При проходженні електричного струмучерез метали (провідники 1-го роду) хімічні реакції не відбуваються, і метали залишаються постійними. Якщо ж електричний струм проходить через розплав або розчин електроліту (провідники 2-го роду), на межі електроліт – металевий провідник (електрод) відбуваються різні хімічні реакції (електроліз) та утворюються нові сполуки.
Електроліз називається сукупність процесів, що відбуваються при проходженні електричного струму через електрохімічну систему, що складається з двох електродів і розплаву або розчину електроліту.
При електролізі катіони переміщуються до негативного електрода (катода), а аніони - до позитивного електрода (анода). Однак, не завжди катіони і аніони електроліту розряджаються, приймаючи або віддаючи електрони. Часто в реакціях електролізу бере участь розчинник-електроліт, наприклад вода.
Принципова відмінність між реакціями в гальванічному елементі та електролізері полягає тільки в їхньому напрямку та мимовільності. У замкнутому ланцюзі гальванічного елемента електрохімічна реакція протікає мимовільно, а електролізері - лише під впливом електричного струму зовнішнього джерела.
Слід звернути увагу на назву електродів: у гальванічному елементі негативний електрод – анод, а позитивний – катод; в електролізері, навпаки, негативний електрод – катод, а позитивний – анод.
При цьому слід пам'ятати, що терміни "негативний" і "позитивний" завжди відносяться до полюсів джерела струму, саме так вони позначають електроди електролізера. Загальне у цих процесах у тому, що у гальванічному елементі, і у электролизере на негативному електроді створюється надлишок електронів, але в позитивному - їх недолік. На катоді іони чи молекули відновлюються під впливом електронів, на аноді частки окислюються, віддаючи свої електрони електроду.
В електролізері катіони (М n+) переміщуються до катода (–), а аніони (А n–) - до анода (+).
Напруженням розкладанняЕлектроліт при електролізі називається мінімальна напруга (зовнішня ЕРС), яку потрібно прикласти до електродів. Наприклад, для розчину хлориду цинку при стандартних умов:
Zn 2+ + 2 ē = Zn φ° = - 0,76 B,
Cl 2 + 2 ē = 2Cl - φ ° = + 1,36 В,
і напруга розкладання одно (за абсолютною величиною) сумі стандартних електродних потенціалів обох електродів: 0,76 + 1,36 = 2,12, тобто. напруга розкладання не може бути нижчою за ЕРС відповідного гальванічного елемента.
Напруга розкладанняскладається з потенціалів двох електродів - потенціалів розряджання іонів.
Потенціал розрядженнякатіону іноді називають потенціалом осадженняметалу. Це той мінімальний потенціал, який має бути доданий до електрода для того, щоб катіон втратив заряд і відбулося осадження металу. Для деяких іонів (Cu 2+ , Ag + , Cd 2+) потенціал осадження близький до електродного потенціалу, для інших іонів (Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+) потенціали осадження значно перевищують електродні потенціали металів - для електролізу необхідно певну перенапругу.
Розрізняють електроліз розчиніві електроліз розплавів. Електроліз розчинів поділяють на електроліз з інертними електродамиі електроліз з розчинним анодом. Інертними можуть бути металеві (Pt, Au) та неметалічні (графіт) електроди. Як розчинні використовують аноди з Cr, Ni, Cd, Zn, Ag, Cu та ін.
Деякі метали практично не розчиняються через високу анодну поляризацію, наприклад Ni і Fe в лужному розчині, Pb H 2 SO 4 .
Електроліз розчинів із інертними електродами.При електроліз водних розчинів електролітів часто замість металу на катоді виділяється не метал, а водень. У кислотних середовищах водень утворюється за реакцією:
2H + + 2 ē = H2.
У нейтральних та лужних середовищах водень утворюється за реакцією за участю молекул води:
2H 2 O + 2 ē = H 2 + OH -.
Такі катіони, як Na + або К + у водному розчині взагалі не розряджаються, а виділяється водень.
Катіони можуть бути згруповані по здатності розряджатися в ряд від тих, що не розряджаються до легко розряджаються. При цьому змінюються продукти електролізу. Для деяких катіонів можливе одночасне утворення металу та водню.
Нижче дані катіони в порядку зниження проблеми їх розрядження та продукти електролізу:
Катіони Продукти електролізу
Li + , K + , Na + , Mg 2+ , Al 3+ , H + (перенапр.) H 2
Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3 + , Fe 2 + , H + (рН 7) M + H 2
Co 2+ , Ni 2+ , Sr 2+ , Рb 2+ , Н + (рН 0) M + H 2
Cu 2+ , Ag + , Au 3 + M
Різне становище водню у цьому ряду пояснюється такими причинами. Положення водню між свинцем і міддю відповідає чисельним значенням стандартних електродних потенціалів при З M n+ = З H + = 1 моль/л, тобто. при рН = 0. Положення водню між залізом і кобальтом відповідає електродного потенціалу водню у воді при рН = 7 (? H 2 / H + = -0,414 В). За цих умов з розчинів можуть бути обложені всі метали, значення φ ° яких більше, ніж –0,414 У. Однак практично крім кобальту, нікелю, олова і свинцю вдається з водних розчинів осадити також цинк, хром і залізо. Це пояснюється тим, що виділення на катоді газоподібного воднюутрудняється перенапругою водню.
