Электролиз

Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии.

Электрохимия принадлежит к числу тех немногих наук, дата рождения которых может быть установлена с высокой точностью. Это рубеж XVIII и XIX веков, когда благодаря знаменитым опытам итальянского физиолога Л. Гальвани и созданию итальянским физиком А. Вольта в 1799 г. "вольтова столба" - первого в истории человечества химического источника тока -были сформулированы проблемы, решение которых определило основные задачи электрохимии. "Без химии путь к познанию истинной природы электричества закрыт" - сказал М.В. Ломоносов. И, действительно, как бы следуя словам великого ученого, создавалась и развивается наука – электрохимия.

Еще в начале позапрошлого столетия было установлено, что при прохождении электрического тока через водные растворы солей происходят химические превращения, приводящие к образованию новых веществ. В результате этого, в начале прошлого века возникло научное направление по изучению электрохимических процессов в растворах и расплавах веществ – электрохимия. К концу семидесятых годов оно разделилось 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. Химические превращения, происходящие при воздействии электрического тока на вещества, называются электролитическими.

Электролиз представляет собой довольно сложную совокупность процессов, к которым относятся: миграция ионов (положительных к катоду, отрицательных к аноду), диффузия ионов, разряжающихся на электродах, электрохимические реакции разряда ионов, вторичные химические реакции продуктов электролиза между собой, с веществом электролита и электрода.

Значение электролитических процессов классифицируются следующим образом:

• 
  получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.)
  
• 
  получение металлов (литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.)
  
• 
  очистка металлов (медь, серебро)
  
• 
  получение металлических сплавов
  
• 
  получение гальванических покрытий
  
• 
  обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка)
  
• 
  получение органических веществ
  
• 
  электродиализ и обессоливание воды
  
• 
  нанесение пленок при помощи электрофореза
  

Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно этим способом. Например, такие металлы как никель, натрий, чистый водород и другие, получают только с помощью этого метода. Кроме того, с помощью электролиза относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля самого элемента в которых стремится к ста процентам. В промышленности алюминий и медь в большинстве случаев получают именно электролизом. Преимущество этого способа в относительной дешевизне и простоте. Однако, чтобы производство было наиболее выгодным (с наименьшими затратами электроэнергии и с наибольшим выходом продукции) необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, материал электродов и др.).

На сегодняшний день большой популярностью пользуются различные предметы, покрытые драгоценными металлами (позолоченные или посеребренные вещи). К тому же металлические изделия покрывают слоем другого металла электролитическим способом с целью защитить его от коррозии.

Процессы электролиза

Электролиз протекает только в тех средах, которые проводят электрический ток. Способностью проводить ток обладают водные растворы оснований и солей. Безводные кислоты – очень плохие проводники, но водные растворы кислот также хорошо проводят ток. Растворы кислот, оснований и солей в других жидкостях в большинстве случаев тока не проводят, точно так же не проводят тока водные растворы сахара, спирта, глицерина.

Конструкция промышленных аппаратов для проведения электролитических процессов определяется характером процесса. В гидрометаллургии и гальванотехнике используют преимущественно ящичные электролизеры, представляющие собой открытую емкость с электролитом, в которой размещают чередующиеся катоды и аноды, соединенные соответственно с отрицательными и положительными полюсами источника постоянного тока. Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, свинца, никеля, свинец и его сплавы; используют малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси оксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды, или ОРТА), а также из платины и ее сплавов. Для катодов в большинстве электролизеров применяют сталь, в т. ч. с различными защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита и продуктов, температуры и др. условий процесса. Некоторые электролизеры работают в условиях высоких давлений, например, разложение воды ведется под давлением до 4 МПа; разрабатываются электролизеры и для более высоких давлений. В современных электролизерах широко применяют пластические массы, стекло и стеклопластики, керамику.

