электролиз

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агенство Железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное

Образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет Путей сообщения»

Кафедра: «Электротехника, электроэнергетика, электромеханика»

Реферат

«Открытие законов электролиза. Их содержание.

Основанное на них прежнее определение единицы силы тока»

Выполнил: Девяткин Р.С

616 группа

Проверил: Моисеева А.И

Хабаровск

2012

Содержание

Понятие электролиза……………………………………………….3-7

Открытие законов электролиза……………………………….7-8

Научная деятельность Майкла Фарадея……............8-17

Установление единицы силы тока………………………17-18

Заключение………………………………………………………….18-19

Источники………………………………………………….…………19-20

Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза. Также, электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока.

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации).

Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.

На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F3 + e- → Fe2+), электроосаждении меди (Cu2+ + 2e- → Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется).

Например: выделение кислорода (4OH-→ 4e- + 2H2O + O2) и хлора (2C1-→2e- + Cl2), образование хромата (Cr3+ + 3OH- + H2O → CrO42- + 5H+ + 3e-), растворение меди (Cu → Cu2+ + 2e-), оксидирование алюминия (2Al + 3H2O → Al2O3 +6Н+ + 6e-).

Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.

Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.

Количество образующихся при электролизе продуктов определяется законами Фарадея. Если на каждом из электродов одновременно образуется ряд продуктов в результате нескольких электрохимических реакций, доля тока (в %), идущая на образование продукта одной из них, называется выходом данного продукта по току.

Преимущества электролиза перед химическим методами получения целевых продуктов заключаются в возможности сравнительно просто (регулируя ток) управлять скоростью и селективной направленностью реакций. Условия электролиза легко контролировать, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых «мягких», так и в наиболее «жёстких» условиях окисления или восстановления, получать сильнейшие окислители и восстановители, используемые в науке и технике.

Электролиз – основной метод промышленного производства алюминия, хлора и едкого натра, важнейший способ получения фтора, щелочных и щелочноземельных металлов, эффективный метод рафинирования металлов. Путём электролиза воды производят водород и кислород. Электрохимический метод используется для синтеза органических соединений различных классов и многих окислителей (персульфатов, перманганатов, перхлоратов, перфторорганических соединений и др.). Применение электролиза для обработки поверхностей включает как катодные процессы гальванотехники (в машиностроении, приборостроении, авиационной, электротехнической, электронной промышленности), так и анодные процессы полировки, травления, размерной анодно-механической обработки, оксидирования (анодирования) металлических изделий. Путём электролиза в контролируемых условиях осуществляют защиту от коррозии металлических сооружений и конструкций (анодная и катодная защита).

Открытие законов электролиза дало повод Фарадею высказать весьма важные соображения относительно атомной структуры электричества. Несомненно, с этим преемственно связано современное представление об электроне.

При электролизе масса превращенного вещества прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролитическую ячейку.

При прохождении через электролит одного и того же количества электричества масса превращенного вещества зависит от массы и заряда ионов вещества.

Два закона электролиза — это всего лишь небольшая часть вклада Майкла Фарадея в науку.

Электролиз — это совокупность процессов, происходящих В 1833 г. М. Фарадей установил, что между количеством прошедшего через электролит электричества и количеством выделившихся на электродах веществ существует прямо пропорциональная зависимость.

1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

Этот закон вытекает из сущности электролиза. В месте соприкосновения металла с раствором происходит электрохимический процесс - взаимодействие ионов или молекул электролита с электронами металла, так что электролитическое образование вещества является результатом этого про­цесса. Ясно, что количество вещества, получающегося у электрода, всегда будет пропорционально числу прошедших по цепи электронов, т. е. количеству элек­тричества.

2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств веществ.

Т. е. согласно второму закону количество веществ, выделенных на электродах равными количествами электричества, пропорционально их эквивалентным весам.

Экспериментальное подтверждение законов Фарадея можно получить, если пропустить определенное количество электричества через последовательно соединенные электролизеры, например, с растворами соляной кислоты, нитрата серебра, хлорида меди (П) и хлорида олова (IV).

Законы Фарадея относятся к числу строгих законов, но в ряде случаев могут наблюдаться кажущиеся отклонения от них, вызываемые след. причинами:

1. В нестационарных условиях электролиза часть электричества затрачивается на заряжение двойного электрического слоя;

2. Если электролит обладает электронной проводимостью (например, раствор металлического Na в жидком аммиаке), то часть тока через электролит переносят электроны, а не ионы, и соответствующее кол-во электричества не участвует в процессе электролиза;

3. Наряду с основным процессом электролиза, например, образованием металлического Zn по реакции Zn²⁺ + 2е Zn, часть тока может затрачиваться на протекание параллельных электрохимических реакций, например:

2H₃O⁺ + 2е = H₂ + 2H₂O;

O₂ + 4е + 4H₃O⁺ = 6H₂O

Системы, в которых полностью исключены указанные причины кажущихся отклонений от законов Фарадея, получили название кулонометров; их использование позволяет по количеству образовавшихся продуктов электролиза точно определить кол-во пропущенного электричества. В кулонометрах обычно применяют электрохимические реакции

Ag⁺ + е = Ag или 3I^- = I₃^- + 2е

Законы электролиза относятся к электролизу растворов, расплавов и твердых электролитов с чисто ионной проводимостью.

