Особенности процесса электролиза

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сущность электролиза

электролиз аккумулятор зарядка

Электролиз -- это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролитов. Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод, а к положительному полюсу -- анод, после чего погружают их в электролизер с раствором или расплавом электролита.

Электроды, как правило, бывают металлические, но применяются и неметаллические электроды, например графитовые (проводящие ток). На поверхности электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катоде), ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т. е. протекает реакция электрохимического восстановления. На положительном электроде (аноде) происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления. Таким образом, сущность электролиза состоит в том, что на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления. В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т. п., -- так называемые вторичные процессы.

Металлические аноды могут быть:

а) нерастворимыми или инертными, при электролизе они служат лишь передатчиками электронов;

б) растворимыми (активными); при электролизе они окисляются.

В растворах и расплавах различных электролитов имеются разноименные по знаку ионы, т. е. катионы и анионы, которые находятся в хаотическом движении. Но если в такой расплав электролита, например расплав хлорида натрия NaCl, опустить электроды и пропускать постоянный электрический ток, то катионы Na+ будут двигаться к катоду, а анионы Cl - к аноду. На катоде электролизера происходит процесс восстановления катионов Na+ электронами внешнего источника тока:

Na+ + e- = Na0

На аноде идет процесс окисления анионов хлора, причем отрыв избыточных электронов от Cl- осуществляется за счет энергии внешнего источника тока.

Выделяющиеся электронейтральные атомы хлора соединяются между собой, образуя молекулярный хлор:

Cl + Cl = Cl2

который и выделяется на аноде. Окислительно-восстановительное действие электрического тока может быть во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Меняя напряжение на электродах, можно создать почти любой силы окислители и восстановители, которыми являются электроды электролитической ванны или электролизера. Продукты, выделяющиеся на электродах, могут вступать между собой в химическое взаимодействие, поэтому анодное и катодное пространство разделяют диафрагмой.

2. Практическое применение электролиза

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т.д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т.д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами - процесс электрорафинирования или с нерастворимыми - процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах.

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки. Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.

Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При пропускании тока металл, подлежащий очистке, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов.

Затем эти катионы металла разряжаются на катоде, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит и удаляются.

Гальванотехника - область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) - это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера. Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной.

Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

Гальванопластика - получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами. С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т.д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Рафинирование (очистка) металлов - окончательная очистка продукта от примесей в металлургической, химической, пищевой и других отраслях промышленности. В электротехнике благодаря хорошей электропроводимости наиболее широкое применение как проводниковый материал имеет медь. Медные руды, кроме меди, содержат много примесей, таких, как, например, железо, сера, сурьма, мышьяк, висмут, свинец, фосфор и т. п. Процесс получения меди из руды заключается в следующем. Руду измельчают и обжигают в особых печах, где некоторые примеси выгорают, а медь переходит в окись меди, которую снова плавят в печах вместе с углем. Происходит восстановительный процесс, и получают продукт, называемый черной медью, с содержанием меди 98--99%. Медь, идущая на нужды электротехники, должна быть наиболее чистой, так как всякие примеси уменьшают электропроводимость меди.

Такая медь получается из черной меди путем рафинирования ее электрическим способом. Неочищенная медь подвешивается в качестве анода в ванну с раствором медного купороса (рис. 47). Катодом служит лист чистой меди. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, а оттуда осаждается на катод. Электролитическая медь содержит до 99,95% меди. Медь в электротехнике применяется для изготовлений голых к изолированных проводов, кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, медных полос, лент, коллекторных пластин, деталей машин и аппаратов. Второе место после меди в электротехнике занимает алюминий. Сырьем для получения алюминия служат бокситы, состоящие из окиси алюминия (до 70%), окиси кремния и окиси железа. В результате обработки бокситов щелочью получается продукт, называемый глиноземом (Аl2O3). Глинозем с некоторыми добавлениями (для снижения температуры плавления) загружается в огнеупорную печь, стенки и дно которой выложены угольными пластинами, соединенными с отрицательным полюсом источника напряжения. Через крышку печи проходит угольный стержень, который служит анодом. Сначала опускают угольный анод, в результате чего возникает электрическая дуга, которая расплавляет глинозем. В дальнейшем происходит электролиз расплавленной массы.

Чистый алюминий скапливается на дне сосуда, откуда его выливают в формы. Процентное содержание алюминия в металле достигает 99,5%. Для получения алюминия требуется большое количество электроэнергии. Поэтому алюминиевые заводы строятся около больших гидроэлектростанций с дешевой электроэнергией. Алюминий в электротехнике употребляется для изготовления проводов, кабелей, получения некоторых сплавов.

3. Электролиз применяется также в медицине

Электрофорез - это использование явлений электролиза для ввода лекарств через кожу. Электроды, представляющие собой гибкие металлические пластины, накладываются на тело. Между телом и электродом прокладывается фланель, бязь, обезжиренная кипячением, иногда просто фильтровальная бумага.

Прокладка пропитывается лекарственным раствором, электроды подключаются к источнику постоянного электрического тока, и процесс ввода лекарств начинается. Материалом электрода может служить платина, золото, серебро, латунь, алюминий, свинец.

Выбор металла обусловлен составом лекарственного соединения: входящие в него вещества должны быть инертны по отношению к данному металлу. Наиболее часто применяют листовой свинец: он легко принимает форму поверхности, его можно резать ножницами, придавая пластинке любую форму. Под влиянием приложенного напряжения ионы начинают перемещаться по телу человека. Таким образом, через кожу вводятся в организм человека антибиотики, йодистые препараты, другие сложные лекарственные соединения. С током лимфы и крови они разносятся по всему организму.