Таким чином, у ряді катіонів від Li + до А1 3+ метал не утворюється, а при електроліз виділяється водень за рахунок відновлення води. У ряді катіонів відМn 2+ до Рb 2+ при електролізі утворюються одночасно метал і водень, і, нарешті, у ряді Cu 2+ - Au 3+ утворюється лише метал.
Отже, чим ліворуч (ближче до початку) стоїть метал у ряді стандартних електродних потенціалів (ряд напруг), тим важче виділити цей метал електролізом водного розчину.
Якщо до розчину, що містить кілька катіонів, додати поступово зростаючу напругу, то електроліз починається тоді, коли досягається потенціал осадження катіону з найвищим електродним потенціалом (найбільш позитивним). При електролізі розчину, що містить іони цинку (φ °= -0,76 В) та міді (φ ° = +0,34 В), на катоді спочатку виділяється мідь, і лише після того, як багато іони Сu 2+ розрядяться, почне виділятися цинк. Таким чином, якщо в розчині одночасно містяться різні катіони, то при електролізі їх можна виділити послідовно відповідно до значень їх електродних потенціалів. При цьому передбачається, що перенапруга виділення металів для них приблизно однакова (і невелика).
Що стосується потенціалів розрядження аніонів, то тут картина набагато складніша через здатність води брати участь у процесі електролізу. У випадку можна сказати, що у аноді спочатку розряджаються аніони з найнижчим потенціалом (найменш позитивні). Якщо розчин містить іони Сl – (φº=1,36 В), Вr – (φ° = 1,09 В) та I – (φº = 0,54 В), то спочатку утворюватиметься йод, потім бром і, нарешті, хлор. Фторид-іони у водному розчині взагалі розряджатися не можуть (φ ° = 2,87).
Більшість кисневмісних аніонів (крім ацетат-іону) у водному розчині не розряджаються, замість них у кислотних і нейтральних розчинахвідбувається розкладання води:
2Н 2 Про – 4 ē = Про 2 + 4Н + ,
а в лужних розчинах - розрядка гідроксид-іонів:
2OH – – 2 ē = 1/2 O 2 + H 2 O.
Аніони за їх здатністю розряджатися при електролізі водних розчинів розташовуються в наступному ряду від аніонів, що не розряджаються у водному розчині, кисневмісних кислот типу SO 4 2– , NO 3 – до легкоразряжающихся:
Аніони Продукти електролізу
SO 4 2– , NO 3 – тощо, ВІН – O 2
Сl – , Вr – , I – Cl 2 (ClO – , ClO 3 –), Br 2 , I 2 (+O 2)
S 2– S, SO 2 (+ O 2)
Таким чином, можна сформулювати такі основні правила електролізу водних розчинів електролітів з нерозчинними електродами:
1. З аніонів електролітів насамперед розряджаються на аноді аніони безкисневих кислот (Cl – , Br – , S 2– і т.д.).
2. Аніони кисневмісних кислот (SO 4 2– , NO 3 – , CO 3 2– тощо) у присутності води не розряджаються, замість них окислюється вода за реакцією:
2H 2 O – 4 ē = O 2 + 4H +.
3. Активні метали, розташовані в ряді напруги до Al (включно) на катоді не відновлюються, замість них відновлюється вода:
2H 2 O + 2 ē = H 2 + 2OH - .
4. Метали, розташовані у ряді напруг після алюмінію, але до водню, відновлюються на катоді нарівні з молекулами води:
До: 1) Zn 2+ + 2 ē = Zn
2) 2H 2 O + 2 ē = H 2 + 2OH - .
5. Метали, що мають позитивне значення електродного потенціалу, відновлюються на катоді в першу чергу:
Cu 2+ + 2 ē = Cu
Наприклад, при електролізі сірчаної кислоти (графітові електроди) відбуваються такі процеси:
на катоді 2Н + + 2 ē = Н 2 ,
на аноді 2Н 2 Про – 4 ē = Про 2 + Н +.
Сумарне рівняння:
2H 2 O = 2H 2 + O 2 ,
тобто. при електролізі розчину сірчаної кислоти водень та кисень виділяються за рахунок розкладання молекул води. Продукти електролізу: водень та кисень.
Електроліз розчину сульфату міді:
на катодіСu 2 + + 2 ē = Су,
на аноді 2Н 2 Про – 4 ē = O 2 + 4H +
Сумарне рівняння:
2Cu 2+ + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 4H +
2CuSO 4 + 2Н 2 О = 2Сu + О 2 + 2H 2 SO 4 .
Продукти електролізу: мідь, кисень, сірчана кислота.
Можливість розряджання аніону залежить від його концентрації. Так, продукти електролізу концентрованого та розведеного розчинів NaCl - хлор та кисень відповідно.