При пропускании электрического тока через электролит — плавленое ионное вещество (например, плавленая соль) или раствор, в котором присутствуют ионы. Электрический ток проходит через электролит от одного электрода к другому. Положительно заряженные ионы при этом движутся к отрицательному электроду, аноду, а отрицательно заряженные — к положительному электроду, катоду. Химические реакции происходят на электродах. Фарадей провел фундаментальные исследования электролитов и создал законы, в которых говорится, что химические превращения связаны с потоком электронов (то есть электрическим током): чем больше электронов, тем больше химических превращений.

Электролиз — это важный промышленный процесс, используемый как при получении определенных металлов, так и при конечной обработке поверхностей методом нанесения гальванического покрытия. Примером электролиза в действии может быть электролитическое рафинирование меди после ее выделения из руды. Выступающие в качестве катода тонкие листы чистой меди опускают в электролит, содержащий раствор сульфата меди и серную кислоту, а слитки неочищенной меди подвешивают в этом же растворе, и они действуют как анод. При пропускании электрического тока анод начинает растворяться, и ионы меди, вместе с некоторым количеством ионов железа и цинка, поступают в электролит. Остальные спутники меди, содержавшиеся в слитках (включая значительное количество серебра, золота и платины), выпадают в осадок и накапливаются на дне электролитической ванны. Ионы меди через электролит направляются к катоду и осаждаются на нем. Цинк и железо остаются в растворе.

В промышленных масштабах в подобных ваннах за месяц можно очистить всего несколько тонн меди, но при этом получается продукт 99,96-процентной чистоты. Более того, благодаря извлечению из осадка благородных металлов окупается весь процесс очистки. Кроме меди, электролитическим методом в промышленных масштабах очищаются также магний, натрий и алюминий.

В описанном выше процессе рафинирования меди, атом меди переходит в электролит в виде иона, теряя два электрона. Следовательно, на аноде он принимает два электрона, и ион снова превращается в нейтральный атом меди (можно представить себе, что эти два электрона бегут по проводу, как электрический ток). Согласно первому закону Фарадея, для того чтобы очистить в два раза больше меди, необходимо в два раза больше электронов.

Фарадей ввел в научный язык основную, до сих пор сохранившуюся электрохимическую терминологию. Ему принадлежат употребляемые теперь во всем мире термины: «электролит», «электрод», «анод», «катод»

Исследованиям по электрохимии Фарадей посвятив несколько серий. Электрохимия возникла вслед за изобретением «вольтова столба». По вопросу о причине возникновения. электродвижущей силы в вольтовом столба шел спор с самого начала его появления.

Первую теорию выдвинул сам Вольта. Эта теория известная в истории науки под названием «контактной теории» (в русской литературе часто употреблялся тер мин «теория прикосновения»), заключается в утверждении, что электрический ток возбуждается от прикосновения различных металлов. От этого прикосновения зарождается электродвижущая сила, которая «разделяет соединенные электричества и гонит их (в виде то ков) по противоположным направлениям»

Контактная теория нашла многочисленных сторонников и долгое время, как говорил Тиндаль, «самые высокие умы Европы принимали ее за выражение естественного закона». Но как только вольтов столб стал предметом исследований со стороны химиков, крупнейшие ученые, как, например, Фаброни, Волластон, Беккерель, Делярив и другие, изучая химические явления, связанные изобретением Вольта, в один голос стали заявлять, что дело не в прикосновении металла, а что причиной возникновения электродвижущей силы являются химические процессы, происходящие в гальваническом элементе.

Само собой разумеется, что теоретические воззрения Фарадея и исследования связи химических и электрических явлений толкали его на активное участие в разгоравшейся борьбе между сторонниками и противниками контактной теории. 7 апреля 1834 г. он представил Королевскому обществу мемуар «Об электричестве вольтова столба», в котором он описывал ряд опытов, приведших его к убеждению, что причиной электродвижущей силы (в вольтовом столбе) «являются химические силы».

