Меню

Явление электролиза заключается в возникновении тока

Природа электрического тока в растворах и расплавах электролитов. Явление электролиза. Закон электролиза Фарадея. Применение электролиза.

Природа электрического тока в растворах и расплавах электролитов

Электролиты жидкие проводники, в которых подвижными носителями зарядов являются ионы (проводники 2-го рода).

Электролитическая диссоциация. С. Аррениус (1877 г.): под действием полярных молекул растворителя (воды, ε=81 ) или при нагревании молекулы щелочей, кислот, солей разделяются на ионы. (При растворении Еп уменьшается и становится меньше Ек хаотического движения ионов. При нагревании — Ек увеличивается и становится больше Еп электрического взаимодействия ионов). Одновременно с диссоциацией наблюдается рекомбинация.

Интенсивность электролитической диссоциации зависит: 1. От температуры раствора. 2. От концентрации раствора. 3. От рода раствора (его диэлектрической проницаемости).

Явление электролиза.

Электролизом называется процесс выделения на электродах вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями при прохождении тока через электролит.

Вольтамперная характеристика для электролитов. За счет явления поляризации график смещен. ЭДС поляризации имеет знак, противоположный знаку напряжения на электродах.

Ионная проводимость: прохождение тока связано с переносом вещества.

Сопротивление растворов электролитов

Уменьшается R с повышением температуры. Справедлив закон Ома при неизменной концентрации раствора и постоянной температуре.

Закон электролиза Фарадея

При электролизе на электродах происходит выделение ве­щества:

где mi и qi — соответственно масса и заряд иона; М — молярная масса; Ni — число ионов, достигших электрода, n — валентность;

Таким образом, , но — электро­химический эквивалент вещества. Он зависит от рода вещества.

В Международной системе единиц СИ: .

Т.к. процесс электролиза медленный, то на практике применяют единицу

Обозначим — число Фарадея

Физический смысл: Для выде­ления 1 моль одновалентного вещества необходимо пропустить через электролит заряд 96500 Кл.

Закон электролиза: масса вещества, выделившегося на электродах прямо пропорциональна силе тока, идущего через электролит и времени прохождения тока (т.к. q=I . Δ t , то: прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит)

Определение заряда электрона

Источник

Электролиз — понятие, правила применения и схемы процесса

Огромной популярностью в металлургии и химической промышленности имеет такой физико-химический процесс, как электролиз, происходящий с помощью электролизера. Чтобы понять принцип его действия, нужно изучить определение, нюансы и особенности явления.

Понятие электролиза

Электролиз — процесс, который возникает при воздействии электрического тока на электролит и заключается в выделении электродами составных частей.

Значение явления заключается в том, что путём воздействия электричества на ионы можно организовывать новые формы, структуры или даже сами вещества. Это позволяет человеку контролировать некоторые процессы, протекающие на молекулярном уровне. Законы данного явления в химии и физике открыл английский учёный Фарадей.

Явление происходит при участии электродов, которые делятся на катод и анод:

катод — электрод с отрицательным зарядом, на котором происходит восстановление катионов;

анод — электрод с положительным зарядом, где происходит окисление анионов.

Приборы чаще всего изготавливаются из материалов, пропускающих электрический ток, например, из графита или большинства металлов. Оба прибора подключаются к отрицательному и положительному полюсам соответственно.

Явление происходит в следующем порядке:

Очень важно не путать такие близкие определения, как гидролиз и электролиз. Первым явлением считается разложение раствора вещества на ионы (заряженные частицы) в воде.

Первый закон Фарадея

Установленный Фарадеем первый закон говорит о прямой пропорциональности между массой вещества, выделившейся в ходе электролиза, и величиной заряда, который прошел через электролит.

Правило подкреплено формулой m = k * q, то есть произведение заряда вещества на его электрохимический эквивалент, что равняется его массе.

Проверка первого закона Фарадея происходит следующим образом:

нужно взять три любых электролита, например, А, Б и В и пропустить ток через каждый;

если вещества одни и те же, то массы выделившихся можно назвать Г, Г1 и Г2;

при этом будет верным следующее равенство: Г= Г1+Г2.

