Краткое определение и история открытия

Физические и энергетические основы электролиза

Электрохимия, как наука, сформировалась на рубеже XVIII и XIX веков. Именно тогда были определены проблемы, решение которых вывело на новый уровень теорию электрохимии. Толчком для создания и развития электрохимии, как науки послужило создание в 1799 г. итальянским физиком А. Вольта "вольтова столба" - первого в истории человечества химического источника тока и опыты итальянского физиолога Л. Гальвани.

Электрохимия достаточно молодая наука. Только в начале позапрошлого столетия было установлено, что при прохождении электрического тока через водные растворы солей, происходят химические превращения, что приводит к образованию новых веществ.

И только в начале прошлого века возникла электрохимия - научное направление по изучению электрохимических процессов в растворах и расплавах веществ.

Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в семидесятых годах XIX века мощных генераторов постоянного электрического тока.

На два самостоятельных раздела – ионику, изучающую явления электропроводности и движения заряженных частиц под воздействием электрического поля, и электродику, изучающую явления, происходящие непосредственно на поверхности электродов, когда через границу электрод-раствор (расплав) протекает электрический ток, электрохимию стали разделять в конце семидесятых годов.

Если заглянуть в энциклопедический словарь, мы прочтем следующее определение:

Электролиз (от электро- и греческого lysis – разложение, растворение, распад)- совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах, при прохождении через него электрического тока. Необходимо заметить, что электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии, в свое время послужил основой для важных научных открытий в области электрохимии.

Электролитическими называются химические превращения, происходящие при воздействии на вещества электрического тока.
Говоря совокупность процессов при электролизе, имеется ввиду - миграция ионов (положительных к катоду, отрицательных к аноду), электрохимические реакции разряда ионов, вторичные химические реакции продуктов электролиза между собой, с веществом электролита и электрода, диффузия ионов, разряжающихся на электродах. Процесс электролиза, неодинаков во всех случаях, и зависит от ряда факторов - природы электролита, типа электролитической ванны, оптимизации самих электролизных процессов.

Различают технический и прикладной электролиз, а электролитические процессы классифицируют следующим образом:
- получение металлических сплавов

- получение гальванических покрытий

- получение неорганических веществ (хлора, водорода, кислорода, щелочей и т.д.)

- получение органических веществ

- очистка металлов (медь, серебро)

- получение металлов (магний, цинк, литий, натрий, калий, алюминий, медь и т.д.)

- обработка поверхностей металлов (электрополировка, азотирование, борирование, очистка)

- нанесение пленок при помощи электрофореза

- электродиализ и обессоливание воды.

Целесообразность и актуальность использования электролиза заключается в том, что с его помощью относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля
самого элемента в которых стремиться к ста процентам. А такие металлы как натрий, никель, чистый водород и другие, получают только с помощью этого метода.

Также медь и алюминий получают по большей части методом электролиза.

Электролиз применяется для нанесения позолоты и серебра на ювелирные изделия. Металлы, покрытые пленкой методом электролиза, таким образом, защищают от коррозии.

Исследование электрохимических процессов, определение факторов, влияющих на них, установление новых способов использования процессов электролиза в промышленных условиях продолжается и на сегодняшний день. Многие факторы еще не понятны, а детали требуют доработки.
Первоочередные задачи – усовершенствовать методы электролиза, чтобы производство было наиболее выгодным, с наименьшими затратами электроэнергии и с наибольшим выходом продукции. При этом необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (материал электродов, плотность тока, сила тока, температура электролита и др.).

Теория электролиза

Электролиз происходит за счет подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электроде. Таким образом, электролиз способен протекать только в средах, проводящих электрический ток.

Обратим внимание на проводники электрического тока.
Электролизом называется химический процесс, происходящий при пропускании тока через раствор электролита.

К проводникам электрического тока относятся - водные растворы солей, кислот и оснований. Вещества и растворы которые проводят электрический ток, получили название - электролиты.

Таким образом, кислоты, основания и соли являются электролитами.
Плохими проводниками тока являются – дистиллированная вода, водные растворы сахара, спирта, глицерина, а также все растворы с нормальным осмотическим давлением, в том числе растворы кислот, солей и оснований в других жидкостях. Сухие соли, безводные кислоты и основания (в твердом виде) тока не проводят.

На катоде, в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита, с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы.

На аноде, в результате электролиза, происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется).

Таким образом, первичными продуктами электролиза оказываются те же части кислот, оснований и солей, которые при реакциях обмена, не изменяются, переходят из одного вещества в другое.

Исследуя продукты, выделяющиеся у электрода, при электролизе кислот, оснований и солей, установили, что у катодов всегда выделяются металлы и водород, а у анода кислотные остатки или гидроксильные группы, которые затем подвергаются дальнейшим изменениям.

Рассмотрим более детально процессы, протекающие при электролизе. Известно, что существуют проводники первого рода, в них электричество переносится с помощью электронов, и проводники второго рода, когда электричество переносится ионами. Электроны вступают во взаимодействие с ионами в местах электрической цепи, где проводник первого рода граничит с проводником второго рода. Таким образом происходят электрохимические процессы.

Система называется химическим источником энергии, если эти процессы протекают самопроизвольно.

Если же их протекание обусловлено подводом электрической энергии извне, то происходит электролиз.

Электрохимические процессы, протекающие у электродов при электролизе, прежде всего, будут зависеть от соотношения электродных потенциалов соответствующих электрохимических систем. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом.

Дата добавления: 2014-10-15