1831—1834 гг. были для Фарадея в высшей степени плодотворными. За это время он опубликовал десять серий «Опытных исследований по электричеству», составляющих основную часть его работ в этой области. Труд был исключительно напряженным. Приходилось работать на новых, неизведанных участках науки, и самому прокладывать себе путь. Его работа была огромной и с чисто количественной стороны. Все это не могло не сказаться на физическом его состоянии. Силы Фарадея заметно ослабевают. В 1835 г. он не написал ни одной работы, и единственный доклад Королевскому обществу «Об улучшенной форме вольтова столба», прочитанный в 1835 г., был составлен еще в 1834 г. Тиндаль назвал этот мемуар «относительно неважным». В 1836 и 1837 гг. Фарадей не опубликовал ничего.

В 1837 г. Фарадей оправился и опять приступил к работе. 21 декабря этого года он прочитал Королевскому обществу большой доклад, вошедший в одиннадцатую серию, которая носит общее название «Об индукции».

Исследования Фарадея, как следует из всего сказанного выше, носили до этого периода экспериментальный характер. Но было бы неправильно утверждать, как делают противники теоретических взглядов Фарадея, что вообще его исследования не выходили за пределы опытного естествознания. Начиная с одиннадцатой серии, Фарадей, накопивший к тому времени огромный фактический материал, предпринимает серьезные и решительные шаги к теоретическому осмыслению результатов своих работ. Действительно, к этому времени и самый характер исследований и вся освещавшаяся им область в целом неизбежно вели его к теоретическим обобщениям. Вот что писал Фарадей во вступлении к трактата «Об индукции»

«Учение об электричестве находится на той стадии) когда каждый из его отделов требует экспериментального изучения не только в целях обнаружения новых явлений, но что в данный момент гораздо более существенно — в целях усовершенствования способов создания уже известных эффектов и, следовательно, более точного определения основ действия этой самой замечав тельной и универсальной силы в природе. Для тех исследователей, которые, отдаваясь своей работе с энтузиазмом, тем не менее с осторожностью сочетают опыт с аналогиями, для исследователей, которые с недоверием относятся к своим собственным предвзятым мнениям, отдают предпочтение факту перед теорией, не слишком поспешно делают обобщения и на каждом шагу согласны проверять свои суждения, для всех них ни одна отрасль знания не представляет такого прекрасного и благодарного поля для открытий, как эта Это вполне подтверждается успехами, достигнутыми в области электричества за последние тридцать лет. Химия и учение о магнетизме одна за другим признали господствующее влияние электричества, и весьма вероятно, что все явления, обусловленные свойствами неорганической материи, а может быть и большинство тех. которые относятся к растительной и животной жизни окажутся в конце концов ему подчиненными».

Самым важным в учении об электричестве Фарадей считал явление индукции: «Среди различного рода проявлений, по признакам которых принято подразделять электричество, нет, я полагаю, ни одного, которое превосходило бы или хотя бы было сравнимо с эффектом получившим имя индукции. Она играет наибольшую роль во всех электрических явлениях, участвуя, по видимому, в любом из них, и, действительно, носит характер первейшего существенного и основного начала. Изучение индукции является настолько важным, что без более глубокого понимания её природы нельзя, мне кажется, значительно продвинуться вперед. Каким же иным путем можно надеяться понять ту гармонию или даже единство действий, которое, несомненно, управляет возбуждением электричества с помощью трения, химических реакций, тепла, магнитного влияния, испарения и даже живого организма».

Вот почему Фарадей придавал проблеме электрической индукции такое важное значение и в течение двух лет (1837 1838 гг.) неустанно занимался ее изучением.

После трактата «Об индукции» четырнадцатая серия Фарадея была посвящена «природе электрической силы или сил» и «связи между электрическими и магнитными силами». Эта серия касается частных вопросов теории о природе электричества и является заключением к первому тому, изданному в 1839 г.

Первые признаки переутомления обнаружились, как уже было сказано, в 1835 г. С целью отдыха и лечения Фарадею пришлось поехать в Швейцарию, хотя вообще ездить за границу он не любил и делал это редко. Отдых не сразу вернул ему утерянные силы. В течение двух лет он ничего не опубликовал и вынужден был принять государственную пенсию.

B 1845 г. к Фарадею вернулась прежняя работоспособность., С присущей ему "энергией он принялся за осуществление тех «прекрасных открытий, которые бродили в его мыслях». Но силы были уже не те. Все чаще и чаще ему приходилось уезжать на дачу в Брайтон «одновременно и для успокоения и для освежения головы». «Я чувствую, — писал Фарадей своему другу Деляриву, — что если бы я не пожил здесь и не был бы осторожным, я не смог бы работать». Однако на деле Фарадей не был осторожен. В том же письме он отмечает, что так захвачен своим открытием, что едва может урвать время для еды.

В 1845 г. им были сделаны два открытия, относящиеся к самым выдающимся в учении об электричества и магнетизмё. Первое, определявшееся им как «намагничивание света», в нынешней физической литературе носит название «магнитного вращения плоскости поляризации», а второе было явлением диамагнетизма.