Електроліз розведеного розчину хлориду натрію проходить без розряджання іонів Сl – (і відповідно іонів Na +), тобто. відбувається розкладання води. У міру підвищення концентрації солі на аноді разом з киснем починається виділення хлору, і концентрованих розчинах утворюється хлор (з домішкою кисню):
на катоді 2H 2 O + 2 ē = H 2 + 2OH -
на аноді 2Сl - - 2 ē = Cl 2 .
Сумарне рівняння:
2Cl - + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2OH -
2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH.
Продукти електролізу: водень, хлор та гідроксид натрію.
У разі виділення хлору при електролізі розчинів хлоридів на основний процес утворення хлору накладаються реакції взаємодії хлору з водою (гідроліз) і подальших перетворень речовин, що утворюються. Гідроліз хлору проходить з утворенням слабкої хлорноватої кислоти та хлорид-іонів (соляна кислота):
Сl 2 + Н 2 О = Н + + Сl - + НС1О.
Хлорновата кислота з лугом, що утворюється при електролізі (точніше, Na + +OH -) дає як продукт гіпохлорит натрію NaClO. У лужному середовищі сумарне рівняння реакції має вигляд:
Сl 2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + Н 2 О.
При підвищених температурах (кипіння води) гідроліз хлору проходить із утворенням хлорат-іону. Можливі рівняння реакцій:
3Cl 2 + 3H 2 O = ClO 3 – + 5 Cl – + 6H + ,
3НСlO = СlO 3 - + 2Сl - + 3Н + ,
3СlО - = СlO 3 - + 2Сl - .
У лужному середовищі сумарне рівняння має вигляд
3Сl 2 + 6NaOH = NaClO 3 + 5NaCl + 3Н2О.
Електроліз із діафрагмою.При електролізі розбавленого розчину хлориду натрію до катода переміщуються іони Na + але виділяється водень:
2Н 2 Про+2 ē = Н 2 + ВІН -
та концентрується розчин гідроксиду натрію.
До анода переміщуються хлорид-іони, але через їх низьку концентрацію в основному утворюється не хлор, а кисень:
2H 2 O – 4 ē = O 2 + 4H +
і концентрується розчин соляної кислоти.
Якщо електроліз проводиться в хімічній склянці або іншій подібній посудині, розчини лугу та кислоти змішуються і електроліз зводиться до утворення водню та кисню за рахунок розкладання води. Якщо ж анодне і катодне простору розділити перегородкою (діафрагмою), що пропускає іони-переносники струму, але перешкоджає змішуванню приелектродних розчинів, то можна як продукти електролізу отримати розчини кислоти та лугу.
При електролізі розчину хлориду натрію гідроксид-іони, що утворилися на катоді за реакцією:
2H 2 O + 2 ē = H 2 + 2OH -
відразу ж починають брати участь у перенесенні електрики і разом з іонами С1 - переміщуються до анода, де обидва іони розряджаються і утворюється суміш кисню та хлору. Тому вихід хлору падає. Якщо анод виготовлений з вугілля (графіту), він окислюється киснем і утворюються оксиди вуглецю СО і СО 2 , забруднюючі хлор. Далі хлор, що утворюється на аноді, взаємодіє з гідроксид-іонами:
С1 2 + ВІН - = Н + + Сl - + ОСl -.
Утворення гіпохлорит-іонів – також небажаний процес (якщо отримання розчину гіпохлориту натрію не є метою). Усіх цих небажаних наслідків вдається уникнути, якщо користуватися діафрагмою, що розділяє катодне і анодне простору і затримує іони ВІН – але пропускає іони Сl – . Нарешті, діафрагма перешкоджає дифузії газів і дозволяє отримати більш чистий водень.
Якщо в розчині міститься кілька аніонів, передбачити послідовність їх розрядження на аноді складніше, ніж катіонів, але, взагалі кажучи, дотримується правило, що в першу чергу розряджається аніон, що характеризується найнижчим значенням потенціалу (або найвищим негативним значенням електродного потенціалу реакції, що проходить на аноді).
Електроліз розчинів із розчинним анодом.Електроліз з розчинним анодом можливий тоді, коли метал легше віддає електрони ніж іони Сl – , ОН – або молекули води. Наприклад, на мідному аноді в розчині хлориду чи сульфату міді хлор чи кисень не виділяються, а відбувається перехід у розчин іонів Сu 2+ . Одночасно на катоді ті ж іони розряджаються і осаджується металева мідь. Таким чином, електроліз з розчинним анодом зводиться до перенесення міді з аноду на катод.
Реакція на аноді здебільшого ускладнюється численними побічними та часто небажаними процесами. Наприклад, іони, що утворюються, можуть утворювати оксиди, гідроксиди та їх плівки:
М 2+ + 2ОН - = МО + Н 2 О.
На аноді можливе також виділення кисню:
2H 2 O – 4 ē = O 2 + 4H + ,
який може брати участь у різних реакціях електролітичної системи.
