Теоретическая часть

Электролиз и работу гальванического элемента можно рассматривать как один и тот же процесс, направление которого изменяется под действием внешнего потенциала. Таким образом, электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий в электролизере под действием электрического тока, подводимого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Схема установки для проведения электролиза приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для электролиза:

1 – электролизер (U-образная трубка);

2 – электроды (графитовые, платиновые

или из другого металла);

3 – штатив;

4 – раствор или расплав электролита;

5 – амперметр;

6 – внешний источник тока

Электролиз широко используется в различных областях народного хозяйства: в гальваностегии, для нанесения металлических покрытий на металлы и пластмассы (гальванические покрытия); для рафинирования металлов, а также для получения большого спектра ценных продуктов: металлов, водорода, кислорода, хлора, щелочей и др. В частности, в мебельной промышленности – для хромирования и никелирования фурнитуры, в лесном и автомобильном хозяйствах, в лесоинженерном деле с помощью электролиза получают противокоррозионные гальванические покрытия, защищающие оборудование, механизмы и транспорт от коррозионных разрушений.

Пример электролиза расплава гидроксида калия

В расплаве происходит обратимый процесс диссоциации

⇄

Катионы (К⁺) перемещаются к катоду, а анионы (ОН^–) к аноду

Катод Анод

На катоде происходит На аноде происходит окисление

реакция восстановления гидроксильной группы (ОН^-)

атомарный кислород объединяется в молекулярный

суммарный процесс электролиза выражается следующим уравнением:

.

Пример электролиза раствора гидроксида калия

В растворе молекул КОН происходит диссоциация КОН

⇄

и молекул воды ⇄

Катионы К⁺ и Н⁺ подходят к катоду Анионы ОН^– подходят к аноду

Катод Анод

На катоде происходит

восстановление ионов Н⁺ На аноде окисляются ионы ОН^-

и молекул воды и молекулы воды

⇄  О + 2Н⁺

И оны К⁺ не восстанавливаются на катоде, так как имеет более отрицательное значение, чем (см. табл. 2 стр.114)

.

Гидроксид калия выполняет в данном случае функцию электропроводящей среды.

Количественные соотношения при электролизе были установлены Фарадеем в 1833 г. в виде следующих законов.

I закон Фарадея

Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна количеству электричества, протекающего через электролизер.

m = K  I  t = K  Q (1)

где m – масса вещества на электроде, г; I – сила тока, А; t – время протекания тока через электролизер, с; Q = I  t – количество электричества;

K – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбранной системы единиц. Если Q = 1 Кл, то m = K. Количество вещества, выделяющееся при прохождении одного кулона электричества, называется электрохимическим эквивалентом. Следовательно, коэффициент пропорциональности (K) можно рассматривать как электрохимический эквивалент.

II закон Фарадея

При пропускании равного количества электричества через растворы разных электролитов масса каждого из веществ (m_i), претерпевающих превращение, пропорциональна его химическому эквиваленту, т.е

m₁ : m₂ : m₃ … = Э₁ : Э₂ : Э₃… (где Э – химический эквивалент вещества). Таким образом, для выделения на электроде 1 г-экв любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, равное постоянной Фарадея (F = 96485 Кл/г-экв, F  96500 Кл/г-экв).

Действительно, 1 г-экв вещества содержит количество частиц, равное числу Авогадро (N_A = 6,02205  10²³ частиц): чтобы восстановить такое количество ионов на катоде, необходимо затратить количество электричества

F = N_A = 6,022205  10²³  1,6022  10^-10 = 96485 Кл/г-экв.

где – заряд электрона , = 1,6022  10^-10 Кл.

Приближенное значение F  96500 Кл/г-экв.

Обобщая два закона Фарадея, можно записать

, (2)

так как электрохимический эквивалент “K” равен отношению химического эквивалента “Э” к числу Фарадея “F”:

. (3)

Процессы в электролизере и в гальваническом элементе объединены в химическом источнике тока - аккумуляторе, который широко распространен во многих производствах, в том числе на мебельных предприятиях, в автотранспорте и др. Так, в автокаре находится аккумулятор, работа которого связана с обратимыми процессами (разрядки и зарядки аккумулятора).

При работе свинцового аккумулятора на электродах происходят процессы разрядки и зарядки аккумулятора, которые можно выразить в виде обратимого химического уравнения:

разрядка

зарядка

Процесс разрядки связан с работой гальванического элемента, зарядки - с процессом электролиза.