupňom čistoty (menej ako 30-60 častíc na milión nečistôt), zahŕňa nasledujúce po sebe nasledujúce stupne:
1) extrakcia komplexu FeCl3 éterom z 6-n roztoku HCl s regeneráciou vodného roztoku a následnou extrakciou éteru;
2) redukcia FeCls na FeCl2 železom vysokej čistoty;
3) ďalšie čistenie FeCl2 z medi spracovaním so sírovým činidlom a potom s éterom;
4) elektrolytické vylučovanie kovu z roztoku FeCl2;
5) žíhanie kovových zŕn vo vodíku (na odstránenie kyslíka a uhlíka);
6) získavanie kompaktného železa práškovou metalurgiou (lisovanie do tyčí a spekanie vo vodíku)
Posledná etapa môže byť uskutočnená zónovým tavením bez téglika, čím sa eliminuje nevýhoda vákuového spracovania - prenos kyslíka z téglika na kov.
14.06.2019
Ohýbačka tvaroviek od Vanguard. Princíp činnosti, konštrukčné vlastnosti a prehľadové údaje prípravkov, zostáv, prístrojov a iných zariadení na ohýbanie ...
14.06.2019
Pri výmene drezu v priestore kuchyne, pri montáži batérie, vane, okien a dverí sa počíta s použitím tmelov. Ide o špeciálne kompozitné látky,...
13.06.2019
Hlavným účelom striekacej kabíny je kvalitné a rovnomerné lakovanie. vozidlo. Samozrejme, túto metódu nemožno nazvať ...
13.06.2019
Banský hutnícky podnik Almalyk začal s realizáciou druhej etapy programu zameraného na výstavbu železničných...
13.06.2019
Sústruženie je jedným z druhov spracovania výrobku, pri ktorom sa štandardný kovový polotovar mení na požadovaný konštrukčný prvok. Na vykonanie...
13.06.2019
V priebehu rokov je v tomto svete badateľná tendencia zvyšovať výrobu kovových konštrukcií. Značný dopyt po takýchto štruktúrach je spojený s ich výhodami v ...
12.06.2019
Brazílska spoločnosť Vale oznámila, že plánuje vyčleniť jednu miliardu deväťsto miliónov amerických dolárov na odstránenie a zvýšenie...
12.06.2019
Terasa, alebo ako ju ľudia radi nazývajú, veranda, je dnes najdôležitejším atribútom každého vidieckeho domu. Málokto bude argumentovať tým, že má skvelú...
12.06.2019
V súčasnosti sú výrobky z nehrdzavejúcej ocele pripravené ponúknuť spotrebiteľom veľké množstvo produktov ako sú nerezové tvarovky, uholníky, šesťhrany,...
Výroba železa (čítaj liatiny a ocele) elektrolýzou namiesto konvenčného tavenia by mohla zabrániť emisii miliardy ton oxid uhličitý do atmosféry každý rok. Tak hovorí Donald Sadoway z Massachusettského technologického inštitútu (MIT), ktorý vyvinul a otestoval „zelený“ spôsob výroby železa elektrolýzou jeho oxidov.
Ak by sa proces demonštrovaný v laboratórnych podmienkach mohol rozšíriť, mohlo by to eliminovať potrebu konvenčného tavenia, ktoré uvoľňuje do atmosféry takmer tonu oxidu uhličitého na každú tonu vyrobenej ocele.
V konvenčnej technológii sa železná ruda kombinuje s koksom. Koks reaguje so železom za vzniku CO2 a oxid uhoľnatý, a ponechaním zliatiny železa a uhlíka - liatiny, ktorá sa potom môže roztaviť na oceľ.
Pri metóde Sadoway sa železná ruda mieša s rozpúšťadlom - oxidom kremičitým a nehaseným vápnom - pri teplote 1600 stupňov Celzia - a touto zmesou prechádza elektrický prúd.
Záporne nabité ióny kyslíka migrujú na kladne nabitú anódu, odkiaľ kyslík uniká. Pozitívne nabité ióny železa migrujú na záporne nabitú katódu, kde sa redukujú na železo, ktoré sa zhromažďuje v spodnej časti článku a je odčerpávané.
Podobný proces sa používa pri výrobe hliníka (a vyžaduje si slušné množstvo elektriny), ktorého oxid je taký stabilný, že sa vlastne nedá redukovať uhlíkom vo vysokej peci, v ktorej sa napríklad vyrába surové železo . A je jasné, že oceliarsky priemysel nikdy nemal dôvod prejsť na elektrolýzu železnej rudy, pretože sa ľahko redukuje uhlíkom.
Ale ak vlády rozdielne krajiny začnú uvalovať vysoké dane na emisie skleníkových plynov – najmä oxidu uhličitého, potom by sa nový spôsob výroby surového železa mohol stať atraktívnejším. Je pravda, že od laboratórnych zariadení tohto druhu po priemyselné zariadenia, ako odhadujú vedci, to bude trvať 10-15 rokov.
Autor práce hovorí, že najväčšou prekážkou je nájsť praktický materiál na anódu. Pri pokusoch použil anódu vyrobenú z grafitu. Uhlík však, žiaľ, reaguje s kyslíkom, pričom sa do ovzdušia uvoľňuje toľko oxidu uhličitého ako pri bežnom tavení železa.
Ideálne platinové anódy sú napríklad príliš drahé na výrobu vo veľkom meradle. Ale môže existovať východisko - vo výbere niektorých odolných kovových zliatin, ktoré na svojom vonkajšom povrchu vytvárajú oxidový film, ale stále vedú elektrinu. Možno použiť aj vodivú keramiku.
Ďalší problém je ten nový proces spotrebuje veľa elektriny - asi 2 tisíc kilowatthodín na tonu vyrobeného železa. Ekonomický a dokonca ekologický zmysel sa v novom spôsobe výroby železa prejaví len za predpokladu, že táto elektrina sa bude vyrábať nejakým ekologickým, a zároveň lacným spôsobom, bez emisií oxidu uhličitého. Priznáva to aj samotný autor metódy.