В успехе 1845 г. значительную роль сыграли его работы по оптическому стеклу. В начальных опытах Фарадей пытался выяснить, не оказывает ли электролитическая жидкость, при прохождении тока, влияния на поляризованный свет. Получив отрицательные результаты, он в дальнейшем экспериментировал с прозрачными кристаллами, пока, наконец, не решил испытать свое стекло, которое отличалось особой тяжеловесностью. В последнем случае Фарадей добился благоприятных результатов. Он заставил поляризованный свет проходить через стекло, находившееся в магнитном поле, и обнаружил, что плоскость поляризации светового луча, направленного вдоль магнитных силовых линий, поворачивается на некоторый угол, причем угол поворота тем больше, чем сильнее магнитное поле. Таким образом связь между световыми и магнитными, а следовательно» и электрическими явлениями была установлена.

Новое достижение Фарадея немедленно привлекло всеобщее внимание. Не успел он опубликовать свой доклад, как в прессе появились сообщения о новом открытии. Не без удовольствия Фарадей отмечал, что в некоторых случаях сообщения эти были составлены вполне точно. Деляриву он, например, писал: «Я могу отослать вас к субботнему номеру «Таймса» (от 29 ноября), где имеется очень хороший отчет о докладе. Я не знаю, кто именно поместил его, но он составлен хорошо, хотя и коротко».

Единицы измерения силы электрического тока могут быть установлены на основе нескольких законов. Так, например, до 1961г. за единицу силы тока – ампер принималась величина такого тока, при прохождении которого через водный раствор азотнокислого серебра в каждую секунду выделялось 1,118 гм. серебра. Здесь единица силы тока – ампер устанавливалась из законов электролиза.

В настоящее время для установления единицы силы тока в системе  СИ используется взаимодействие параллельных проводников при протекании по ним электрического тока. Для выражения силы взаимодействия между параллельными проводниками используются законы Ампера и Био–Савара–Лапласа.

Согласно закону Ампера, сила, действующая на прямолинейный проводник, помещенный в однородное магнитное поле.

Закон Био–Савара–Лапласа позволяет находить напряженность магнитного поля в любой точке, находящейся на любом расстоянии от проводника с током при произвольной его конфигурации.

Применение закона Био–Савара–Лапласа позволяет получить формулы для вычисления напряженности H, создаваемой прямолинейным проводником в любой точке, или в центре витка проводника, согнутого в виде окружности.

Заключение

В 1833 г. Фарадей начал свой знаменитый цикл исследований над электролизом. В этих работах даны не только количественные законы явлений, но и основы всех современных воззрений на электролиз, даже вся современная терминология этих явлений. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление М. Фарадеем точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах. Преимущества электролиза перед химическим методами получения целевых продуктов заключаются в возможности сравнительно просто (регулируя ток) управлять скоростью и селективной направленностью реакций.

Законы Фарадея сыграли важную роль в понимании природы хим. связи и развития атомно-молекулярной теории. Их используют при выводе всех уравнений, описывающих электрохимические превращения на границах раздела проводников 1-го и 2-го рода.

Практическое применение законы Фарадея находят в кулонометрии, а также при определении выхода реакции по току, т.е. отношения теоретического количества электричества, рассчитанного на основе законов Фарадея, к количеству электричества, реально затраченному на получение данного вещества в процессе электролиза.

Источники

Фиошин М.Я., Павлов В. Н., электролиз в неорганической химии, М., 1976;

Зимин В. М., Камарьян Г. М., Мазанко А.Ф., Хлорные электролизеры, М., 1984;

Фиошин М.Я., Смирнова М. Г., Электрохимические системы в синтезе химических продуктов, М., 1985;

Мазанко А.Ф., Камарьян Г.М., Помашин О.П., Промышленный мембранный электролиз, М., 1989;

см. также лит. к ст. Электросинтез, Электрохимическая обработка металлов.

Н.В.Коровина. / Курс общей химии. Высш. шк., 1991. 378-380 с.

Н.Л. Глинка/ Общая химия. г. Москва, 1985г. 250-253; 257-261с.

Т.Браун, Г.Ю.Лемей / химия в центре наук --2, Мир, 1997. г.Москва. 432-440с.

И.П. Мухленов, А.Я. Авербух и др./ Важнейшие химические производства.,

Антропов, Л.И. Теоретическая электрохимия / Л.И. Антропов. – M., 1984. – с. 278-286

Радовский, М.И. Михаил Фарадей. Библиографический очерк / М.И.Радовский. – М., 1946. – с. 270

Глинка, Н.Л Общая химия: Учебное пособие для вузов /Н.Л. Глинка. – М.: Интеграл-Пресс ,2004. – с.464