Во многих электрохимических производствах требуется разделение катодного и анодного пространств, которое осуществляют с помощью диафрагм, проницаемых для ионов, но затрудняющих механическое смешение и диффузию. При этом достигается разделение жидких и газообразных продуктов, образующихся на электродах или в объеме раствора, предотвращается участие исходных, промежуточных и конечных продуктов в реакциях на электроде противоположного знака и в приэлектродном пространстве.

Примером электролиза может служить электролиз расплава хлорида магния. При прохождении тока через расплав MgCl₂ катионы магния по действием электрического поля движутся к отрицательному электроду. Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются.

Mg²⁺+2e^-=Mg

Анионы хлора перемещаются к положительному электроду, и, отдавая избыточные электроны, окисляются. При этом первичным процессом является собственно электрохимическая стадия — окисление ионов хлора, а вторичным — связывание образующихся атомов хлора в молекулы:

2Cl^--2e^-= Cl₂

Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава MgCl₂: 

Mg²⁺ + 2Cl^-l=Mg + Cl₂

Эта реакция не может протекать самопроизвольно; энергия, необходимая для её осуществления, поступает от внешнего источника тока.

Как и в случае химического источника электрической энергии, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом; электрод, на котором происходит окисление, называется анодом. Но при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод—положительно. При электролизе химическая реакция осуществляется за счёт энергии электрического тока, подводимой извне.

При рассмотрении электролиза растворов нельзя упускать из виду, что, кроме ионов электролита, во всяком водном растворе имеются ещё ионы, являющиеся ещё продуктами диссоциации воды — Н⁺ и ОН^-. В электролитическом поле ионы водорода перемещаются к катоду, а гидроксила — к аноду. Таким образом, у катода могут разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода. Аналогично у анода может происходить разряд как анионов электролита, так и ионов гидроксила. Кроме того, молекулы воды также могут подвергаться электрохимическому окислению или восстановлению.

Какие именно электрохимические процессы будут протекать у электродов при электролизе, прежде всего будет 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. На протекание некоторых электрохимических процессов оказывает тормозящее действие материал электрода.

Рассматривая катодные процессы, протекающие при электролизе водных растворов, нужно учитывать величину потенциала процесса восстановления ионов водорода. Этот потенциал зависит от концентрации ионов водорода и в случае нейтральных растворов (рН=7) имеет значение φ= –0,059·7= –0,41 В. Отсюда ясно, что если электролит образован металлом, электродный потенциал которого значительно положительнее, чем –0,41 В, то из нейтрального раствора у катода будет выделяться металл. Такие металлы находятся в ряду напряжений вблизи водорода (начиная приблизительно от олова) и после него. Наоборот, в случае электролитов, металл которых имеет потенциал значительно более отрицательный, чем –0,41 В, металл восстанавливаться не будет, а произойдёт выделение водорода. К таким металлам относятся металлы начала ряда напряжений—приблизительно до титана. Наконец, если потенциал металла близок к величине –0,41 В (металлы средней части ряда—Zn, Cr, Fe, Ni), то в зависимости от концентрации раствора и условий электролиза возможно как восстановление металла, так и выделение водорода; нередко наблюдается совместное выделение металла и водорода.

Электрохимическое выделение водорода из кислых растворов происходит в следствии разряда ионов водорода. В случае же нейтральных или щелочных сред оно является результатом электрохимического восстановления воды:

2Н₂О + 2е^- =Н₂ + 2ОН^-

Таким образом, характер катодного процесса при электролизе водных растворов определяется прежде всего положением соответствующего металла в ряду напряжений. В ряде случаев большое значение имеют рН раствора, концентрация ионов металла и другие условия электролиза.

При рассмотрении анодных процессов следует иметь в виду, что материал анода в ходе электролиза может окисляться. В связи с этим различают электролиз с инертным анодом и электролиз с активным анодом. Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза. Активным называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза. В качестве материалов для инертных анодов чаще применяют графит уголь, платину.