Второй закон Фарадея

Данное правило, установленное Фарадеем, указывает на зависимость между атомной массой вещества, количеством возможных химических связей и самим электрохимическим эквивалентом.

Таким образом, электрохимический эквивалент прямо пропорционален атомной массе вещества, но валентности вещества он обратно пропорционален.

Таблица изменения веществ с помощью электролиза

Усиление восстановительных способностей веществ:

Источник

Физика

Явление электролиза заключается в выделении вещества на электродах при пропускании электрического тока через электролит.

Электролиты (растворы, расплавы) обладают ионной проводимостью, т.е. в них имеются положительные и отрицательные ионы:

  • катионы — положительные ионы;
  • анионы — отрицательные ионы.

Электрическое поле в электролите создается двумя электродами:

  • анодом — положительным электродом;
  • катодом — отрицательным электродом.
Читайте также:  Утечка тока из за штатной магнитолы

Под воздействием электрического поля, созданного электродами (рис. 8.16):

  • анионы (отрицательные ионы) движутся к аноду;
  • катионы (положительные ионы) движутся к катоду.

На электродах происходит осаждение соответствующего вещества.

Первый закон Фарадея для электролиза : масса вещества, выделившегося на каком-либо из электродов за определенное время, пропорциональна величине электрического заряда, прошедшего через электролит за это время:

где k — электрохимический эквивалент вещества; q — величина электрического заряда, протекающего через электролит.

Формулу для вычисления заряда можно записать:

  • через силу тока —

где I — сила тока; t — время протекания тока через электролит;

  • через плотность тока —

где j — плотность тока, j = I / S ; S — площадь электрода.

Тогда первый закон Фарадея принимает одну из следующих форм:

m = kIt , m = kjSt .

Второй закон Фарадея для электролиза : электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту:

где x — химический эквивалент вещества, x = A / n ; A — относительная атомная масса элемента; n — его валентность; F — постоянная Фарадея, F = 9,65 ⋅ 10 4 Кл/моль.

Если постоянная Фарадея отсутствует в условии задачи, то для ее вычисления можно использовать формулу

где e — элементарный заряд, e = 1,6 ⋅ 10 −19 Кл; N A — постоянная (число) Авогадро, N A = 6,02 ⋅ 10 23 моль −1 .

Объединенный закон Фарадея для электролиза получается путем подстановки формулы для электрохимического эквивалента (второго закона Фарадея) в выражение для массы вещества, выделившегося на электроде (первый закон Фарадея):

где A — относительная атомная масса элемента; I — сила тока, протекающего через электролит; t — время протекания тока; n — валентность элемента; F — постоянная Фарадея, F = 9,65 ⋅ 10 4 Кл/моль.

Молекулы некоторых веществ (например, молекулы двухатомных газов) при электролизе расщепляются на атомы. Поэтому при вычислениях необходимо учитывать соотношения между молярной и атомной массами:

  • для одноатомных молекул вещества —

где M — молярная масса вещества;

  • двухатомных молекул вещества —

Для определения толщины покрытия электрода веществом следует пользоваться алгоритмом :

1) записать объединенный закон Фарадея:

2) представить массу вещества, выделившегося на электроде, в виде произведения:

где ρ — плотность вещества, выделяющегося на электроде; V — объем вещества, V = Sh ; S — площадь электрода; h — толщина покрытия;

3) подставить произведение в объединенный закон Фарадея;

4) выразить искомую толщину покрытия:

h = A I t n F ρ S ,

где A — относительная атомная масса элемента; I — сила тока, протекающего через электролит; t — время протекания тока; n — валентность; F — постоянная Фарадея, F = 9,65 ⋅ 10 4 Кл/моль.

Пример 19. К зажимам электролитической ванны, предназначенной для никелирования изделий, подведено напряжение 1,8 В. Ванна заполнена раствором электролита сопротивлением 3,7 Ом. В процессе электролиза на электродах выделяется двухвалентный никель с молярной массой 59 г/моль, плотность никеля составляет 8,9 г/см 3 . В раствор помещают некоторое изделие с площадью поверхности 1,2 дм 2 . Рассчитать, за какое время изделие покроется слоем никеля толщиной 30 мкм. Какая энергия будет израсходована при этом?

