Электролиз расплавов и растворов: описание

Электролиз - удивительное явление переноса электричества, позволяющее осуществлять сложные химические реакции и получать ценные вещества. Хотя этот метод был открыт более 200 лет назад, он до сих пор широко используется в промышленности и науке. Давайте разберемся, как устроен электролиз, по каким законам он протекает и где применяется в повседневной жизни. Уверен, вы откроете для себя много нового об этом увлекательном процессе!

Введение в электролиз расплавов и растворов

Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита. Он был открыт в начале 19 века такими учеными как Дэви, Фарадей, Кольрауш и другими. Благодаря электролизу появилась возможность осуществлять сложные химические реакции, которые в обычных условиях протекать не могут. Кроме того, с помощью этого метода стало возможно получать чистые металлы, хлор, щелочи и многие другие вещества в промышленных масштабах.

Со временем электролиз нашел широкое применение как в научных исследованиях, так и в промышленном производстве. Сегодня без него невозможно представить выплавку алюминия, получение хлора, щелочей, водорода и многих других процессов.

Устройство для электролиза

Для проведения электролиза необходимо специальное оборудование:

• Электролитическая ванна - сосуд, в который помещают электролит (расплав или раствор).
• Электроды - стержни из проводящего электричество материала, погруженные в электролит и подключенные к источнику тока.
• Источник постоянного электрического тока - батарейка, аккумулятор, выпрямитель и т.д.

Различают активные и инертные электроды. Активные электроды, такие как железо, медь, цинк и др., подвергаются химическим превращениям в ходе электролиза. Инертные электроды из графита, платины, золота остаются химически неизменными.

Механизм электролиза расплавов и растворов

При прохождении электрического тока через расплав или раствор происходит упорядоченное движение заряженных частиц - ионов и электронов. Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду - катоду, где они либо восстанавливаются путем присоединения электронов, либо осаждаются на его поверхности. Отрицательные ионы (анионы) движутся к положительному электроду - аноду, где они отдают электроны и окисляются.

Особенность электролиза расплава в том, что в нем принимают участие только ионы самого вещества. А при электролизе раствора наряду с ионами растворенного вещества в процесс вовлекаются также молекулы растворителя, чаще всего воды. Это приводит к усложнению общей картины превращений.

Законы Фарадея для электролиза

В 1840 году Майкл Фарадей сформулировал два важнейших закона электролиза:

Масса вещества, выделяющегося на электродах при электролизе, пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

Массы различных веществ, выделившихся при прохождении через растворы одного и того же количества электричества, относятся между собой как массовые эквиваленты этих веществ.

На основании законов Фарадея можно рассчитать массу вещества, которое выделится на электродах при электролизе, по формуле:

m = (ItM) / (zF)

где m - масса вещества, г I - сила тока, А t - время электролиза, с M - молярная масса вещества, г/моль z - число электронов, участвующих в реакции F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль

Например, при силе тока 5 А и времени электролиза 10 минут (= 600 с) масса выделившегося на катоде алюминия составит:

m(Al) = (5 А × 600 с × 27 г/моль) / (3 × 96500 Кл/моль) = 2,7 г

Электролиз воды и водных растворов солей

Рассмотрим подробнее электролиз воды и водных растворов солей. Вода является прекрасным растворителем, поэтому часто используется в качестве среды для электролиза. При этом наряду с ионами растворенного вещества в реакциях участвуют также молекулы воды.

При электролизе чистой воды на инертных электродах на катоде происходит восстановление протонов до молекулярного водорода:

2H+ + 2e− → H2↑

А на аноде окисляются гидроксид-ионы с выделением кислорода:

4OH− → O2↑ + 2H2O + 4e−

Цуммарное уравнение разложения воды электролизом:

2H2O → 2H2↑ + O2↑

Электролиз растворов и расплавов солей

При электролизе водных растворов солей идут более сложные реакции с участием катионов, анионов и молекул воды. Рассмотрим для примеры электролиз растворов хлорида натрия и сульфата меди(II).

Практическое применение электролиза расплавов и растворов

Электролиз расплавов и растворов нашел широчайшее применение на практике. Он используется для:

• Получения металлов (алюминия, магния и др.)
• Очистки металлов от примесей
• Нанесения металлических покрытий (гальваностегия, гальванопластика)
• Производства хлора, щелочей и других веществ

Особенно важна роль электролиза в металлургии. Многие металлы, такие как алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные металлы, titanium, ванадий производят именно электролитическим путем. Преимущества электролиза - возможность получения очень чистых металлов, экологичность и экономичность по сравнению с пирометаллургией.

Электролиз в промышленности

В промышленности электролиз широко используется для получения целого ряда важных веществ, таких как алюминий, хлор, щелочи, водород и др. Для этих целей создаются специальные электролизные установки - электролизеры.

Алюминиевое производство

Основной способ получения алюминия в промышленности - электролиз расплава оксида алюминия Al2O3, растворенного в криолите Na3AlF6. Электролиз ведут при температуре около 960°С с использованием углеродных анодов и стальных катодов. В результате на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород и углекислый газ из-за окисления углерода анода.

Хлорно-щелочное производство

Другой крупнотоннажный электролитический процесс - получение хлора и щелочей (натрия или калия гидроксидов) из водных растворов хлоридов натрия или калия. При этом на аноде окисляются хлорид-ионы с образованием хлора, а на катоде выделяется водород и щелочь.

Водородное производство

В последнее время активно развивается электролитическое производство водорода путем электролиза воды. Такой "зеленый" водород может использоваться как экологически чистое топливо, а также для нужд химической промышленности.

Экологические аспекты

Несмотря на многочисленные достоинства, электролизное производство может оказывать и негативное воздействие на окружающую среду...

Будущее электролиза

Перспективы дальнейшего развития электролиза связаны с созданием более эффективных и экологичных технологий, расширением сырьевой базы, использованием возобновляемых источников энергии и т.д...

Вредные выбросы

Основные вредные вещества, образующиеся при электролизе:

• Хлор и хлористый водород - при производстве хлора электролизом хлоридов
• Фтористый водород - при электролизе алюминия из криолито-глиноземных расплавов
• Оксиды серы и азота - при сжигании органического топлива для выработки электроэнергии, расходуемой на электролиз

Эти вещества опасны для здоровья людей и окружающей среды. Поэтому важно применять эффективные методы очистки газовых выбросов от них.

Ресурсо- и энергосберегающие технологии

Для снижения ресурсо- и энергоемкости проводят:

• Модернизацию оборудования с увеличением срока службы и КПД
• Внедрение систем рециркуляции и регенерации растворов и расплавов
• Использование более дешевых источников энергии, в том числе возобновляемых

Это позволяет существенно снизить затраты, а также уменьшить техногенное воздействие на окружающую среду.

Альтернативные методы получения веществ

Помимо электролиза существуют и другие химические и физические методы получения нужных продуктов - пирометаллургия, пиролиз углеводородов, экстракция из минерального сырья и др. Сравнение их преимуществ и недостатков позволит выбрать оптимальный вариант с точки зрения экономики и экологии.