Електроліз

Ви ознайомилися з різними способами добування металів з руд і знаєте, що для цього використовують такі відновники, як вугілля (кокс) С, карбон (ІІ) оксид CO, водень Н₂ та активні метали А1, Mg тощо (металотермія). Виявляється, що з цією метою можна використовувати й електричний струм. У цьому разі процес називається електролізом.

Суть електролізу. Давайте згадаємо, що відновити хімічний елемент–це означає надати його атомам або йонам електрони. Окиснити елемент–це означає відняти від його атомів або йонів електрони. Обидва процеси–окис-нення і відновлення –можна здійснити не лише за допомогою звичайних хімічних реакцій, а й під впливом електричного струму.

Наллємо в U-подібну трубку розчин купрум (ІІ) хлориду CuCl₂, зануримо у кожне коліно вугляний електрод і з'єднаємо обидва електроди металевими провідниками з джерелом постійного струму (акумулятором). Електрод, сполучений з негативним полюсом джерела струму, називається катодом, а з позитивним полюсом – анодом. Катод вкриватиметься шар за шаром червоною металічною міддю, а на аноді виділятиметься вільний хлор (виявляємо за запахом). Що ж відбулося? Під дією електричного струму купрум (II) хлорид розклався на мідь і хлор:

CuCl₂ = Cu + Cl₂↑

Як пояснити дію електричного струму? Що відбувається на катоді та на аноді?

Ви знаєте, що ще до вмикання струму купрум (ІІ) хлорид у розчині під впливом води дисоціює на йони купруму та йони хлору:

CuCl₂ → Cu²⁺ + 2Сl^-,

які хаотично рухаються у розчині. Після вмикання електричного струму безладний рух йонів стає спрямованим. Позитивно заряджені йони купруму Сu²⁺ притягуються негативно зарядженим електродом – катодом і рухаються у напрямку до нього, тому й називаються катіонами. Негативно заряджені йони хлору Сl^- притягуються позитивно зарядженим електродом –анодом і рухаються до нього, тому й називаються аніонами.

Коли йони Купруму досягають катода, вони приєднують електрони (на поверхні катода надлишок електронів), тобто відновлюються і перетворюються на електронейтральні атоми Купруму:

Сu²⁺ + 2ē = Сu°

На поверхні катода відкладається металічна мідь.

Хлорид-іони, досягнувши анода, навпаки, віддають електрони (кожний – по одному електрону), тобто окиснюються і також перетворюються з йонів на електронейтральні атоми, які, сполучаючись попарно, утворюють молекули хлору:

2Сl^- - 2ē = 2С1°; С1° + С1° = Cl₂↑

Отже, ви переконалися, що

електроліз – це окисно-відновні реакції, які відбуваються на електродах під дією постійного електричного струму під час проходження його крізь розчин (або розплав) електроліту. Він супроводжується перетворенням електричної енергії на внутрішню енергію продуктів електролізу.

У водних розчинах солей, утворених активними металами і оксигеновмісними кислотами, процес електролізу має свої особливості, оскільки в ньому бере участь вода. Проте ми такі випадки не розглядатимемо, а обмежимось вивченням процесів, які відбуваються під час електролізу розплавів електролітів.

Електроліз розплавів. Ви вже знаєте, що відновлювати метал можна і за допомогою електричного струму. Наприклад, якщо розплавити кухонну сіль NaCl, то під впливом високої температури її кристалічна решітка розщепиться на йони (так само, як і під час розчинення у воді):

NaCl → Na⁺ + Сl^-

У розплаві йони рухаються хаотично. Якщо крізь цей розплав пропустити постійний електричний струм, то йони Натрію почнуть переміщуватися до катода, де приєднуватимуть по одному електрону, тобто відновлюватимуться:

Na⁺ + 1ē = Na⁰

Отже, катод, на якому завжди надлишок електронів, є відновником.

Під дією електричного струму йони Хлору прямують до анода.

Оскільки на аноді завжди нестача електронів, то йони хлору віддають по одному електрону, тобто окиснюються:

Сl^- - 1ē = Сl ⁰

Атоми хлору з'єднуються попарно, і на аноді виділяється газоподібний хлор Cl₂.

Отже, анод, на якому завжди нестача електронів, є окисником.

Як бачимо, усякий електроліз (і розчину електроліту, і розплаву) є окисно-відновним процесом, що відбувається під впливом електричного струму.

Чисті активні метали можна добути електролізом розплавів солей або лугів. Наприклад, якщо розплавити гідроксид натрію, то відбудеться термічна дисоціація його кристалів на йони: NaOH → Na⁺ + OH^-

Якщо далі крізь цей розплав пропустити електричний струм, то на катоді йони натрію, приєднуючи електрони, відновлюватимуться до нейтральних атомів. Утворюватиметься металічний натрій:

Na⁺ + 1ē = Na°

На аноді розряджатимуться гідроксид-іони, віддаючи кожний по одному електрону і перетворюючись на нейтральні групи ОН, які в нейтральному стані існувати не можуть. Вони відразу ж розкладаються з утворенням води і кисню: 4OH^- - 4 ē → 2H₂O + O₂ ↑

Отже, під час електролізу розплаву їдкого натру на катоді відбувається процес відновлення йонів натрію, і виділяється металічний натрій, а на аноді відбувається процес окиснення гідроксид-іонів, і виділяється кисень.

В усіх розглянутих випадках передбачалося, що електроди, за допомогою яких підводиться електричний струм, виготовлені з матеріалу, який не бере участі в реакції. Такі електроди називають інертними.

Застосування електролізу. Електроліз широко застосовується у багатьох виробництвах. Наприклад, це єдиний економічно вигідний промисловий спосіб добування активних металів (Na, К, Са, А1, Mg), а також деяких активних неметалів (Cl₂, F₂) і навіть окремих складних речовин –лугів NaOH, КОН і бертолетової солі КСlO₃ (калій хлорат).

Електроліз використовують також для очищення металів, для вкриття одного металу іншим з метою захисту його від корозії тощо. Так здійснюють нікелювання, хромування, лудіння (вкриття оловом), оцинковування, золочення тощо.

Нарощування шару металу на поверхні виробу електролітичним способом дає змогу виготовляти найтонші зліпки і копії. Цей спосіб розробив російський учений Б. Я. Якобі у 1838 p., і називається він гальванопластикою.

Завдання для самоконтролю

155. У чому полягає суть електролізу? Поясніть на конкрет ному прикладі.

156. Як відбувається електроліз розплаву йодиду калію КІ?

157. Чому електроліз завжди є окисно-відновним процесом?

158. Які частинки переносять електричний струм у водному розчині солі, у розплаві солі та в металевих провідниках?

159. Який вплив на розчин або розплав електроліту, вміщеного в електролітичну ванну (електролізер), справляє вмикання електричного струму?

160. Що таке електроліз?

Дата добавления: 2014-01-04