На инертном аноде при электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, а также фтористоводородной кислоты и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода. В зависимости от рН раствора этот процесс протекает по-разному и может быть записан различными уравнениями.

в щелочной среде уравнение имеет вид: 4ОН^- - 4е^-=О₂ + 2Н₂О

а в кислой или нейтральной: 2Н₂О - 4е^-=О₂ + 4Н⁺

В рассматриваемых случаях электрохимическое окисление воды является энергетически наиболее выгодным процессом. Кислородсодержащие анионы или не способны окисляться, или их окисление происходит при очень высоких потенциалах. Например, стандартный потенциал окисления иона 2SO₄^2- =S₂O₈^2- + 2e^- равен 2,010 В, что значительно превышает стандартный потенциал окисления воды (1,228 В). Стандартный потенциал окисления иона F^- имеет ещё большее значение (2,87 В).

При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей (кроме HF и фторидов) у анода разряжаются анионы. В частности, при электролизе растворов HI, HBr, HCl и их солей у анода выделяется соответствующий галоген.

В случае активного анода число конкурирующих окислительных процессов возрастает до трёх: электрохимическое окисление воды с выделением кислорода, разряд аниона (т.е. его окисление) и электрохимическое окисление металла анода (так называемое анодное растворение металла). Из этих возможных процессов будет идти тот, который энергетически наиболее выгоден. Если металл анода расположен в ряду стандартных потенциалов раньше обеих других электрохимических систем, то будет наблюдаться анодное растворение металла. В противном случае будет идти выделение кислорода или разряд аниона.

Несколько типичных случаев электролиза водных растворов

Электролиз раствора CuCl₂ с инертным анодом. Медь в ряду напряжений расположена после водорода; поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu²⁺ и выделение металлической меди. У анода будут разряжаться хлорид ионы.

Схема электролиза раствора хлорида мели (II):

Катод ← Cu²⁺         2Cl^- → Анод

катод: Cu2+ + 2e- =Cu	1
анод: 2Cl- - 2e- = Cl2	1
электролиз
CuCl2 = Cu + Cl2

Электролиз раствора K₂SO₄ с инертным анодом. Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то у катода будет происходить выделение водорода и накопление ОН^-. У анода будет идти выделение кислорода и накопление ионов Н⁺. В то же время в катодное пространство будут приходить ионы К⁺, а в анодное—ионы SO₄^2- . Таким образом, раствор во всех его частях будет оставаться электронейтральным. Однако в катодном пространстве будет накапливаться щелочь, а в анодном—кислота.

Схема электролиза раствора сульфата калия:

Катод ← K⁺          SO₄^2-→ Анод

катод: 2Н2О + 2е- =2ОН- + Н2	2
анод: 2Н2О - 4e- = 4Н+ + О2	1
электролиз
2Н2О = 2Н2+ О2

Электролиз раствора CuSO₄ с инертным анодом. Медь в ряду напряжений расположена после водорода; поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu²⁺ и выделение металлической меди. У анода будет идти выделение кислорода и накопление ионов Н⁺.

Схема электролиза раствора сульфата мели (II):

Катод ← Cu²⁺         SO₄^2- → Анод

катод: Cu2+ + 2e- =Cu	2
анод: 2Н2О - 4e- = 4Н+ + О2	1
электролиз
2CuSO4+ 2Н2О= 2Cu+ О2+ 2Н2SO4

Электролиз раствора KCl с инертным анодом. Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то у катода будет происходить выделение водорода и накопление ОН^-. У анода будут разряжаться хлорид ионы.

