Законы электролиза

С количественной стороны процесс электролиза был впервые изучен в тридцатых годах XIX века английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), который установил два закона электролиза:

1.   Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества прошедшего через раствор или расплав электролита;

2.   При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к образованию на электродах эквивалентных количеств разных веществ.

Для выделения при электролизе одного эквивалента вещества необходимо затратить 96500 кулонов. Величина 96500 Кл/моль называется постоянной Фарадея (F). Так при пропускании 96500 кулонов электричества через раствор CuCℓ₂ на катоде выделяется один моль-эквивалента меди (31,77 г) и одновременно на аноде выделяется одна молярная масса эквивалента хлора (35,45 г).

Законы Фарадея можно выразить уравнением

m= М_эIt/F = М_эIt/96500  или  V = V_эIt/F = V_эIt/96500,

где m(V) –масса (объем) окисленного или восстановленного вещества, г (дм³); М_э (V_э) - молярная масса (объем эквивалента), г/моль (дм³); I - сила тока, А; t - продолжительность электролиза, с.

Если It = 1 Кл, то масса выделившегося вещества составит М_э/F = Е. Величина Е называется электрохимическим эквивалентом вещества окисляющегося или восстанав­ливающегося на электродах при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Масса эквивалента связана с электрохимическим эквивалентом М_э  = ЕF.

При практическом проведении электролиза расход тока превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Происходит это вследствие протекания тех или иных побочных процессов, поэтому в электрохимии используют понятие выход по току (η, % ). Выход по току отношение массы полученного веществ(m_практ) к массе, теоретически вычисленной   (m_теoр)

η = (m_практ/m_теор)100%

Применение электролиза

Процессы электролиза получили широкое и разностороннее применение в промышленности:

1 . Электролизом расплавов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов получают Na, К, Са, Мg и др. Металлический алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия в расплавленном криолите 3NаF∙А1F₃. Путем электролиза водного раствора поваренной соли получают едкий натр (каустическую соду) и хлор. Получение водорода, в больших количествах применяемого для синтеза NH₃, НС1 и др., осуществляется электролизом H₂O (используют не чистую воду, а растворы электролитов, ионы которых разряжаются труднее, чем Н⁺ и ОН^-);

2. Электролитическое окисление в случае, если на аноде выделяются О₂ и Сl₂, используют для окисления и хлорирования находящихся в растворе веществ. Электролити-

ческое восстановление   в случае, когда на катоде выделяется атомарный водород, часто применяется для гидрирования находящихся в растворе неорганических и органических веществ;

3. Гидроэлектрометаллургия – важная отрасль металлургии цветных металлов (Cu, Bi, Sb, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией;

4.  Электролиз применяется для очистки и получения особо чистых материалов (рафинирование металлов). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Чаще всего этот процесс используется для получения электролитически чистой меди. Листы неочищенной (черновой) меди служат анодом. Процесс сводится к растворению анода и выделению чистой меди на катоде; электролит регенерируется и сохраняется в растворе.

5.  Электролитическое покрытие менее благородного металла более благородным металлом (гальваностегия) широко используется для никелирования,  хромирования, серебрения, меднения. Хромирование применяется для повышения коррозионной стойкости черных металлов, а также для увеличения твердости поверхностного слоя и сопротивления стиранию. Никелирование используется для изменения внешнего вида изделия. Цинкование и лужение - для защиты от коррозии. Меднение - для нанесения припоя и т.д. Гальваностегия осуществляется аналогично рафинированию меди. Покрываемое изделие служит катодом, покрывающий металл - анодом.

6. Гальванопластика - получение точных копий изделий  с использованием электролиза. С ее помощью получают очень тонкослойные изделия для радиотехники и приборостроения. Например, на алюминиевую деталь сложной геометрической формы электролизом наносят слой меди нужной толщины. Затем алюминий растворяют в соляной кислоте или растворе щёлочи, с которыми медь не реагирует. Получают изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.

Электролиз нашел применение также для травления, оксидирования, полирования, заточки металлов и т.д.