Рассмотрим несколько примеров электролиза

Электролиз соли меди с растворимым медным анодом Катодом является химически чистая электролитическая медь, а анодом — чер-

новая медь. В качестве электролита применяют водный раствор сульфата меди.

На аноде Сu = Сu ²⁺ +2е^-

На катоде Сu ²⁺ +2е^-=Сu

Этот метод применяется для рафинирования меди и других металлов.

Электролиз водного раствора сульфата натрия с нерастворимыми платиновыми электродами. Сульфат натрия в водном растворе дис­социирует на ионы 2Na⁺ и SO₄^2-. При электролизе процесс на катоде может быть выражен следующим образом: 4Na⁺ + 4Н₂0+4е-=4Na⁺ 4ОН^-+2Н₂

или Н₂0+4е-=4ОН^-+2Н₂

а на аноде 2SO₄^2- +2Н₂0-4е^-=4Н⁺ + 2SО₄^2-+O₂

или 2Н₂0-4е^-=4Н⁺ + O₂

Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород; вблизи катода получается гидроокись натрия, а вблизи анода — серная кислота. Если католит (раствор у катода) и анолит (раствор у анода) смешать, то получится сульфат натрия и вода. Таким образом, электролиз вод­ного раствора сульфата натрия сводится к разложению воды на во­дород и кислород.

Электролиз водного раствора йодида калия с платиновыми электро­дами. Иодид калия в водном растворе содержит -ионы калия и иодид-ионы.

На катоде 2К⁺+2Н₂О+2е-=2К⁺+20Н^-+Н₂

или 2Н₂О+ 2е- = 20Н- + Н₂

а на аноде 2J- —2е- = J2

На катоде выделяется водород, а на аноде йод.

Электролиз водного раствора серной кислоты с платиновыми элек­тродами. При электролизе раствора серной кислоты

на катоде 4Н⁺+4e^-=2Н₂

На аноде 2SO₄^2- +2Н₂0—4е-=4Н⁺+2SO₄^2- + О₂

или 2Н₂О—4е^- = 4Н⁺+О₂

т. е. по существу происходит разложение воды на водород и кислород. В случае если электролитом является кислота с кислородсодержащим анионом или соль такой кислоты, то при электролизе на аноде выде­ляется кислород и увеличивается концентрация кислоты в анолите,

По активности к окислению на аноде отрицательные ионы могут быть расположены в следующий ряд:

элементарные ионы.. .сложные ионы

J-, Вг-, С1-, S^2- ОН-, SO₄^2-, N0₃^-, С1О₄^- ...

При электролизе водных растворов соединений, содержащих слож­ные ионы, вместо последних на аноде разряжается гидроксид-ион.

Рис. 7. Свинцовый аккумулятор: а — смонтированный аккумулятор, б — свинцовая пластина

11. Аккумуляторы

Аккумуляторы — это устройства, являющиеся вторичными хими­ческими источниками электрической энергии. Они характеризуются обратимостью, т. е. после разрядки могут быть приведены в исходноесостояние пропусканием через них электрическо­го тока от внешнего источника (зарядка ак­кумулятора). Аккумуляторы при­меняются для приведе­ния в движение электро­кар, шахтных электро­возов, подводных лодок, для обслуживания са­молетов, аэродромов и беспилотных управляе­мых объектов, для запу­ска двигателей автомо­билей, самолётов и т. д. Свинцовый аккумулятор состоит из двух перфорированных (тонких решетчатых, сотообразных) свинцовых пластин, одна из которых (отрицательная) после зарядки заполнена губчатым металлическим свинцом, а другая (положительная) — двуо­кисью свинца (рис. 7). Обе пластины находятся в 25—30%-ном раст­воре серной кислоты. Вначале, перед зарядкой, в свинцовые пластины электродов вмазывается паста, содержащая, помимо органического связующего, окись свинца. В результате взаимодействия окиси свинца с серной кислотой на электродных пластинах образуется сульфат свинца

РbО + Н₂S0₄ = РbSО₄ + Н₂О

Процесс зарядки аккумулятора может быть представлен следую­щими уравнениями реакций для катодной и анодной пластин:

на катоде РbSО₄+2е^-=Рb+SO₄^2- с образованием губчатого свинца;

на аноде РbSО₄ + 2Н₂О – 2е^- = Рb + 4Н⁺ + SО₄²

Суммарно химическую реакцию, протекающую при зарядке аккумулятора, можно выразить следующим уравнением:

2РbSО₄ + 2Н₂О = Рb + РbО₂ + 2Н₂SО₄

Процесс разрядки.

На катоде Рb + SO₄^2- =PbSO₄+2e^- (Е⁰₂)

или Pb = Pb²⁺ + 2e-

на аноде PbO₂+2H₂SO₄ = Pb(SO₄)₂+2H₂O

Рb(SO₄)₂ + 2e- = 2PbSO₄ +2H₂O (Е⁰₁)

или Pb⁴⁺+2e^-=Pb²⁺

или

Процессы, протекающие при разрядке и зарядке аккумулятора, сум­марно могут быть представлены:

разрядка

Рb + РbО₂ + 2Н₂SО₄ = 2Рb SO₄ + 2Н₂О

зарядка

Очевидно, что при зарядке аккумулятора концентрация серной : ки­слоты в нём увеличивается, а при разрядке уменьшается. Зарядку и разрядку можно повторять много раз; поэтому аккумуляторы могут находиться в эксплуатации продолжительное время.

ЭДС аккумулятора=Е⁰₁ - Е⁰₂ = 1,68-(-0,36) = 2,04 в

(значения стандартных потенциалов электродов взяты из табл. 45). В действительности значение ЭДС аккумулятора несколько отли­чается от 2,04 в, так как концентрации ионов Рb²⁺ и Рb⁴⁺ в растворе не отвечают стандартным условиям.

Помимо свинцового аккумулятора в практике находят применение никелево-кадмиевый, никелево-железный и серебряно-цинковый ак­кумуляторы.

Топливный элемент. Гальванические элементы и аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии. Особого типа химическим источником электрической энергии является так называемый топливный элемент. Принципиальная схема топливного элемента может быть дана в следующем виде:

С | электролит | О₂ | неактивный электрод

Теоретически ЭДС этого элемента определяется теплотой горения угля по реакции С+О₂=СО₂ и должна составлять 1 ,05 в. В топливном элементе вся тепловая энергия должна превращаться в электрическую, т. е. топливный элемент должен иметь коэффициент полезного дейст­вия (к. п. д.), близкий к 100%. В настоящее время во многих странах мира разрабатываются электрохимические схемы и конструкции топливного элемента. Ис­следуется возможность применения в топливном элементе в качестве горючего не только угля, но и различных горючих газов (водород, окись углерода).