Схема электролиза раствора хлорида калия:

Катод ← K⁺         Cl^- → Анод

катод: 2Н2О + 2е- =2ОН- + Н2	1
анод: 2Cl- - 2e- = Cl2	1
электролиз
2KCl+ 2Н2О= Н2+ Cl2+2KОН

Электролиз раствора NiSO₄ с никелевым анодом. Стандартный потенциал никеля (-0,250 В) несколько больше, чем –0,41 В; поэтому при электролизе нейтрального раствора NiSO₄ на катоде в основном происходит разряд ионов Ni²⁺ и выделение металла. На аноде происходит противоположный процесс — окисление металла, так как потенциал никеля намного меньше потенциала окисления воды, а тем более—потенциала окисления иона SO₄^2- . Таким образом, в данном случае электролиз сводится к растворению металла анода и выделению его на катоде.

Схема электролиза раствора сульфата никеля:

Катод ← Ni²⁺            SO₄^2- → Анод

катод: Ni2+ + 2e- =Ni	1
анод: Ni- 2e-=Ni2+	1

            Этот процесс применяется для электрохимической очистки никеля.

Законы Фарадея

Первый закон Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении по раствору электролита электрического тока, прямо пропорциональна количеству электричества.

∆m=k_эQ, где ∆m – количество прореагировавшего вещества; Q (Q=I·τ) – количество электричества; k_э – коэффициент пропорциональности, показывающий, сколько вещества прореагировало при прохождении единицы количества электричества. Величина, k называется электрохимическим эквивалентом.

k=M/(N_A ·z│e│)

где z – валентность иона; M – молярная масса вещества, выделившегося на электроде; N_A—постоянная Авогадро. │e│= 1,6• 10^-19Кл.

Второй закон Фарадея

Согласно второму закону Фарадея, при определённом количестве прошедшего электричества отношения масс прореагировавших веществ равно отношению их химических эквивалентов: ∆m₁/ M_Э1 =∆m₂/ M_{Э 2}=∆m₃/ M_{Э 3}=const

Химический эквивалент элемента, равен отношению части массы элемента, которая присоединяет или замещает в химических соединениях одну атомную массу водорода или половину атомной массы кислорода, к 1/12 массы атома С¹². Понятие “ химический эквивалент” применимо и к соединениям. Так, химический эквивалент кислоты численно равен ее молярной массе, деленной на основность (число ионов водорода), химический эквивалент основания – его молярная массе, деленной на кислотность (у неорганического основания – на число гидроксильных групп), химический эквивалент соли – ее молярной массе, деленной на сумму зарядов катионов или анионов.

Следовательно,

m = M_Э · I· τ :F, где m – масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде, г; M_Э – масса моля эквивалента, моль; I– сила тока, А; τ– продолжительность электролиза, с; F– постоянная Фарадея (96 500 кл/моль),

Электролиз органических веществ

Рассмотрим на примере синтеза Кольбе. Наибольшую ценность данный электрохимический процесс представляет:

1. 
   как легкий путь синтеза углеводородов с удлиненной углеводородной цепью;
   
2. 
   для получения целой серии органических веществ.
   

Электролизу подвергают растворсолей карбоновых кислот. В качестве растворителя могут выступать вода, ацетонитрил, метанол. Электродным материалом служит графит или стеклоуглерод. Для электролиза требуется высокая плотность тока (0,25-1А/см³) и слабокислая среда.

Электролиз раствора ацетата калия CН₃CООK с инертным анодом. Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то у катода будет происходить выделение водорода и накопление ОН^-. У анода будут разряжаться ацетат ионы.

Схема электролиза раствора хлорида калия:

Катод ← K⁺        CН₃CОО ^- → Анод

катод: 2Н2О + 2е- =2ОН- + Н2	1
анод:2CН3CОО -- 2e- =2 CН3CОО ·	1
электролиз
2KCl+ 2Н2О= Н2+ Cl2+2KОН

Далее происходит перестройка радикала, суть которой можно выразить следующим уравнением:

2 RCОО · → 2CО₂+2R· → R – R

2 CН₃CОО · → 2CО₂+2 CН₃· → CН₃ – CН₃

Алкильный радикал может подвергаться дальнейшему окислению до карбокатиона, который, взаимодействуя с растворителем,