При утворенні газоподібних продуктів, особливо кисню, у більшості випадків потенціали розкладання не відповідають електродним потенціалам через високі значення перенапруги. . Перенапругою називають різницю між реальною напругою розкладання та теоретично розрахованим з електродних потенціалів ЕРС відповідної реакції. Особливо сильно впливають на величину перенапруги природа речовини, що виділяється (для хлору, брому і йоду перенапруга дуже незначна) і матеріал електрода. Нижче наведено дані щодо перенапруги при виділенні водню та кисню на різних катодах та анодах.
Електрод Перенапруга,
Водень Кисень
Pt чорнена 0,00 0,2-0,3
Pt блискуча 0,1 0,4-0,5
Fe 0.1-0,2 0,2-0,3
Ni 0,1-0,2 0,1-0,3
Су 0,2 0,2-0,3
Pb 0,4-0,6 0,2-0,3
Перенапруга залежить також від форми електродів, стану їхньої поверхні, щільності струму, температури розчину, інтенсивності перемішування розчину та інших факторів.
Перенапруга водню на залозі дорівнює ~ 0,1 В, а кисню на тому ж матеріалі ~ 0,3 В. Отже, перенапруга при електролізі на залізних електродах становитиме 0,1 + 0,3 = 0,4 В. Сума цього значення і теоретично обчисленого становитиме мінімальне значення напруги розрядження відповідного електроліту.
Ставлення до перенапруги – подвійне. З одного боку, перенапруга призводить до підвищеної витрати електроенергії, з іншого боку, завдяки перенапрузі вдається осаджувати з водних розчинів багато металів, які за значеннями стандартних електродних потенціалів осідати не повинні. Це Fe, Pb, Sn, Ni, Co, Zn , Cr. Саме завдяки перенапрузі, а також впливу концентрації розчину на електродний потенціал можливі електролітичне хромування та нікелювання залізних виробів, а на ртутному електроді вдається одержати з водного розчину навіть натрій.
Розрядження у водному розчині іонів Сl – , а не ВІН – у розчинах з високою концентрацією електроліту також пояснюється перенапругою кисню. Однак цього перенапруги виявляється недостатньо, щоб відбулося розрядження іонів F – виділення вільного фтору.
На величину перенапруги впливають багато інших кінетичних факторів - швидкості перенесення частинок до електродів і відведення продуктів електролізу, швидкість процесу руйнування гідратних та інших оболонок іонів, що розряджаються, швидкість з'єднання атомів у двоатомні газові молекули і т.п.
Вирішення хімічних завдань
на закон Фарадея в курсі
середньої школи
Авторська розробка
Серед безлічі різноманітних хімічних завдань, як свідчить практика викладання у шкільництві, найбільші труднощі викликають завдання, на вирішення яких крім міцних хімічних знань потрібно непогано володіти матеріалом курсу фізики. І хоча далеко не в кожній середній школі приділяється увага вирішенню хоча б найпростіших завдань з використанням знань двох курсів – хімії та фізики, завдання такого типу іноді зустрічаються на вступних іспитіву вузах, де хімія є профільною дисципліною. А тому, не розібравши завдання такого типу на уроках, вчитель може ненавмисно позбавити свого учня шансу на вступ до вузу на хімічну спеціальність.
Ця авторська розробка містить понад двадцять завдань, які так чи інакше пов'язані з темою «Електроліз». Для вирішення завдань даного типу необхідно не лише добре знати тему «Електроліз» шкільного курсу хімії, а й знати закон Фарадея, який вивчається у шкільному курсі фізики.
Можливо, ця добірка завдань не буде цікава всім учням у класі або всім доступна. Проте завдання цього типу рекомендується розібрати із групою зацікавлених учнів на гуртковому чи факультативному занятии. Можна з упевненістю відзначити, що завдання такого типу ускладнені і принаймні не є типовими для шкільного курсу хімії (йдеться про середню загальноосвітній школі), а тому завдання даного типу можна сміливо включати у варіанти шкільної чи районної хімічної олімпіадидля 10-х чи 11-х класів.
Наявність докладного рішеннядля кожного завдання робить розробку цінною підмогою, особливо для учителів-початківців. Розібравши кілька завдань з учнями на факультативному занятті чи занятті гуртка, творчо працюючий вчитель неодмінно поставить кілька однотипних завдань додому і скористається даної розробкою у процесі перевірки домашніх завдань, що дозволить суттєво заощадити безцінний вчительський час.
Теоретичні відомості з проблеми
Хімічні реакції, що протікають під дією електричного струму на електродах, поміщених у розчин або розплав електроліту, називають електролізом. Розглянемо приклад.
У склянці при температурі близько 700 °З знаходиться розплав хлориду натрію NaCl, в нього занурені електроди. До пропускання через розплав електричного струму іони Na + та Cl – рухаються хаотично, проте при накладенні електричного струму рух цих частинок стає впорядкованим: іони Na + спрямовуються до негативно зарядженого електрода, а іони Cl – до позитивно зарядженого електрода.
Іон- Заряджений атом або група атомів, що володіє зарядом.
Катіон- Позитивно заряджений іон.
Аніон- Негативно заряджений іон.
Катод– негативно заряджений електрод (до нього рухаються позитивно заряджені іони – катіони).
Анод- Позитивно заряджений електрод (до нього рухаються негативно заряджені іони - аніони).
