Elektrolys

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 5 april 2022; kontroller kräver 6 redigeringar .

Elektrolys  är en fysikalisk-kemisk process som består i frigörandet av beståndsdelar av lösta ämnen eller andra ämnen på elektroderna, som är resultatet av sekundära reaktioner på elektroderna , som uppstår när en elektrisk ström passerar genom en elektrolytlösning eller smälter .

Elektrolys är en av de bästa metoderna för att förgylla eller belägga metall med koppar, guld.

Den ordnade rörelsen av joner i ledande vätskor sker i ett elektriskt fält , som skapas av elektroder  - ledare anslutna till polerna på en elektrisk energikälla. Katoden under elektrolys kallas den negativa elektroden, den anod-  positiva [1] . Positiva joner - katjoner ( metalljoner , vätejoner , ammoniumjoner etc.) - rör sig mot katoden, negativa joner - anjoner (joner av syrarester och hydroxylgrupp) - rör sig mot anoden.

Reaktionerna som uppstår vid elektrolys på elektroderna kallas sekundära. Primärt är dissociationsreaktionerna i elektrolyten. Uppdelningen av reaktioner i primära och sekundära hjälpte Michael Faraday att fastställa elektrolyslagarna.

Ur kemisynpunkt är elektrolys en redoxprocess som sker på elektroder när en konstant elektrisk ström passerar genom en elektrolytlösning.

Applikation

Elektrolys används ofta i modern industri . I synnerhet är elektrolys en av metoderna för industriell produktion av aluminium , koppar , väte , mangandioxid [2] , väteperoxid . Ett stort antal metaller utvinns ur malmer och utsätts för bearbetning med hjälp av elektrolys ( elektroextraktion , elektroraffinering ). Elektrolys är också den huvudsakliga processen genom vilken den kemiska strömkällan fungerar .

Elektrolys finner tillämpning i avloppsvattenrening (elektrokoagulering, elektroextraktion, elektroflotationsprocesser).

Det används för att erhålla många ämnen (metaller, väte, klor, etc.), när man applicerar metallbeläggningar ( galvanisering ), reproducerar formen på föremål ( galvanisering ).

Faradays första lag

År 1832 fann Faraday att massan m av ämnet som frigörs på elektroden är direkt proportionell mot den elektriska laddningen q som har passerat genom elektrolyten:

, om en likström med strömstyrka I leds genom elektrolyten under en tid t .

Proportionalitetskoefficienten kallas den elektrokemiska ekvivalenten av ett ämne . Det är numeriskt lika med massan av ämnet som frigörs under passagen av en enda elektrisk laddning genom elektrolyten och beror på ämnets kemiska natur.

Härledning av Faradays lag

(ett) (2) (3) (fyra) , (5) där z  är valensen av en atom ( jon ) av ett ämne, e  är elektronladdningen Genom att ersätta (2)-(5) med (1), får vi ,

var  är Faraday-konstanten .

Faradays andra lag

De elektrokemiska ekvivalenterna för olika ämnen är proportionella mot deras molära massor och omvänt proportionella mot siffrorna som uttrycker deras kemiska valens.

Den kemiska ekvivalenten av en jon är förhållandet mellan molmassan av en jon och dess valens . Därför den elektrokemiska motsvarigheten

,

var  är Faraday-konstanten .

Faradays andra lag är skriven så här:

, var  är molmassan av ett givet ämne som bildas (dock inte nödvändigtvis frigjort - det kunde ha ingått i vilken reaktion som helst direkt efter bildandet) som ett resultat av elektrolys, g / mol  - strömstyrka , passerat genom ett ämne eller en blandning av ämnen (lösning, smälta ), A  är den tid under vilken elektrolysen utfördes, s  är Faradays konstant , C mol −1  - antalet elektroner som deltar i processen, som vid tillräckligt stora värden av strömstyrkan är lika med det absoluta värdet av laddningen av jonen (och dess motjon) som tog en direkt del i elektrolysen (oxiderad eller reducerad) Detta är dock inte alltid fallet; till exempel, under elektrolysen av en koppar(II)saltlösning, kan inte bara fri koppar, utan även koppar(I)joner bildas (vid låg strömstyrka).

Förändring genom elektrolys av ämnen

Alla ämnen kommer inte att elektrolyseras när en elektrisk ström passerar igenom. Det finns några mönster och regler.

Aktiva metallkatjoner _ Katjoner av mindre aktiva metaller Katjoner av inaktiva metaller
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+
De är kraftigt urladdade (endast från smältor), i en vattenlösning genomgår vatten elektrolys med frisättning av väte I en vattenlösning reduceras metallen (vid en låg koncentration av katjoner i lösningen - metall och väte) Lätt urladdad, och endast metall återställs
Anjoner av syrehaltiga syror och fluoridjoner Hydroxidjoner ; anjoner av anoxiska syror (utom F − )
PO 4 3 - , CO 3 2 - , SO 4 2 - , NO 3 - , NO 2 - , ClO 4 - , F - OH- , Cl- , Br- , I- , S 2- _ _ _ _
De är kraftigt urladdade (endast från smältor), i en vattenlösning genomgår vatten elektrolys med frisättning av syre Lätt urladdad

Exempel

Spänning annorlunda vid anod katod slutliga ekvationer innehåller inte alla data (lösning som vatten eller lösta ämnen)

Smälter

Aktiva metaller, mindre aktiva metaller och inaktiva metaller beter sig på liknande sätt i smältor.

Salt av aktiv metall och syrefri syra Salt av en aktiv metall och en syrehaltig syra Hydroxid: aktiv metall och hydroxidjon

K(-):

A(+):

Slutsats:

K(-):

A(+):

Slutsats:

K(-):

A(+):

Slutsats:

Lösningar

Aktiva metaller
Salt av aktiv metall och syrefri syra Salt av en aktiv metall och en syrehaltig syrarest Hydroxid: aktiv metall och hydroxidjon

K(-):

A(+):

Slutsats:

K(-):

A(+):

Slutsats:

K(-):

A(+):

Total:

Slutsats:

Mindre aktiva metaller och inaktiva metaller
Salt av en mindre aktiv metall och en syrefri syra Salt av en mindre aktiv metall och en syrehaltig syra Hydroxid

K(-):

A(+):

Slutsats:

K(-):

A(+):

Slutsats:

Omöjligt: ​​inaktiva metallhydroxider är olösliga i vatten

Mnemonisk regel

För att memorera katod- och anodprocesser inom elektrokemi finns följande mnemoniska regel:

  • Anjoner oxideras vid anoden.
  • Vid katoden reduceras katjoner.

I den första raden börjar alla ord med en vokal, i den andra - med en konsonant.

Eller lättare:

  • KATOD - KATioner (joner vid katoden)
  • ANod - ANjoner (joner vid anoden)

Elektrolys i gaser

Elektrolys i gaser, i närvaro av en jonisator, ligger i det faktum att när en elektrisk likström passerar genom dem, observeras en frisättning av ämnen på elektroderna. Faradays lagar i gaser är inte giltiga, men det finns flera mönster:

  1. i frånvaro av en jonisator kommer elektrolys inte att utföras, inte ens vid hög spänning;
  2. endast syrefria syror i gasform och vissa gaser utsätts för elektrolys;
  3. elektrolysekvationerna, både i elektrolyter och i gaser, förblir alltid konstanta.

Se även

Anteckningar

  1. Den omvända beteckningen av tecknet för katoden och anoden finns i litteraturen när man beskriver galvaniska celler
  2. Elektrosyntes // Chemical Encyclopedia.

Länkar