✅Електроліз розплавів і розчинів

Що таке електроліз? Це сукупність процесів, що протікають при проходженні постійного електричного струму через систему, що складається з двох електродів і розчину або розплаву електроліту.  А ось електроліти – це речовини (розчини, розплави) яких проводять електрично струм. Електроліти в розплавах і розчинах дисоціюють на іони. При цьому в розплавах існують тільки іони, одержувані тільки при дисоціації молекул розчиненої речовини, в той час, як в розчинах – іони, одержувані при дисоціації розчиненої речовини, так само як і іони, що утворюються при дисоціації молекул розчинника – води.

Процес електролізу відбувається при опущених у ванну з розчином або розплавом електроліту стрижнях-електродах, підключених до мережі постійного струму. Стрижні можуть бути виконані з різних матеріалів (платина, графіт, вугілля). Від цього залежить і інертність електродів, тобто беруть участь вони безпосередньо в реакції чи ні. Ми трохи нижче розгляне це більш детально.

Вибір матеріалу для електрода визначається технічними завданнями, оскільки іноді необхідна участь електрода  у хімічному перетворенні, що відбувається, а іноді до нього пред’являється вимога інертності

Схема процесу:

  • Один з електродів підключають до позитивного полюса зовнішнього джерела постійного струму, він служить анодом, а інший електрод, підключений до негативного полюса служить катодом. 
  • В процесі електролізу до позитивного електроду-анода направляються негативно заряджені іони-аніони, що віддають електрони, що характеризує процес окислення.
  • До негативно зарядженого катода надходять позитивно заряджені іони-катіони, що приєднують електрони, тобто на катоді відбувається процес відновлення
  • В результаті електролізу на аноді і катоді виділяються відповідні продукти окислення і відновлення, а в електролізері залишаються іони, які не беруть участь в електродних процесах, що призводить до утворення вторинних продуктів електролізу.

Важливо! Окислювально-відновна дія електричного струму може бути у багато разів сильніше дії хімічних окислювачів і відновників. Регулюючи напругу на електродах, можна створити окислювачі і відновники будь-якої сили.

Ми не будемо в цій статті детально заглиблюватися в математичне вираження законів Фарадея (точніше взагалі не будемо розглядати), але спробуємо детально розглянути якісну сторону процесу електролізу. Вона залежить від багатьох обставин: хімічного складу електроліту, його стану (розплав, розчин), матеріалу електродів.

Наприклад, у нас є розплав хлориду натрію. Розглянемо його електроліз. 

Катод: Катод:                                          

Na++e=Na0                                                      2Cl -2e=Cl20

У разі електролізу розчинів, поряд з іонами розчиненої речовини. Присутні іони водню і гідрокси-групи. При цьому на катод в процесі електролізу направляються катіони металу і протони, а на анод-аніони молекул розчиненої речовини і OH— .

Процес відновлення на катоді пов’язаний з тим, наскільки активний метал, що утворює катіон.

В першу чергу на катоді відновлюються метали, що стоять в ряду напруги праворуч від водню ( Au, Pt, Hg, Ag, Cu). Тому в разі електролізу розчинів солей цих металів на катоді виділяються метали у вільному стані.

Якщо електролізу піддаються солі активних металів, що стоять в ряду напруги зліва від водню, від літію до алюмінію включно, вони не відновлюються на катоді, замість них відновлюються катіони водню з води за схемою 2h+ +2E=H2 з виділенням вільного водню.

Катіони металів, що стоять в ряду праворуч від алюмінію до водню, також, як і метали, що стоять в ряду напруг праворуч від водню, відновлюються на катоді за схемою: Me n + + ne=Me0

Анодний процес, в якому беруть участь аніони солі і гідроксил ОН води, залежить від природи аніону солі і матеріалу, з якого зроблений анод. 

При електролізі можуть бути використані два типи анодних електродів-активні (витрачаються) і інертні (невитрачувані). Активні аноди окислюються, переходячи в розчин у вигляді іонів, при цьому витрачається матеріал, з якого анод виготовлений, тому ще одна назва таких електродів-розчинні.

Наприклад, при електролізі водного розчину сульфату міді з мідним анодом на аноді йде процес Cu — 2E=Cu2+ в той час, як на катоді відновлення іонів міді Сі2+ + 2E=Cu, електроліз зводиться до перенесення міді з анода на катод. Такого роду процеси застосовуються активно в металургії, для рафінування металів, зокрема, для отримання чистої електротехнічної міді.

Інертні (нерозчинні) або нерозчинні аноди виготовляються з матеріалів, які при електролізі не піддаються окисленню, зазвичай з графіту-вугільні або з платини-платинові. 

Безкисневі аніони, крої фтор-аніону, будуть окислюватися в першу чергу, при цьому з аніонів хлору, брому і сірки утворюються відповідно хлор бром і сірка. 

Якщо ж аніони солі містять кисень, вони не беруть участь в електродному процесі тоді, коли неметал кислотного залишку має максимальну ступінь окислення. При цьому розряджаються іони ОН-води з утворенням кисню за схемою: 4OH4e → O2 + 2H2O

Атоми, що містять неметал в проміжному ступені окислення, самі окислюються на аноді, наприклад:

NO2 + H2O –e = NO3- + 2H+

Решта в розчині іони, що не розрядилися ні на катоді, ні на аноді, є вторинними продуктами електролізу.

Посилання на основну публікацію