Решение . 1. Воспользуемся обобщенным законом Фарадея для электролиза:

m = 1 F ⋅ A n I t ,

где m — масса никеля, выделившегося на поверхности изделия; A — атомная масса никеля (совпадает с молярной массой, так как никель является одноатомным), A = 59 г/моль; F — постоянная Фарадея, F = 9,65 ⋅ 10 4 Кл/моль; n — валентность никеля, n = 2; I — сила тока в электролитической ванне; t — время никелирования изделия.

Из данного закона следует, что для расчета времени никелирования изделия

необходимо знать силу тока в электролите и массу выделившегося никеля.

Силу тока найдем из закона Ома для участка цепи:

где U — напряжение на зажимах ванны, U = 1,8 В; R — сопротивление электролита, R = 3,7 Ом.

Массу определим с помощью произведения:

где ρ — плотность никеля, ρ = 8,9 г/см 3 ; V — объем никеля, выделившегося на поверхности изделия, V = Sh ; S — площадь поверхности изделия, S = 1,20 дм 2 ; h — толщина покрытия, h = 30 мкм.

Подставим выражения для I и m в формулу, определяющую время никелирования изделия:

t = n ρ S h F R A U ,

и рассчитаем искомое время:

t = 2 ⋅ 8,9 ⋅ 10 3 ⋅ 1,2 ⋅ 10 − 2 ⋅ 30 ⋅ 10 − 6 ⋅ 9,65 ⋅ 10 4 ⋅ 3,7 59 ⋅ 10 − 3 ⋅ 1,8 = 6,0 ч.

2. При электролизе расходуется энергия, которую можно найти по формуле

или с учетом формулы для времени никелирования —

E = U 2 R n ρ S h F R A U = U n ρ S h F A .

E = 1,8 ⋅ 2 ⋅ 8,9 ⋅ 10 3 ⋅ 1,2 ⋅ 10 − 2 ⋅ 30 ⋅ 10 − 6 ⋅ 9,65 ⋅ 10 4 59 ⋅ 10 − 3 = 19 кДж.

Для покрытия изделия слоем никеля указанной толщины требуется 6,0 ч; при этом расходуется электроэнергия 19 кДж.

Источник



Что такое электролиз и где он применяется?

Вопрос о том, что такое электролиз, рассматривается еще в школьном курсе физике, и для большинства людей не является секретом. Другое дело – его важность и практическое применение. Этот процесс с большой пользой используется в различных отраслях и может пригодиться для домашнего мастера.

Читайте также:  Анализ сложных электрических цепей постоянного тока метод законов кирхгофа

Что такое электролиз и где он применяется?

Что такое электролиз?

Электролиз представляет собой комплекс специфических процессов в системе электродов и электролита при протекании по ней постоянного электрического тока. Его механизм основывается на возникновении ионного тока. Электролит – это проводник 2-го типа (ионная проводимость), в котором происходит электролитическая диссоциация. Она связана с разложением на ионы с положительным (катион) и отрицательным (анион) зарядом.

Электролизная система обязательно содержит положительный (анод) и отрицательный (катод) электрод. При подаче постоянного электрического тока катионы начинают двигаться к катоду, а анионы – к аноду. Катионами в основном являются ионы металлов и водород, а анионами – кислород, хлор. На катоде катионы присоединяют к себе избыточные электроны, что обеспечивает протекание восстановительной реакции Men+ + ne → Me (где n – валентность металла). На аноде, наоборот, электрон отдается из аниона с протеканием окислительной реакции.

Таким образом, в системе обеспечивается окислительно-восстановительный процесс. Важно учитывать, что для его протекания необходима соответствующая энергия. Ее должен обеспечить внешний источник тока.

Законы электролиза Фарадея

Великий физик М.Фарадей своими исследованиями позволил не только понять природу электролиза, но и производить необходимые расчеты для его осуществления. В 1832 г. появились его законы, связавшие основные параметры происходящих процессов.

