3.8. Применение электролиза

В настоящее время электролиз имеет большое значение, т.к. закономерности электрохимии являются теоретической основой для разработки важнейших технических процессов электролиза и электросинтеза. Эти процессы лежат в основе получения химических продуктов (получение хлора, щелочей, получение и очистка редких и цветных металлов, электросинтез органических соединений). Важной областью практического применения электролиза является гальванотехника (покрытие металлом и получение металлических матриц).

В машиностроении, приборостроении, электронике широкое применение получил электрохимический метод нанесения металлических покрытий – гальваностегия: для защиты от коррозии (цинкование, кадмирование), для декоративной отделки наряду с защитой от коррозии (никелирование, хромирование, золочение), для защиты от коррозии химической аппаратуры, для повышения износостойкости и длительности службы трущихся деталей механизмов и приборов.

В течение последних лет получили применение покрытия серебром, золотом, металлами платиновой группы поверхности различных контактов точной аппаратуры с целью повышения их высокой поверхностной проводимости и ее сохранения в течение длительного времени. Это обеспечивает необходимую надежность электронной и радиотехнической аппаратуры, приборов и вычислительной техники.

Все большее применение получают покрытия сплавами для придания поверхности специальных свойств. Большое применение находит электролиз при электролитическом рафинировании металлов, которое используется в тех случаях, когда технический металл должен быть подвергнут специальной очистке для удаления из него вредных примесей или извлечения ценных компонентов. Загрязненный металл по этому способу отливается в аноды, которые растворяются в электролизерах. Перешедшие с анода в раствор катионы при прохождении тока выделяются на катоде, примеси остаются в анодном остатке или накапливаются в электролите. При рафинировании меди извлекаются попутные металлы: золото, серебро, селен, теллур, висмут, никель и др. Чистота электролитической меди достигает 99,99%. При электрорафинировании никеля из анодного шлама извлекаются металлы платиновой группы. Создано электрохимическое производство марганца высокой чистоты, необходимого для специальных сталей и других специальных сплавов. Широкое применение в нашей стране получило электрохимическое получение продуктов неорганического синтеза. Это прежде всего относится к производству важнейших многотоннажных продуктов – хлора и едкого натра, которые одновременно с водородом получают при электролизе раствора хлорида натрия. Хлор и щелочь применяются в целом ряде областей промышленности. Особенно быстро растет потребность в хлоре в связи с бурным развитием хлорорганического синтеза. В технологии неорганических хлоропродуктов широкое распространение получило производство хлористого водорода, четыреххлористого кремния, хлоридов цинка и алюминия.

Области применения едкой щелочи также весьма разнообразны. Ее используют в мыловарении, производстве искусственного шелка и целлюлозы, в нефтяной промышленности, химии и металлургии.

Существует два принципиально различных способа получения хлора и щелочи электролизом растворов хлорида натрия, реже – калия.

Первый из них – способ с твердым железным катодом. Второй – с жидким (ртутным) катодом. Анодами в том и другом способах являются стержни или плиты из графита. Таким образом, анодный процесс одинаков и заключается в окислении анионов хлора: 2Cl¯ - 2e = Cl₂. Катодный процесс на ртутном катоде принципиально отличен от процесса на железном катоде.

Железный катод 2H₂O + 2ē → H₂ + 2OH¯.

Ртутный катод Na⁺ +ē → Na.

При электролизе с железным катодом потенциал электрода не достигает потенциала разряда ионов натрия, поэтому идет процесс восстановления более положительных ионов водорода. Если же вместо железного взять ртутный катод, то перенапряжение водорода на нем настолько велико, что разряд катионов водорода идет при очень высоких отрицательных потенциалах. Одновременно потенциал разряда ионов натрия, в свою очередь, смещается в сторону положительных значений за счет образования металлического соединения с материалом катода – амальгамы натрия. В результате этих двух явлений обычная последовательность разряда ионов нарушается и на ртутном катоде выделяется натрий.

Суммарный процесс разложения хлорида натрия выражается различными уравнениями.

С железным катодом: 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH.

С ртутным катодом: 2NaCl → 2Na + Cl₂.

Если в первом случае щелочь получают в католите непосредственно в процессе электролиза, то во втором ее получают при разложении амальгамы натрия водой в особых аппаратах-разлагателях.

Щелочь получается высокой частоты, ртуть возвращается в процесс. Электролизом получают хлораты и перхлораты, перманганат калия, кислород, перекись водорода, тяжелую воду, надсерную кислоту и другие продукты.

В промышленности и в научных лабораториях широко применяют электрохимические методы анализа (потенциометрический, кондуктометрический, полярографический), которые выдают информацию о концентрации тех или иных веществ непосредственно в виде электрических сигналов. Автоматические устройства воспринимают эти сигналы и в зависимости от их величины выдают соответствующий сигнал, приводящий в действие систему подачи в аппарат раствора большей или меньшей концентрации. Это позволяет использовать электрохимические методы анализа для автоматического регулирования различных химических процессов.