Основы электрохимии. Электролиз. Часть 2

УДК 544.642 (075.8) ББК 24.576 я73 З97

Основы электрохимии. Электролиз. Часть 2: Методические указания для программированного контроля знаний студентов 1-го курса очного и заочного обучения по курсу «Общая химия» / И. М. Зырянова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2003. 35 с.

Методические указания составлены в соответствии с программой по общей химии для нехимических вузов. В них изложены основные сведения по теории электролиза, рассматривается прикладной характер электрохимических процессов, приведены контрольные задания и тесты различной степени сложности.

Методические указания предназначены для студентов 1-го курса очного и заочного обучения, могут оказать помощь при самостоятельном изучении химии.

Библиогр.: 10 назв. Табл. 4. Рис. 4. Рецензенты: доктор техн. наук В. В. Лукин;

доктор пед. наук Ю. П. Дубенский; канд. хим. наук О. А. Голованова.

_________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2003

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………...5

1.Применение электролиза…………………………………………………6

1.1.Извлечение металлов……………………………………………………7

1.1.1.Получение натрия……………………………………………………..7

1.1.2.Промышленное получение магния из морской воды………………8

1.2.Очистка металлов…………………………………………………...…..9

1.3.Получение хлора и едкого натра………………………………………10

1.4.Применение электролиза в машиностроительной технологии и технике……………………………………..…………...11

1.4.1.Нанесение металлических покрытий – гальваностегия……………12

1.4.2.Гальванопластика или получение изделий путем электролиза.…..14

1.4.3.Электрохимическая обработка металлов……………………………14

1.4.4. Электрохимический интегратор……………………………………..15

2.Контрольные вопросы и задания………………………………………..17

2.1.Тесты…………………………………………………………………….17

2.2.Контрольные задания (1-й уровень)…………………………………..23

2.3.Контрольные задания (2-й уровень)…………………………………..24

2.4.Контрольные задания (3-й уровень)…………………………………..26 Библиографический список………………………………………………..28

Приложения…………………………………………………………………30

3

ВВЕДЕНИЕ

Химия является одной из фундаментальных наук, знание которой необходимо для активной творческой деятельности инженера любой специальности. В современных условиях, когда конкретные представления, теории и методики быстро устаревают, от специалиста требуется умение самостоятельно развивать полученные знания. Следовательно, возрастает значение базовой подготовки, способности критически оценивать происходящее.

Таким образом, обучение химии как дисциплины естественно-научного блока в инженерно-техническом высшем учебном заведении преследует две основные цели:

формирование у студентов целостного естественно-научного мировоззрения, логического мышления, способности к анализу и синтезу;

изучение свойств технических материалов и условий применения химических процессов в современной технике.

Реализации этих целей можно добиться при осуществлении проблемноконтекстного подхода к обучению в сочетании с профессиональной направленностью изучаемого материала.

Вниманию предлагается вторая часть методических указаний, посвященная рассмотрению одного из важнейших электрохимических процессов – электролиза. Электролиз имеет ряд важных промышленных применений (извлечение и очистка металлов, нанесение гальванических покрытий, анодирование и получение различных веществ и др.).

С целью успешного усвоения и закрепления материала по данной теме необходимо выбрать из библиографического списка рекомендуемой литературы несколько учебных пособий [1 – 5] и использовать их для детального изучения соответствующего вопроса. На лабораторно-практических занятиях предусмотрено выполнение программированных и тестовых заданий с применением ПЭВМ. Разработка контрольных заданий осуществлена таким образом, чтобы обеспечить комбинации упражнений различной степени сложности. Для подготовки к занятиям рекомендуется использовать книги [1, 2, 4, 5], а также дополнительную научно-техническую литературу.

Задания содержат как теоретические вопросы, так и расчетные задачи.

4

При подготовке к занятиям рекомендуется выполнить следующее: внимательно прочитать теоретический материал методических указаний

и, если возникнут вопросы, проработать указанные после названия темы параграфы учебников;

разобрать предложенные примеры, задачи.

Для успешного усвоения и запоминания теоретического материала рекомендуется вести рабочий конспект, в который необходимо записывать формулировки законов, основные формулы, уравнения, закономерности.

При ответах на тестовые задания, решая качественные задачи, требуется дать обоснование явлению или процессу, используя теорию электролиза; при решении задач нужно записать уравнения реакций, основные расчетные формулы и, получив ответ, проверить единицы измерения.

Приведенные в методических указаниях контрольные задания позволяют осуществить дифференцированный подход к обучению. Практическое использование ПЭВМ при тестировании дает возможность интенсифицировать учебный процесс в целом, объективно оценить знания студентов и определить их рейтинг.

5

1.1.1. Получение натрия

Получение натрия из хлорида натрия в промышленности осуществляется с помощью электролизера Даунса. Это цилиндрический стальной электролизер, в котором электролиз расплавленного хлорида натрия проводится между расположенным в центре графитовым анодом и круговым стальным катодом. Хлорид натрия плавится при 800оС. При такой температуре стальной электролизер быстро коррозирует. Кроме того, часть натрия, образующегося при электролизе, растворяется в расплавленном электролите. Это превращает электролит в металлический проводник, в результате чего приостанавливаетсяэлектролитическоеразложение. Посколькухлоридкальцияснижаеттемпературуплавленияприблизительнодо600оС, тодляповеденияэлектролиза используетсяэлектролит, которыйсодержит40 % хлориданатрияи60 % хлоридакальция.

