б) окисление ионов Cl- до газообразного хлора (анодный процесс).

(-) K NaCl A (+)

Na+ + Cl- ®

Суммируя уравнения катодного и анодного процессов, (с учетом электронного баланса) получим окислительно-восстановительную реакцию, протекающую при электролизе:

2NaCl = 2Na(ж) + Cl2(г)

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

При электролизе растворов электролитов происходит конкуренция между растворенным веществом и растворителем за участие в электродных процессах. Например, в водных растворах солей кроме анионов и катионов соли всегда имеются молекулы H2O и ионы H+ и OH-. При наличии нескольких видов ионов или недиссоциированных молекул электрохимически активных веществ возможно протекание нескольких электродных реакций.

Для объяснения электродных процессов, происходящих при электролизе разбавленных водных растворов электролитов, можно руководствоваться следующими правилами:

На катоде в первую очередь восстанавливаются (принимают электроны) катионы с наиболее высокими (максимальными) значениями электродного потенциала (сильные окислители).

1. Если электродный потенциал катиона j°Me/Men+ < -1,6 В, то на катоде восстанавливаются ионы H+ молекулы H2O с выделением H2 и

2. накоплением в растворе OH-:

3. При значении стандартного электродного потенциала катиона на катоде восстанавливаются только ионы металла, а разряд ионов H+ не происходит:

4. Если -1,6 В <j°Me/Men+ < 0 В, то на катоде протекают два процесса: восстановление ионов Н+ и ионов металла. Это обусловлено тем, что, во-первых, потенциал водородного электрода зависит от рН раствора:

jH2/2H+ = -0,059· pH,

во-вторых, выделение водорода на катоде происходит с более высоким перенапряжением по сравнению с перенапряжением разряда многих металлов.

Таким образом, при некоторой плотности тока потенциал выделения водорода становится отрицательнее, чем потенциал выделения металла (рис.8.15).

Высокое водородное перенапряжение - явление положительное, благодаря этому, из водных растворов удается выделять на катоде марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель и другие металлы. Все вышесказанное можно представить следующей схемой:

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Количественные соотношения при электролизе были исследованы английским физиком М. Фарадеем и описаны двумя законами.

Первый закон Фарадея. Масса веществ, выделяющихся на электродах, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит.

m = k· Q, где

Q - количество электричества (Кл),

k - константа, электрохимический эквивалент.

Так как Q = I· t, то m = k· I· t, где

I - сила тока в амперах (А);

t - продолжительность электролиза в секундах (с).

Второй закон Фарадея. Равные количества электричества выделяют при электролизе из различных электролитов эквивалентные количества вещества.

nэк.(A) = nэк.(B) или

Для восстановления на катоде и окисления на аноде 1 моль эквивалентов вещества через электролит должно пройти 96500 кулонов электричества. Это количество электричества называют числом Фарадея (F).

F = I· t = 96500 Кл/моль.

Оба закона можно свести в одну формулу:

где m - масса вещества (г);

Mэк. - молярная масса эквивалентов выделившегося вещества (г/моль); где M - молярная масса выделившегося вещества (г/моль);

Z - число эквивалентности, равное числу электронов, участвующих в процессе окисления или восстановления на электродах при получении 1 моль вещества.

Если необходимо рассчитать объем газа, выделившегося в процессе электролиза, то выражение законов Фарадея может быть записано следующим образом

где V° - объем выделившегося газа при н.у., (л);

Vэк. - молярный объем эквивалентов газа (л/моль);

где Vm - молярный объем газа, равный 22.4 л/моль.

В случае параллельных процессов часть количества электричества расходуется на выделение одного вещества, часть - на выделение другого. Доля общего количества электричества (в процентах), которая расходуется на выделение одного из веществ, называется выходом по току этого вещества:

Где ВТ - выход по току вещества А;

QА - количество электричества, израсходованное на превращение вещества А;

Q - общее количество электричества, прошедшее через электрод.

Так как по первому закону Фарадея

m = k· Q, то

Где mА - масса реально выделенного вещества А на электроде;

m - теоретическая масса вещества А, рассчитанная по закону Фарадея.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Электролиз широко используется в различных областях народного хозяйства.

В энергетике водород, полученный электролизом, используют для охлаждения генераторов на тепловых и атомных электростанциях.

Электролизом растворов солей получают медь, цинк, кадмий, никель, кобальт, марганец и другие металлы. В этих процессах используют нерастворимые аноды.

Электролизом расплавов соединений получают алюминий, магний, натрий, литий, бериллий и кальций, а также сплавы некоторых металлов.

Метод электролиза используют для рафинирования (очистки) металлов: меди, золота, серебра, свинца, олова и др. При рафинировании анодом служит очищаемый металл. На аноде растворяется основной металл и примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала основного металла. Примеси, имеющие более положительный потенциал, выпадают из анода в виде шлама.

Электролиз используется для нанесения металлических покрытий на металлы и пластмассы (гальванические покрытия). При этом катодом служит обрабатываемое изделие, анодом - или металл покрытия, или нерастворимый электрод.

Электроды в электрохимии, электронно-проводящие фазы, контактирующие с ионным проводником (электролитом). Часто под электродами понимают лишь одну электронно-проводящую фазу. При пропускании тока от внешнего источника через систему из двух электродов, соединенных друг с другом через электролит, на электроды протекают два процесса: заряжение двойного электрического слоя и электрохимическая реакция. В отличие от фазовых контактов металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник и т. п. на границе фаз, составляющих электрохимическую систему, вид носителей тока меняется, т. к. в электролите ток переносится ионами, а в электронно-проводящей фазе - электронами, Непрерывность прохождения тока через границу фаз в этом случае обеспечивается электродной реакцией. Электрод называют анодом, если на его поверхности преобладает реакция, приводящая к генерированию электронов, т. е. происходит окисление веществ, содержащихся в электролите, либо ионизация металла анода. Электрод называют катодом, если с его поверхности электроны металла переходят на частицы реагирующих веществ, которые при этом восстанавливаются.