Electroliză

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 5 aprilie 2022; verificările necesită 6 modificări .

Electroliza este un proces fizico-chimic care constă în eliberarea de constituenți ai substanțelor dizolvate sau a altor substanțe pe electrozi, care sunt rezultatul reacțiilor secundare asupra electrozilor , care are loc atunci când un curent electric trece printr-o soluție de electrolit sau topitură .

Electroliza este una dintre cele mai bune metode de aurire sau acoperire a metalului cu cupru, aur.

Mișcarea ordonată a ionilor în lichidele conductoare are loc într- un câmp electric , care este creat de electrozi - conductori conectați la polii unei surse de energie electrică. Catodul în timpul electrolizei se numește electrod negativ, anodul - pozitiv [1] . Ioni pozitivi - cationi ( ioni metalici , ioni de hidrogen , ioni de amoniu etc.) - se deplaseaza catre catod, ionii negativi - anioni (ionii reziduurilor acide si gruparea hidroxil) - se deplaseaza catre anod.

Reacțiile care apar în timpul electrolizei pe electrozi se numesc secundare. Primare sunt reacțiile de disociere în electrolit. Împărțirea reacțiilor în primare și secundare l-a ajutat pe Michael Faraday să stabilească legile electrolizei.

Din punct de vedere al chimiei, electroliza este un proces redox care are loc pe electrozi atunci când un curent electric constant trece printr-o soluție de electrolit.

Aplicație

Electroliza este utilizată pe scară largă în industria modernă . În special, electroliza este una dintre metodele de producție industrială de aluminiu , cupru, hidrogen , dioxid de mangan [2] , peroxid de hidrogen . Un număr mare de metale sunt extrase din minereuri și supuse prelucrării prin electroliză ( electroextracție , electrorafinare ). De asemenea, electroliza este principalul proces prin care funcționează sursa de curent chimic .

Electroliza își găsește aplicație în tratarea apelor uzate (procese de electrocoagulare, electroextracție, electroflotație).

Este folosit pentru a obține multe substanțe (metale, hidrogen, clor etc.), la aplicarea acoperirilor metalice ( galvanizare ), reproducând forma obiectelor ( galvanizare ).

Prima lege a lui Faraday

În 1832, Faraday a descoperit că masa m a substanței eliberate pe electrod este direct proporțională cu sarcina electrică q care a trecut prin electrolit:

$m=k\cdot q=k\cdot I\cdot t$ , dacă un curent continuu cu puterea curentului I este trecut prin electrolit pentru un timp t .

Coeficientul de proporționalitate se numește echivalentul electrochimic al unei substanțe . Este numeric egal cu masa substanței eliberată în timpul trecerii unei singure sarcini electrice prin electrolit și depinde de natura chimică a substanței. $k$

Derivarea legii lui Faraday

m=m_{i}N_{i)

(unu)

m_{i}=M/N_{a)

(2)

N_{i}={\frac {\Delta q}{q_{i))}

(3)

\Delta q=I\Delta t

(patru)

q_{i}=ez

, (5) unde z este valența unui atom ( ion ) al unei substanțe, e este sarcina electronilor Înlocuind (2)-(5) în (1), obținem

m={\frac {M}{zeN_{A}}}I\Delta t

m={\frac {M}{zF}}I\Delta t

unde este constanta Faraday . $F=eN_{A}$

k={\frac {M}{Fz)}

m=kI\Delta t

A doua lege a lui Faraday

Echivalenții electrochimici ai diferitelor substanțe sunt proporționale cu masele lor molare și invers proporționale cu numerele care exprimă valența lor chimică.

Echivalentul chimic al unui ion este raportul dintre masa molară a unui ion și valența acestuia . Prin urmare, echivalentul electrochimic $A$ $z$

k\ =\ {1 \over F}\cdot {A \over z}

unde este constanta Faraday . $F$

A doua lege a lui Faraday este scrisă după cum urmează:

m={\frac {M{\cdot}I{\cdot}}{\Delta}t}{n{\cdot}F))

, unde este masa molară a unei anumite substanțe formată (cu toate acestea, nu este neapărat eliberată - ar fi putut intra în orice reacție imediat după formare) ca urmare a electrolizei, g / mol

M

eu

- puterea curentului , trecut printr-o substanță sau amestec de substanțe (soluție, topitură ), A

{\Delta }t

este timpul în care s-a efectuat electroliza, s

F

este constanta lui Faraday , C mol −1

n

- numărul de electroni care participă la proces, care, la valori suficient de mari ale intensității curentului, este egal cu valoarea absolută a sarcinii ionului (și contraionului său) care a luat parte direct la electroliză (oxidat sau redus) Cu toate acestea, acesta nu este întotdeauna cazul; de exemplu, în timpul electrolizei unei soluții de sare de cupru (II), se pot forma nu numai cupru liber, ci și ioni de cupru (I) (la o putere scăzută a curentului).

Modificarea prin electroliza a substantelor

Nu toate substanțele vor fi electrolizate atunci când trece un curent electric. Există câteva modele și reguli.