Первый закон

Первый закон Фарадея гласит, что масса восстанавливающегося на аноде вещества прямо пропорциональна электрическому заряду, наведенному в электролите: m = kq = k*I*t, где q — заряд, k – коэффициент или электрохимический эквивалент вещества, I – сила тока, протекающего через электролит, t – время прохождения тока.

Что такое электролиз и где он применяется?

Второй закон

Второй закон Фарадея позволил определить коэффициент пропорциональности k. Он звучит следующим образом: электрохимический эквивалент любого вещества прямо пропорционален его молярной массе и обратно пропорционален валентности. Закон выражается в виде:

Что такое электролиз и где он применяется?

k = 1/F*A/z, где F – постоянная Фарадея, А- молярная масса вещества, z – его химическая валентность.

С учетом обоих законов можно вывести окончательную формулу для расчета массы, оседающего на электроде вещества: m = A*I*t/(n*F), где n – количество электронов, участвующих в электролизе. Обычно n соответствует заряду иона. С практической точки зрения важна связь массы вещества с подаваемым током, что позволяет контролировать процесс, изменяя его силу.

Электролиз расплавов

Один из вариантов электролиза – использование в качестве электролита расплав. В этом случае в электролизном процессе участвуют только ионы расплава. В качестве классического примера можно привести электролиз солевого расплава NaCl (поваренная соль). К аноду устремляются отрицательные ионы, а значит, выделяется газ (Cl). На катоде будет происходить восстановление металла, т.е. оседание чистого Na, образующегося из положительных ионов, притянувших избыточные электроны. Аналогично можно получать другие металлы (К, Са, Li и т.д.) из расправа соответствующих солей.

Что такое электролиз и где он применяется?

При электролизе в расплаве электроды не подвергаются растворению, а участвуют только в качестве источника тока. При их изготовлении можно использовать металл, графит, некоторые полупроводники. Важно, чтобы материал имел достаточную проводимость. Один из наиболее распространенных материалов – медь.

Особенности электролиза в растворах

Электролиз в водном растворе существенно отличается от расплава. Здесь имеют место 3 конкурирующих процесса: окисление воды с выделением кислорода, окисление аниона и анодное растворение металла. В процессе задействованы ионы воды, электролита и анода. Соответственно, на катоде может происходить восстановление водорода, катионов электролита и металла анода.

Что такое электролиз и где он применяется?

Возможность протекания указанных конкурирующих процессов зависит от величины электрических потенциалов системы. Протекать будет только тот процесс, который требует меньше внешней энергии. Следовательно, на катоде будут восстанавливаться катионы, имеющие максимальный электродный потенциал, а на аноде – окисляться анионы с наименьшим потенциалом. Электродный потенциал водорода принят за «0». Для примера, у калия он равен (-2,93 В), натрия – (-2,71 В), свинца (-0,13 В), а у серебра – (+0,8 В).

Электролиз в газах

Газ может исполнить роль электролита только при наличии ионизатора. В этом случае ток, проходя через ионизированную среду, вызывает необходимый процесс на электродах. При этом законы Фарадея не распространяются на газовый электролиз. Для его осуществления необходимы такие условия:

  1. Без искусственной ионизации газа не поможет ни высокое напряжение, ни большой ток.
  2. Для электролиза подходят лишь кислоты, не содержащие кислорода и находящиеся в газообразном состоянии, и некоторые газы.

Важно! При выполнении необходимых условий процесс протекает аналогично электролизу в жидком электролите.