Електроліз розплаву хлориду натрію на платинових електродах
Сумарна реакція:
Електроліз водного розчину хлориду натрію на вугільних електродах
Сумарна реакція:
або в молекулярній формі:
Електроліз водного розчину хлориду міді(II) на вугільних електродах
Сумарна реакція:
У електрохімічному ряду активності металів мідь розташована правіше водню, тому мідь і відновлюватиметься на катоді, а аноді окислюватиметься хлор.
Електроліз водного розчину сульфату натрію на платинових електродах
Сумарна реакція:
Аналогічно відбувається електроліз водного розчину нітрату калію (платинові електроди).
Електроліз водного розчину сульфату цинку на графітових електродах
Сумарна реакція:
Електроліз водного розчину нітрату заліза(III) на платинових електродах
Сумарна реакція:
Електроліз водного розчину нітрату срібла на платинових електродах
Сумарна реакція:
Електроліз водного розчину сульфату алюмінію на платинових електродах
Сумарна реакція:
Електроліз водного розчину сульфату міді на мідних електродах – електрохімічне рафінування
Концентрація CuSO 4 у розчині залишається постійною, процес зводиться до перенесення матеріалу анода на катод. У цьому полягає сутність процесу електрохімічного рафінування (отримання чистого металу).
При складанні схем електролізу тієї чи іншої солі слід пам'ятати, що:
- катіони металів, що мають більший стандартний електродний потенціал (СЕП), ніж у водню (від міді до золота включно), при електролізі практично повністю відновлюються на катоді;
- катіони металів з невеликими значеннями СЕП (від літію до алюмінію включно) не відновлюються на катоді, а замість них відновлюються молекули води до водню;
- катіони металів, у яких значення СЕП менше, ніж у водню, але більше, ніж у алюмінію (від алюмінію до водню), при електролізі на катоді відновлюються одночасно з водою;
– якщо водний розчин містить суміш катіонів різних металів, наприклад Ag + , Cu 2+ , Fe 2+ , то в цій суміші першим відновиться срібло, потім мідь та останнім – залізо;
– на нерозчинному аноді в процесі електролізу відбувається окислення аніонів або молекул води, причому аніони S 2– , I – , Br – , Cl – легко окислюються;
- якщо в розчині знаходяться аніони кисневмісних кислот , , , , то на аноді окислюються молекули води до кисню;
- якщо анод розчинний, то при електролізі він сам піддається окисленню, тобто посилає електрони у зовнішній ланцюг: при віддачі електронів зміщується рівновага між електродом та розчином і анод розчиняється.
Якщо з усього ряду електродних процесів виділити лише ті, що відповідають загальному рівнянню
М z+ + ze= M,
то отримаємо ряд напруг металів. У цей ряд завжди поміщають водень, що дозволяє бачити, які метали здатні витісняти водень з водних розчинів кислот, а які ні (табл.).
Таблиця
Ряд напруг металів
| Рівняння електродного процесу |
Стандартний електродний потенціал при 25 °С, В |
Рівняння електродного процесу |
Стандартний електродний потенціал при 25 °С, |
|---|---|---|---|
| Li + + 1 e= Li 0 | –3,045 | Co 2+ + 2 e= Co 0 | –0,277 |
| Rb + + 1 e= Rb 0 | –2,925 | Ni 2+ + 2 e= Ni 0 | –0,250 |
| K + + 1 e= K 0 | –2,925 | Sn 2+ + 2 e= Sn 0 | –0,136 |
| Cs + + 1 e= Cs 0 | –2,923 | Pb 2+ + 2 e= Pb 0 | –0,126 |
| Ca 2+ + 2 e= Ca 0 | –2,866 | Fe 3+ + 3 e= Fe 0 | –0,036 |
| Na + + 1 e= Na 0 | –2,714 | 2H + + 2 e= H 2 | 0 |
| Mg 2+ + 2 e= Mg 0 | –2,363 | Bi 3+ + 3 e= Bi 0 | 0,215 |
| Al 3+ + 3 e= Al 0 | –1,662 | Cu 2+ + 2 e= Cu 0 | 0,337 |
| Ti 2+ + 2 e= Ti 0 | –1,628 | Cu + +1 e= Cu 0 | 0,521 |
| Mn 2+ + 2 e= Mn 0 | –1,180 | Hg 2 2+ + 2 e= 2Hg 0 | 0,788 |
| Cr 2+ + 2 e= Cr 0 | –0,913 | Ag + + 1 e= Ag 0 | 0,799 |
| Zn 2+ + 2 e= Zn 0 | –0,763 | Hg 2+ + 2 e= Hg 0 | 0,854 |
| Cr 3+ + 3 e= Cr 0 | –0,744 | Pt 2+ + 2 e= Pt 0 | 1,2 |
| Fe 2+ + 2 e= Fe 0 | –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 |
У більш простому вигляді ряд напруг металів можна так:
Для вирішення більшості завдань на електроліз потрібне знання закону Фарадея, формульний вираз якого наведено нижче:
m = M I t/(z F),
де m– маса речовини, що виділилася на електроді, F– число Фарадея, що дорівнює 96485 А с/моль, або 26,8 А ч/моль, М – молярна масаелемента, що відновлюється в процесі електролізу, t- Час проведення процесу електролізу (у секундах), I- Сила струму (в амперах), z- Число електронів, що беруть участь у процесі.
