Величезною популярністю в металургії та хімічній промисловості користується такий фізико-хімічний процес, як електроліз. Даний процес відбувається за допомогою електролізера. Щоб зрозуміти принцип його дії, потрібно вивчити визначення, нюанси і особливості явища.
Поняття електролізу
Електроліз – це процес, який виникає при впливі електричного струму на електроліт і полягає у виділенні електродами складових частин.
Це дозволяє людині контролювати деякі процеси, що протікають на молекулярному рівні. Закони даного явища в хімії і фізиці відкрив англійський вчений Фарадей.
Явище відбувається за участю електродів, які діляться на катод і анод:
- катод – електрод з негативним зарядом, на якому відбувається відновлення катіонів;
- анод – електрод з позитивним зарядом, де відбувається окислення аніонів.
Прилади найчастіше виготовляються з матеріалів, що пропускають електричний струм, наприклад, з графіту або більшості металів. Обидва прилади підключаються до негативного і позитивного полюсів відповідно.
Явище електролізу відбувається в наступному порядку:
- Дисоціація.
- Електроліз.
Дуже важливо не плутати такі близькі визначення, як гідроліз і електроліз. Першим явищем вважається розкладання розчину речовини на іони (заряджені частинки) у воді.
Перший закон Фарадея
Встановлений Фарадеєм перший закон говорить про пряму пропорційність між масою речовини, що виділилася в ході електролізу, і величиною заряду, який пройшов через електроліт.
Правило підкріплено формулою m = k * q, тобто добуток заряду речовини на його електрохімічний еквівалент, що дорівнює його масі.
Перевірка першого закону Фарадея відбувається наступним чином:
- потрібно взяти три будь-яких електроліту, наприклад, А, Б і В і пропустити струм через кожен;
- якщо речовини одні й ті ж, то маси, що виділилися, можна назвати Г, Г₁ і Г₂;
- при цьому буде правильною наступна рівність: Г= Г₁ + Г₂.
Другий закон Фарадея
Дане правило, встановлене Фарадеєм, вказує на залежність між атомною масою речовини, кількістю можливих хімічних зв’язків і самим електрохімічним еквівалентом.
Таким чином, електрохімічний еквівалент прямо пропорційний атомній масі речовини, але валентності речовини він обернено пропорційний.
Таблиця зміни речовин за допомогою електролізу
Посилення відновлювальних здібностей речовин:
Na⁺ | Mg₂⁺ | Al₃⁺ | Zn₂⁺ | Fe₃⁺ | Ni₂⁺ | Sn₂⁺ | Pb₂⁺ | H⁺ | Cu₂ | Ag⁺ |
Натрій | Магній | Алюміній | Цинк | Залізо | Нікель | Олово | Свинець | Водень | Мідь | Срібло |
Посилення окислювальних здібностей речовин:
I⁻ | Br⁻ | Cl⁻ | OH⁻ | NO₃⁻ | CO₃²⁻ | SO₄²⁻. |
Йодид (солі, утворені йодоводневою кислотою) | Бромід (солі, утворені бромоводневою кислотою) | Хлорид (солі, утворені соляною кислотою) | Гідроксид | Нітрат (солі, утворені азотною кислотою) | Карбонат (солі, утворені вугільною кислотою) | Сульфат (солі, утворені сірчаною кислотою) |
Катод (негативний) | Анод (позитивний) |
Відновлення катіонів після водню | Окислення аніонів кислот, що не містять кисню |
Відновлення катіонів, що мають середню активність | Окислення аніонів оксикислот |
Відновлення найбільш активних катіонів | Окислення аніонів гідроксидів |
Відновлення катіонів водню |
Рівняння і схеми процесів електролізу, що протікають на катоді і аноді
Вода є слабким електролітом, через що процес буде протікати дуже повільно.
Загальне рівняння реакції:
2H₂O => 2H₂ + O₂.
Схема водного електролізу:
Анод | Катод |
2H2O => O2 + 4H+ + 4e⁻ | 4H+ + 4e⁻ => 2H2 |
3H2O => O3 + 6e⁻ + 6H+ | O2 + 2H2O + 2e– => H2O2 + 2OH⁻ |
Електроліз розплавів солей
Даний різновид реакції можна розглянути на прикладі розплаву гідроксиду натрію, тобто NaOH.
Дисоціація гідроксиду | NaOH => Na⁺ + OH⁻ |
Окислювальний і відновний процеси | 4OH- – 4ē => 2H2O + O2↑ (окислення)
Na+ + 1ē => Na0 (відновлення) |
Електроліз | 4NaOH => 4Na + 2H2O + O2↑ |
Електроліз розчинів солей
Явище можна розглянути на прикладі кухонної солі, що має формулу NaCl.
Схема з використанням інертних електродів:
Дисоціація солі | NaCl => Na⁺ + Cl⁻ |
Окислювальний і відновний процеси | 2Cl- – 2ē => Cl2↑
2H2O + 2ē => H2↑ + 2OH-. |
Електроліз | 2NaCl + 2H2O => H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH. |
Таким чином, продуктом хімічної реакції було отримання гідроксиду натрію.
Також слід зазначити таку особливість солей карбонових кислот, як їх здатність до декарбоксилювання, як наприклад реакція з ацетатом калію:
2CH3COOK + 2H2O => H2+ 2KOH + CH3-CH3 + 2CO2.
Електроліз речовин – одна з найважливіших тем при вивченні хімії як неорганічної, так і органічної. Учню потрібно навчитися вирішувати подібні завдання для повного розуміння хімічних процесів і метаморфозів речовин.