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:

1. получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование); электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

2. электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

3. очистка воды - удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

4. электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

4. Зарядка аккумулятора при постоянном токе

При подобном заряде сила тока в ходе всего времени заряда должна оставаться постоянной. Для этого в ходе заряда надо менять напряжение зарядного устройства или сопротивление цепи. Имеется несколько методов регулирования силы зарядного тока.

Основные из них:

*подключение в зарядную цепь реостата;

* использование регуляторов силы тока, которые периодическим включением и выключением дополнительного сопротивления в цепи заряда изменяют силу тока таким образом, чтобы его среднее значение сохранялось постоянным;

* изменение напряжения источника тока ручным или автоматическим регулятором в соответствии с показаниями силы тока, корректируя его до требуемого постоянного значения.

Большинство выпрямительных приборов, предназначенных для заряда, питается от сети переменного тока и имеет или ступенчатую, или плавную регулировку напряжения за счет изменения коэффициента трансформации. Вследствие этого в процессе заряда приходится периодически вручную регулировать напряжение. Коэффициент полезного действия заряда при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С20. Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока, уровня заряженности батареи и температуры электролита.

Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше уровень заряженности и чем ниже температура электролита. При зарядке полностью разряженных батарей при комнатной температуре, процесс заряда в начальный момент идет с наибольшим коэффициентом использования тока. Увеличение степени заряженности и повышение поляризации ведут к повышению суммарного внутреннего сопротивления батареи и повышению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и прочих компонентов батареи. Кроме того, на финальной стадии заряда аккумуляторов начинается вторичный процесс - электролиз воды, входящей в состав электролита. Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита, что свидетельствует об окончании процесса зарядки аккумуляторов. Для снижения потерь энергии при зарядке, уменьшения нагрева батареи и предохранения уровня электролита от чрезмерного снижения, рекомендуется в конце процесса заряда понижать силу зарядного тока. При зарядке постоянным током наиболее распространенным является режим, который состоит из двух стадий. Первая стадия заряда производится при токе равном 0,1С20 до тех пор, пока напряжение на батарее 12 В не достигнет 14,4 В (2,4В на каждом аккумуляторе). Затем сила зарядного тока уменьшается вдвое до величины 0,05С20. Зарядка при такой силе тока длится до неизменности напряжения и плотности электролита в аккумуляторах в течение 2ч. При этом в конце заряда происходит бурное выделение газа ("кипение" электролита). В ходе зарядки аккумуляторов с гелиевым или адсорбированным электролитом следует четко следовать рекомендациям производителя. В противном случаи малейшее отклонение от оптимального режима может привести к порче аккумулятора. Уменьшенная сила тока в конце заряда позволяет снизить скорость газовыделения, уменьшить влияние перегрева на последующую работоспособность и срок службы батареи, а также обеспечить полноту заряда.

5. Из истории

В 1791 г. Л.Гальвани, изучая физиологические свойства препарированной лягушки, случайно построил электрохимическую цепь, состоявшую из медной проволоки, введенной в мозг лягушки, мышцы лягушки (содержащаяся в ней жидкость была раствором электролита) и железной решетки. Он обнаружил, что прикосновение тела лягушки к железной решетке неизменно вызывало сокращение лягушачьей лапки. Препарированная мертвая лягушка как бы оживала!

Гальвани опубликовал статью, в которой объявил об открытии им «животного» электричества, якобы содержавшегося в теле лягушки и вызвавшего сокращение мышцы при выходе из него. Проверяя этот результат, А.Вольта опроверг мнение Гальвани о существовании «животного» электричества, но обнаружил возникновение «металлического» электричества при замыкании системы из двух разнородных металлов и находившейся между ними прослойки электролита. Этим Вольта показал, что мышца лягушки служит не источником электричества, а своеобразным гальванометром, позволяющим обнаружить факт прохождения электрического тока.Изобретенный им в 1800 г. источник постоянного тока Вольта назвал в честь умершего в 1798 г. Гальвани гальваническим элементом. Состоял гальванический элемент из нескольких десятков кружков серебра (или меди) и такого же количества кружков цинка, чередовавшихся с ними и разделенных пористыми прокладками, пропитанными раствором соли. Открытия Гальвани и Вольта ознаменовали рождение новой науки - электрохимии.

В XIX в. открытия в области электрохимии следовали одно за другим. Уже в 1800 г. Г.Дэви осуществил электролиз воды. У.Николсон и А.Карлейль обнаружили, что при электролизе водных растворов образуются кислород и водород, выделяющиеся, к удивлению исследователей, на электродах раздельно. Этот парадокс разрешил К.Гротгус, предложивший в 1805 г. первую теорию электролиза, основанную на представлении о дипольном характере молекул воды. В 1807-1808 гг. Дэви посредством электролиза расплавов получил металлы: натрий, калий, магний, кальций, стронций и барий. Термины «электролиз», «электрод», «катод», «анод» были введены в 30-х годах XIX в. Майклом Фарадеем. Он дал объяснение механизму процесса, предположив, что в растворах переносчиками зарядов являются ионы, что по-гречески значит «идущие». Отсюда появились названия «катион» - идущий к катоду и «анион» - идущий к аноду. Также большой вклад в развитие электрохимии внесли русские ученые В.В.Петров и А.Н.Фрумкин, шведский ученый С.Аррениус.

Размещено на Allbest.ru