Электролизер Даунса работает в следующем режиме: сила тока − 30000 А; напряжение − 7 − 8 В. В нем осуществляются следующие электродные процессы:

Таким образом, уравнение электролиза расплава хлорида натрия можно представить следующим образом:

Жидкий натрий и хлор поднимаются на поверхность электролита. Поскольку они реагируют между собой, то их разделяют специальной стальной сеткой.

1.1.2. Промышленное получение магния из морской воды

Магний в промышленных масштабах получают из морской воды либо из взвеси обожженного доломита в морской воде. Этот процесс осуществляется по-разному, однако в сущности он состоит из трех стадий.

1-я стадия – осаждение гидроксида магния. Магний, который содержится в морской воде или во взвешенном состоянии, осаждают в виде гидроксида магния. Если в процессе используется только морская вода, осаждение гидроксида магния осуществляется добавлением в нее гашеной извести Ca(OH)2. Если используется взвесь, то в ней уже присутствует гидроксид кальция, который образуется в результате реакции между водой и оксидом кальция, входящего в состав обожженного доломита. Таким образом, на данной

2-я стадия – образование хлорида магния. Гидроксид магния превращается в хлорид магния с помощью соляной кислоты:

3-я стадия – электролиз расплавленного хлорида магния. Гидратированный хлорид магния MgCl2· 6Н2О получают из раствора выпариванием в печи. Затем его дегидратируют, чтобы получить безводный хлорид магния. Расплавленную смесь, содержащую 25 % MgCl2, 15 % CaCl2 и 60 % NaCl, подвергают электролизу в цилиндрическом электролизере с угольными анодами и стальными катодами. CaCl2 и NaCl используются для понижения температуры плавления, а также для повышения плотности электролита, чтобы расплавленный магний мог плавать на поверхности электролита. Электродные реакции описываются следующими превращениями:

1.2. Очистка металлов

Очистка таких металлов, как медь и цинк, может осуществляться с помощью электролиза. Очистка металлов называется рафинированием.

Процесс очистки меди схематично изображен на рис. 1.

Рис. 1. Рафинирование меди

8

Неочищенная медь при этом играет в этом процессе роль анода, а очищенная медь – роль катода. В качестве электролита обычно используется раствор сульфата меди. На аноде протекает полуреакция:

Примеси, освобождаемые при растворении неочищенной меди на аноде, опускаются на дно электролизера, образуя так называемый анодный ил. Этот ил может содержать драгоценные металлы, например золото, серебро,

платину, палладий. Переходящие в раствор ионы меди разряжаются и осаждаются на чистом медном катоде. Эта полуреакция записывается уравнением:

1.3. Получение хлора и едкого натра

Технический электролиз водных растворов может осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде. Среди электрохимических процессов разложения водных растворов без выделения металлов наибольшее распространение получил электролиз растворов хлорида натрия.

При электролизе водного раствора хлорида натрия получают хлор, водород и едкий натр (каустическая сода). Сырьем для производства хлора и щелочи служат, главным образом, растворы поваренной соли или природные растворы. Растворы поваренной соли независимо от пути их получения содержат примеси солей кальция и магния и до того, как они передаются в цеха электролиза, подвергаются очистке от этих солей. Очистка необходима потому, что в процессе электролиза могут образовываться оксиды кальция и магния, которые нарушают нормальный ход электролиза. Очистка растворов производится раствором соды и известковым молоком. Помимо химической очистки растворы освобождаются от механических примесей отстаиванием и фильтрацией. Электролиз растворов поваренной соли производится в ваннах с твердым железным (стальным) катодом. Промышленные электролизеры, применяемые для оборудования современных крупных хлорных цехов, должны иметь высокую производительность, простую конструкцию, быть компактными, работать надежно и устойчиво.

Электролиз раствора хлорида натрия в ваннах со стальным катодом

9

и графитовым анодом позволяет получать едкий натр, хлор и водород в водном электролизере. При прохождении постоянного электрического тока через водный раствор хлорида натрия можно ожидать выделение хлора, а также кислорода:

Электродный потенциал разряда ОН--ионов составляет +0,401 В, а электродный потенциал разряда ионов хлора равен +1,36 В (прил. 1, табл. П.1.1). В нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия концентрация гидроксильных ионов приблизительно равна 1,0 10-7 моль/л. При 25°С равновесный потенциал гидроксильных ионов φон-/2о= 0,815 В (прил. 1, табл. П.1.2). При концентрации NaCl в растворе С = 4,6 моль/л равновесный потенциал разряда ионов хлора φCI-/2Cl = = 1,32 В (расчет по уравнению Нернста). На аноде должен в первую очередь разряжаться кислород по реакции (10). Однако на графитовых анодах перенапряжение кислорода много выше перенапряжения хлора, и поэтому на них будет происходить в основном разряд ионов хлора с выделением газообразного хлора по реакции (11). Выделение хлора облегчается при увеличении концентрации хлорида натрия в растворе вследствие уменьшения при этом равновесного потенциала. Это является одной из причин использования при электролизе концентрированных растворов хлорида натрия, содержащих 310 − 315 г/л.

Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с потенциалом водородом.

Таким образом, уравнение электролиза раствора хлорида натрия можно

1.4. Применение электролиза в машиностроительной технологии и технике

Рассмотрим процессы электролиза, которые находят применение непосредственно в технологии машиностроения и приборостроения.

Перед электролизом для выполнения операций гальваностегии, окраски и т. д. требуется провести обработку поверхностей – очистить от жировых пленок (масла), оксидных слоев10(операция травление).