Умови завдань
1. Яка маса нікелю виділиться в процесі електролізу розчину нітрату нікелю протягом 1 години при силі струму 20 А?
2. За якої сили струму необхідно проводити процес електролізу розчину нітрату срібла, щоб протягом 10 год отримати 0,005 кг чистого металу?
3. Яка маса міді виділиться при електролізі розплаву хлориду міді(II) протягом 2 годин при силі струму 50 А?
4. Протягом якого часу потрібно проводити процес електролізу водного розчину сульфату цинку при силі струму 120 А, щоб отримати 3,5 г цинку?
5. Яка маса заліза виділиться у процесі електролізу розчину сульфату заліза(III) при силі струму 200 А протягом 2 год?
6. За якої сили струму необхідно проводити процес електролізу розчину нітрату міді(II), щоб протягом 15 год отримати 200 г чистого металу?
7. Протягом якого часу необхідно проводити процес електролізу розплаву хлориду заліза(II) при силі струму 30 А, щоб отримати 20 г чистого заліза?
8. При якій силі струму необхідно проводити процес електролізу розчину нітрату ртуті(II), щоб протягом 1,5 години отримати 0,5 кг чистого металу?
9. При якій силі струму необхідно проводити процес електролізу розплаву натрію хлориду, щоб протягом 1,5 год отримати 100 г чистого металу?
10. Розплав хлориду калію піддали електролізу протягом 2 год при силі струму 5 А. Отриманий метал прореагував з водою масою 2 кг. Який концентрації розчин лугу вийшов у своїй?
11.
Скільки грамів 30%-го розчину соляної кислоти потрібно для повної взаємодії із залізом, отриманим при електролізі розчину сульфату заліза(III) протягом 0,5 год при силі струму
10 А?
12. У процесі електролізу розплаву хлориду алюмінію, що проводиться протягом 245 хв при силі струму 15 А, отримали чистий алюміній. Скільки грамів заліза можна отримати алюмінотермічним методом при взаємодії даної маси алюмінію з оксидом заліза(III)?
13. Скільки мілілітрів 12%-го розчину КОН щільністю 1,111 г/мл потрібно для взаємодії з алюмінієм (з утворенням тетрагідроксіалюмінату калію), отриманим електролізом розчину сульфату алюмінію протягом 300 хв при силі струму 25 А?
14. Скільки мілілітрів 20% розчину сірчаної кислоти щільністю 1,139 г/мл потрібно для взаємодії з цинком, отриманим електролізом розчину сульфату цинку протягом 100 хв при силі струму 55 А?
15. Який обсяг оксиду азоту(IV) (н.у.) вийде при взаємодії надлишку гарячої концентрованої азотної кислотиіз хромом, отриманим електролізом розчину сульфату хрому(III) протягом 100 хв при силі струму 75 А?
16. Який обсяг оксиду азоту(II) (н.у.) вийде при взаємодії надлишку розчину азотної кислоти з міддю, одержаної електролізом розплаву хлориду міді(II) протягом 50 хв за сили струму 10,5 А?
17. Протягом якого часу необхідно проводити електроліз розплаву хлориду заліза(II) при силі струму 30 А, щоб отримати залізо, необхідне для повної взаємодії зі 100 г 30% розчину соляної кислоти?
18. Протягом якого часу необхідно проводити електроліз розчину нітрату нікелю при силі струму 15 А щоб отримати нікель, необхідний для повної взаємодії з 200 г 35%-го розчину сірчаної кислоти при нагріванні?
19. Розплав хлориду натрію піддали електролізу при силі струму 20 А протягом 30 хв, а розплав хлориду калію піддали електролізу протягом 80 хв при силі струму 18 А. Обидва метали розчинили в 1 кг води. Знайдіть концентрацію лугів у отриманому розчині.
20.
Магній, отриманий електролізом розплаву магнію хлориду протягом 200 хв при силі струму
10 А розчинили в 1,5 л 25%-го розчину сірчаної кислоти щільністю 1,178 г/мл. Знайдіть концентрацію сульфату магнію отриманому розчині.
21. Цинк, отриманий електролізом розчину сульфату цинку протягом 100 хв при силі струму
17 А розчинили в 1 л 10%-го розчину сірчаної кислоти щільністю 1,066 г/мл. Знайдіть концентрацію сульфату цинку в отриманому розчині.
22. Залізо, отримане електролізом розплаву хлориду заліза(III) протягом 70 хв при силі струму 11 А, перетворили на порошок і занурили в 300 г 18% розчину сульфату міді(II). Знайдіть масу міді, що випала в осад.
23.
Магній, отриманий електролізом розплаву магнію хлориду протягом 90 хв при силі струму
17 А, занурили в розчин соляної кислоти, взятий у надлишку. Знайдіть обсяг і кількість водню, що виділився (н.у.).