Cationi metalici activi	Cationi ai metalelor mai puțin active	Cationii metalelor inactive
Li + , Cs + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Be 2+ , Al 3+	Mn 2+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Ga 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , In 3+ , Tl + , Co 2+ , Ni 2+ , Mo 4+ , Sn 2+ , Pb 2+	Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pd 3+ , Pt 2+ , Au 3+
Ele sunt puternic descărcate (numai din topituri), într-o soluție apoasă, apa suferă electroliză cu eliberarea de hidrogen	Într-o soluție apoasă, metalul este redus (la o concentrație scăzută de cationi în soluție - metal și hidrogen)	Se descarcă ușor și numai metalul este restaurat

Anioni de oxigen - acizi care conțin și ion de fluor	Ioni de hidroxid ; anionii acizilor anoxici (cu excepția F − )
PO 4 3 - , CO 3 2 - , SO 4 2 - , NO 3 - , NO 2 - , ClO 4 - , F -	OH- , CI- , Br- , I- , S2- _ _ _ _ _
Ele sunt puternic descărcate (numai din topituri), într-o soluție apoasă, apa suferă electroliză cu eliberarea de oxigen	Descarcat usor

Exemple

Tensiune diferită la anod catodul ecuațiile finale nu conțin toate datele (soluție cum ar fi apa sau soluții)

Se topește

Metalele active, metalele mai puțin active și metalele inactive se comportă în mod similar în topituri.

Sare de metal activ și acid fără oxigen	Sare a unui metal activ și a unui acid care conține oxigen	Hidroxid: metal activ și ion hidroxid
${\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}$ K(-): ${\textstyle {\ce {Na+ + e- = Na^0}}}$ A(+): ${\ce {Cl- - e- -> Cl^0 -> Cl2))$ Concluzie: ${\ce {2NaCl -> 2Na + Cl2 ^}}$	${\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}$ K(-): ${\ce {2Na+ + 2e- = 2Na^0)}$ A(+): ${\ce {2SO4^2- - 4e- = 2SO3 + O2))$ Concluzie: ${\ce {2Na2SO4 -> 4Na + 2SO3 ^ + O2 ^}}$	${\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}$ K(-): ${\ce {Na+ + e- = Na^0)}$ A(+): ${\ce {4OH- - 4e- = 2H2O + O2))$ Concluzie: ${\ce {4NaOH -> 4Na + 2H2O + O2 ^}}$

Soluții

Metale active

Sare de metal activ și acid fără oxigen	Sare a unui metal activ și un reziduu acid care conține oxigen	Hidroxid: metal activ și ion hidroxid
${\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}$ K(-): ${\ce {2H2O + 2e- = H2 + 2OH-}}$ A(+): ${\ce {2Cl- - 2e- = Cl2))$ Concluzie: ${\ce {2NaCl + 2H2O -> H2 ^ + Cl2 ^ + 2NaOH))$	${\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}$ K(-): ${\ce {2H2O + 2e-=H2^+2OH-))$ A(+): ${\ce {2H2O - 4e- = O2 ^ + 4H+))$ Concluzie: ${\ce {2H2O -> 2H2^+O2^}}$	${\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}$ K(-): ${\ce {2H2O + 2e-=H2^+2OH-))$ A(+): ${\ce {4OH- -4e-=O2^+2H2O})$ Total: ${\ce {4H2O + 4e- + 4OH- = 2H2 ^ + 4OH- + 4e- + O2 ^ + 2H2O))$ Concluzie: ${\ce {2H2O -> 2H2^+O2^}}$

Metale mai puțin active și metale inactive

Sare dintr-un metal mai puțin activ și un acid fără oxigen	Sare dintr-un metal mai puțin activ și un acid care conține oxigen	Hidroxid
${\ce {ZnCl2 <-> Zn^2+ + 2Cl-}}$ K(-): ${\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0)}$ A(+): ${\ce {2Cl- - 2e- = 2Cl^0)}$ Concluzie: ${\ce {ZnCl2 -> Zn + Cl2 ^}}$	${\ce {ZnSO4 <-> Zn^2+ + SO4^2-}}$ K(-): ${\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0)}$ A(+): ${\ce {2H2O - 4e- = O2 ^ + 4H+))$ Concluzie: ${\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + 2H2SO4 + O2))$	Imposibil: hidroxizii metalici inactivi sunt insolubili în apă

Regula mnemonică

Pentru a memora procesele catodice și anodice în electrochimie, există următoarea regulă mnemonică:

Anionii sunt oxidați la anod.
La catod, cationii sunt redusi.

În prima linie, toate cuvintele încep cu o vocală, în a doua - cu o consoană.

Sau mai usor:

CAThode - CATions (ioni la catod)
ANod - ANioni (ioni la anod)

Electroliza în gaze

Electroliza în gaze, în prezența unui ionizator, constă în faptul că atunci când un curent electric direct trece prin ele, se observă o eliberare de substanțe pe electrozi. Legile lui Faraday în gaze nu sunt valabile, dar există mai multe modele:

în absența unui ionizator, electroliza nu se va efectua, chiar și la tensiune înaltă;
doar acizii fără oxigen în stare gazoasă și unele gaze sunt supuși electrolizei;
ecuațiile electrolizei, atât în electroliți, cât și în gaze, rămân întotdeauna constante.

Vezi și

Note

↑ Desemnarea inversă a semnului catodului și anodului se găsește în literatură atunci când descriem celulele galvanice
↑ Electrosinteza // Enciclopedia chimică.

Link -uri

Articole legate de electroliza

Începuturile electrolizei	Surse de curent chimic legile lui Faraday Potențial electrod standard

Procese electrolitice

Materiale obținute prin electroliză	Aluminiu calciu metalic Clor Fluor Hidrogen litiu metalic Magneziu potasiu metalic sodiu metalic Hidroxid de sodiu Zinc
Vezi si	Electrochimie

Metode de separare chimică
reflux Distilare topirea zonei Evaporare multiplă Evaporare unică Recristalizare evaporare treptată Reflux Extracție în fază solidă Condens fracționat Cromatografia Electroliză Extracţie