Лекция № 20. Электролиз

ЭЛЕКТРОЛИЗ – процесс превращения электрической энергии в химическую

Электролизер – прибор, в котором проходит

электролиз:

1. Катод-

Анод –

2. электролит

3. источник постоянного тока

Электроды:

Электроды

Инертные Активные –

(неактивные) все М электроды.

Pt-мет., C, Аu, PbО₂, RuO_, Они растворяются на аноде:

нерж. cталь - не растворяются М→ Мⁿ⁺ + nе

Металлы, переходящие в определенной среде в неактивное состояние, т.е. пассивирующиеся, благодаря образованию защитной пленки (оксидов, гидроксидов, солей) на поверхности –алюминий, никель, хром, титан, тантал и нек. др.)

Электролиз подчиняется законам Фарадея и кинетическим законам. Для принудительного процесса (не протекающего самопроизвольно в прямом направлении):

А_min = DG DG = nFU_min U_min = Еа - E_K

Потенциал разложения или выделения: минимальное напряжение, при котором процесс электролиза становится возможным.

Под действием тока потенциалы электродов электролизера изменяютcя

– поляризация: Е_К – более отрицательным, Е_А – более положительным

Клемовое напряжение (напряжение электролизера) вследствие поляризации

и омических потерь увеличивается с увеличением i

U_кл=U_min + ∆E_A + ∆E_K + I(R₁+R₂)

Увеличение U_кл приводит к перерасходу энергии по сравнению с рассчитанной по уравнениям химической термодинамики

Для уменьшения U_кл следует:

1. для ↓ омических потерь:

- использовать электролит с высокой электропроводностью

- уменьшить расстояние между электродами

- ↑ Т;

2. для ↓ концентрационной и э/х поляризации:

- ↑ S_{электродов}; ↑ Т; изм. С_{реагента} ;

- перемешивать;

- использовать электроды-катализаторы;

- ↓ ток

Пример 1.

Электролиз расплава NaОН на инертных электродах

Ионный состав расплава: NaOH → Na⁺ + OH^- (сильный электролит)

Электроды: графит С_тв или Pt – не участвуют в реакциях (инертные)

• К: Na⁺ + e → Na⁰ |4 только один процесс

• А: 4OH^- → O₂↑ + 2H₂O + 4e только один процесс

4Na⁺+4OH^- = 4Na⁰ + O₂↑ + 2H₂O

По закону Фарадея

m-масса полученного на катоде натрия; В_i- выход по току

Выходом по току i-го вещества (В_i) называется доля общего

количества электричества (в%), расходуемая на превращение данного вещества.

Q_i – кол-во электричества, пошедшее на превращение i вещества

Q_o – общее кол-во электричества, прошедшее через электрод

Если отсутствуют потери Q на другие процессы В_Na= 100%

Следует помнить: Q_A =|Q_K|= Q_o

ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Последовательность протекания электродных процессов зависит от состава электролита, материала электрода, рН, величины поляризации.

Правила катодного восстановления

На катоде в первую очередь восстанавливаются наиболее сильные окислители,

т.е. идет реакция с более + Е. Если разница потенциалов частиц в приэлектродном слое меньше 1В, возможны два и более процесса.

При электролизе окислители делятся на три группы

1.Окислители Е⁰_ох < < Е⁰_Н+/Н2

Ионы Ме I A, II A подгупп, стоящих в ряду напряжения выше и вкл. Al на катоде не восстанавливаются, выделяется только Н₂.

2. Окислители, Е⁰_ох > Е⁰_Н+/Н2

Cu²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Au³⁺, Pt-Me, O₂, и т.д. восстанавливаются в первую очередь,

Н₂ не выделяется

3. Окислители Е⁰_ох - Е⁰_Н+/Н2 < 1

Ионы Sn²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ и др., стоящие в ряду напряжения между Al и Н_{2. .}Два процесса : Меⁿ⁺ + ne → Me⁰, 2H⁺ + 2e → H₂

Правила анодного окисления

в первую очередь окисляются наиболее сильные восстановители, т.е.идет реакция, потенциал которой наименьший

если разница потенциалов частиц в приэлектродном слое меньше 1В, возможны два и более процесса.

Ионы SO₄^2-, NO₃^-, NO₂^-, CO₃^2-, PO₄^3- (анионы кислородсодержащих кислот) на аноде не окисляются!!!