Особенности процессов, происходящих на катоде и аноде

Для практического применения электролиза важно понимать, что происходит на обоих электродах при подаче электрического тока. Характерны такие процессы:

  1. Катод. К нему устремляются положительно заряженные ионы. Здесь происходит восстановление металлов или выделение водорода. Можно выделить несколько категорий металлов по катионной активности. Такие металлы, как Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al, хорошо восстанавливаются только из расплава солей. Если используется раствор, то выделяется водород за счет электролиза воды. Можно обеспечить восстановление в растворе, но при достаточной концентрации катионов, у следующих металлов — Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Процесс протекает наиболее легко для Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
  2. Анод. К этому электроду поступают отрицательно заряженные ионы. Окисляясь, они отбирают электроны у металла, что приводит к их анодному растворению, т.е. переходу в положительно заряженные ионы, которые направляются к катоду. Анионы также подразделяются по своей активности. Только из расплавов могут разряжаться такие анионы PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F. В водных растворах электролизу подвергаются не они, а вода с выделением кислорода. Наиболее легко реагируют такие анионы, как ОН, Cl, I, S, Br.
Читайте также:  Пансионаты крыма ток судак

Что такое электролиз и где он применяется?

При обеспечении электролиза важно учитывать склонность материала электродов к окислению. В этом отношении выделяются инертные и активные аноды. Инертные электроды делаются из графита, угля или платины и не участвуют в снабжении ионами.

Факторы, влияющие на процесс электролиза

Процесс электролиза зависит от следующих факторов:

  1. Состав электролита . Значительное влияние оказывают различные примеси. Они подразделяются на 3 типа – катионы, анионы и органика. Вещества могут быть более или менее отрицательными, чем основной металл, что и мешает процессу. Среди органических примесей выделяются загрязнители (например масла) и ПАВ. Их концентрация имеет предельно допустимые значения.
  2. Плотность тока . В соответствии с законами Фарадея, масса осаждаемого вещества увеличивается с увеличением силы тока. Однако возникают неблагоприятные обстоятельства – концентрированная поляризация, повышенное напряжение, интенсивный разогрев электролита. С учетом этого существуют оптимальные значения плотности тока для каждого конкретного случая.
  3. рН электролита . Кислотность среды также выбирается с учетом металлов. Например оптимальное значение кислотности электролита для цинка – 140 г/куб.дм.
  4. Температура электролита . Она влияет неоднозначно. С увеличением температуры растет скорость электролиза, но повышается и активность примесей. Для каждого процесса есть оптимальная температура. Обычно она находится в пределах 38-45 градусов.

Важно! Электролиз можно ускорить или замедлить путем различных воздействий и выбора состава электролита. Для каждого варианта применения существует свой режим, который следует строго соблюдать.

Где применяется электролиз?

Электролиз применяется во многих сферах. Можно выделить несколько основных направлений использования для получения практических результатов.

Гальваническое покрытие

Тонкое, прочное гальваническое покрытие из металла можно наложить путем электролиза. Покрываемое изделие устанавливается в ванну в виде катода, а электролит содержит соль нужного металла. Так можно покрыть сталь цинком, хромом или оловом.

Что такое электролиз и где он применяется?

Электроочистка — рафинирование меди

Примером электроочистки может служить такой вариант: катод – чистая медь, анод – медь с примесями, электролит – водный раствор медного сульфата. Медь из анода переходит в ионы и оседает в катоде уже без примесей.

Что такое электролиз и где он применяется?

Добыча металлов

Для получения металлов из солей они переводятся в расплав, а затем обеспечивается электролиз в нем. Достаточно эффективен такой способ для получения алюминия из бокситов, натрия и калия.

Что такое электролиз и где он применяется?

Анодирование

При этом процессе покрытие выполняется из неметаллических соединений. Классический пример – анодирование алюминия. Алюминиевая деталь устанавливается, как анод. Электролит – раствор серной кислоты. В результате электролиза на аноде оседает слой из оксида алюминия, обладающего защитными и декоративными свойствами. Указанные технологии широко используются в различных отраслях промышленности. Можно осуществить процессы и своими руками с соблюдением техники безопасности.

Энергетические затраты

Электролиз требует больших энергетических затрат. Процесс будет иметь практическую ценность при достаточной величине анодного тока, а для этого необходимо приложить значительный постоянный ток от источника электроэнергии. Кроме того, при его проведении возникают побочные потери напряжения – анодное и катодное перенапряжение, потери в электролите за счет его сопротивления. Эффективность работы установки определяется путем отнесения мощности энергозатрат к единице полезной массы полученного вещества.

Источник