24. Розчин сульфату алюмінію піддали електролізу протягом 1 год при силі струму 20 А. Скільки грамів 15% розчину соляної кислоти потрібно для повної взаємодії з отриманим алюмінієм?
25. Скільки літрів кисню та повітря (н.у.) буде потрібно для повного спалювання магнію, отриманого електролізом розплаву хлориду магнію протягом 35 хв при силі струму 22 А?
Відповіді та рішення див. у наступних номерах
Промислові сорти технічно чистого заліза (типу Армко), одержувані пірометалургійним способом, мають ступінь чистоти 99,75-99,85%. Подальше видалення містяться в цьому залозі головним чином неметалічних домішок (С, О, S, Р, N) можливе спеціальною переплавкою у високому вакуумі або відпалом в атмосфері сухого водню. Однак навіть після подібної обробки вміст домішок досягає 2000-1500 частин на мільйон частин заліза, причому основними домішками є С, Р, S, Mn та Про.
Залізо більше високого ступенячистоти отримують електролітичним та хімічним методами, але й воно вимагає додаткового складного очищення.
Електролітичними способами залізо отримують з помірно концентрованих або концентрованих розчинів хлориду або сульфату заліза відповідно при малих щільностях струму та кімнатних температурах або високих щільностяхта температурах близько 100°.
За одним із способів залізо осаджували з розчину наступного складу, г/л: 45-60 Fe2+ (у вигляді FeCl2), 5-10 BaCl2 та 15 NaHCOs. Як аноди використовували пластини з армко-заліза або уральського покрівельного заліза, як катоди - чистий алюміній. Електроліз вели при кімнатній температурі та щільності струму 0,1 а/дм2. Отримували осад з великокристалічною структурою, що містить близько 0,01% С, сліди фосфору і сірки, що не містить.
Чистота електролітичного заліза залежить від чистоти електроліту та чистоти металу анодів. При осадженні можуть бути видалені домішки благородніші, ніж залізо, наприклад, олово, цинк, мідь. Не піддаються видаленню нікель, кобальт, марганець. Загальний вміст домішок в електролітичному залозі приблизно такий самий, як і в технічно чистому залозі. У ньому зазвичай міститься значна кількість кисню (до 0,1-0 2%), а також сірки (0,015-0,05%), якщо осадження вироблялося із сульфатних ванн.
Видалення кисню з електролітичного заліза здійснюється відновними процесами: обробкою рідкого чи твердого металу воднем чи розкисленням у вакуумі розплаву вуглецем. Відпалом у струмі сухого водню при 900-1400 ° вдається знизити вміст кисню до 0,003%.
Для отримання заліза високої чистоти напівпромислових масштабах використовується спосіб відновлення воднем у вакуумній плавильній установці. Електролітичне залізо спочатку піддається десульфурації присадкою марганцю в тиглі з вапна та плавикового шпату в атмосфері окису вуглецю (вміст сірки знизився з 0,01 до 0,004%), потім розплав відновлюється воднем шляхом обдування або продування в ти. У цьому вдавалося знизити вміст кисню до 0,004-0,001%. Десульфурацію металу можна проводити у високому вакуумі, використовуючи добавки в розплав таких металів (олово, сурма, вісмут), які утворюють леткі сульфіди. Шляхом розкислення розплаву вуглецем у високо-вакуумних печах вдається отримати залізо із вмістом кисню та вуглецю до 0,002% кожного.
Отримання заліза з нижчим вмістом кисню розкисленням у високому вакуумі утруднено взаємодією металу з матеріалом тигля, яке супроводжується переходом кисню до металу. Найкращим матеріаломтиглів, що забезпечують мінімальний перехід кисню, є ZrO2 та ThO2.
Високочисте залізо отримують також карбонільним методом з пентакарбонила Fe(CO)5 розкладанням при 200-300°. Карбонільне залізо не містить зазвичай супутніх домішок - сірки, фосфору, міді, марганцю, нікелю, кобальту, хрому, молібдену, цинку, кремнію. Специфічними домішками у ньому є вуглець і кисень. Наявність кисню обумовлено вторинними реакціями між двоокисом вуглецю і залізом, що утворюється. Вміст вуглецю сягає 1%; його можна знизити до 0,03%, якщо до пар карбонілу заліза додавати невелику кількість аміаку або обробляти порошок заліза у водні. Видалення вуглецю та кисню досягається тими самими способами вакуумної плавки, які використовуються і для електролітичного заліза.
Найбільш чисте залізо може бути одержано хімічним способом, проте цей спосіб дуже складний і дає можливість отримати метал у невеликих кількостях. У хімічних способахдля очищення солей заліза від домішок Co, Ni, Cu, Cr, Mn застосовують рекристалізації, реакції осадження або вилучення домішок осадженням.
Один з хімічних методів, Що дозволяє отримати залізо дуже високого ступеня чистоти (менше 30-60 частин домішок на мільйон), включає наступні послідовні стадії:
1) вилучення комплексу FeCl3 ефіром з розчину 6-н HCl з регенерацією водного розчину та подальшим вилученням ефіру;
2) відновлення FeCls до FeCl2 залізом високої чистоти;
3) додаткове очищення FeCl2 від міді обробкою сірчистим реактивом, а потім ефіром;
4) електролітичне осадження металу із розчину FeCl2;
5) відпал зерен металу у водні (для видалення кисню та вуглецю);
6) отримання компактного заліза методом порошкової металургії (пресування в прутки та спікання у водні)
Остання стадія може бути здійснена шляхом безтигельної зонної плавки, яка усуває нестачу вакуумної обробки - перехід кисню з тиглю в метал.
14.06.2019
Гнучкий верстат для арматури від Авангард. Принцип роботи, особливості конструкції та оглядові дані пристроїв, агрегатів, апаратів та іншого обладнання для згинання.
14.06.2019
При заміні миття на кухонному просторі під час монтажу змішувача, ванни, вікон та дверей передбачається використання герметиків. Це особливі композитні речовини,...
13.06.2019
Основним призначенням фарбувальної камери називають високоякісне та рівномірне фарбування. транспортного засобу. Звичайно ж, такий метод не можна назвати...
13.06.2019
Алмаликське гірське металургійне підприємство розпочало втілення у життя другої стадії програми, спрямованої на зведення об'єктів залізничної...
13.06.2019
Токарні роботи є одним із типів обробки виробів, у ході яких стандартна заготівля з металу перетворюється на потрібні конструкційний елемент. Для виконання...
13.06.2019
З роками у світі помітна тенденція до нарощування виробництва металевих конструкцій. Значний попит на подібні споруди пов'язаний з їхньою вигодою в...
12.06.2019
Корпорація з Бразилії Vale зробила заяву з приводу того, що вона планує виділити один мільярд дев'ятсот мільйонів доларів на видалення та збільшення...
12.06.2019
Тераса або як її люблять називати в народі, веранда є найважливішим атрибутом будь-якого заміського будинку сьогодні. Мало хто буде сперечатися з тим, що вона має великий...
12.06.2019
На даний момент нержавіючий металевий прокат готовий запропонувати споживачам велику кількість продукції на кшталт нержавіючої арматури, куточків, шестигранників.
Створення заліза (читай — чавуну та сталі) електролізом, а не звичайним плавленням могло б запобігти емісії мільярда тонн Вуглекислий газв атмосферу щороку. Так говорить Дональд Седовей (Donald Sadoway) з Массачусетського технологічного інституту (MIT), який розробив та випробував «зелений» спосіб виробництва заліза електролізом його оксидів.
Якщо процес, продемонстрований в умовах лабораторії, буде масштабований, він зміг би усунути потребу у звичайній виплавці, яка випускає в атмосферу майже тонну вуглекислого газу на кожну тонну виробленої сталі.
За звичайної технології залізну руду з'єднують з коксом. Кокс реагує із залізом, виробляючи CO 2 та чадний газі залишаючи сплав заліза з вуглецем — чавун, який потім можна переплавити в сталь.
У методі Седовея залізну руду змішують з розчинником - діоксидом кремнію і негашеним вапном - при температурі 1600 градусів за Цельсієм - і пропускають через цю суміш електричний струм.
Негативно заряджені іони кисню мігрують до позитивно зарядженого анода, звідки кисень йде геть. Позитивно заряджені іони заліза мігрують до негативно зарядженого катода, де вони відновлюються до заліза, яке збирається в основі комірки і відкачується.
Подібний процес використовується у виробництві алюмінію (і вимагає пристойної витрати електроенергії), оксид якого настільки стійкий, що не може бути фактично відновлений за допомогою вуглецю доменної печі, в якій, наприклад, виробляють чавун. І зрозуміло, що сталеливарна промисловість ніколи не мала жодної причини переходити на електроліз залізняку, оскільки вона легко відновлюється вуглецем.
Але якщо уряди різних країнпочнуть накладати великі податки на емісію парникових газів — вуглекислого, зокрема, новий метод виробництва чавуну міг би стати привабливішим. Щоправда, від лабораторних установок такого роду до промислових установок, як оцінюють вчені, пройде 10-15 років.
Автор роботи каже, що найбільша перешкода – знайти практичний матеріал для анода. В експериментах він використовував анод, виготовлений з графіту. Але, на жаль, вуглець реагує з киснем, викидаючи так само велику кількість вуглекислого газу в повітря, як при звичайній виплавці чавуну.
Ідеальні платинові аноди, наприклад, дуже дорогі для великомасштабного виробництва. Але вихід, мабуть, є - у підборі деяких стійких металевих сплавів, які формують оксидну плівку на своїй зовнішній поверхні, але все ще проводять електрику. Також можна використовувати кераміку, що проводить.
Інша проблема полягає в тому, що новий процесвикористовує багато електрики - приблизно 2 тисячі кіловат-годин на тонну отриманого заліза. Так що економічний і навіть екологічний зміст у новому способі виробництва чавуну з'явиться лише за умови, що ця електроенергія буде вироблена будь-яким екологічним, і при цьому дешевим, способом, без емісії вуглекислого газу. Це визнає і сам автор методу.
