Электролиз воды

Этим методом получают водород и кислород по уравнению 2Н₂О 2Н₂ + О₂.

Основные методы получения водорода в промышлен­ности подразделяются на химические, электрохимические и физические. Кислород в промышленности получают ча­ще всего из воздуха электрохимическим способом (элек­тролизом воды).

Кислород — самый распространенный элемент на зе­мле. В природе он встречается как в виде соединений, так и в свободном состоянии в атмосферном воздухе.

Кислород используют в автогенной сварке и резке ме­таллов, в обжиговых процессах. Кислородное дутье при­меняется для интенсификации процессов в доменных пе­чах и бессемеровских конвертерах, а также на сернокис­лотных заводах при обжиге колчеданов, при газификации и т. д.

Электрохимический метод получения кислорода и во­дорода из воды обладает определенными преимущества­ми. Это прежде всего высокая чистота получаемых про­дуктов (степень чистоты электролитического водорода составляет 99,5—100%), низкие затраты на капитальное строительство, т. е. низкая фондоемкость по сравнению с другими методами (химическим и физическим), просто­та используемой аппаратуры. На образование 1 м³ водо­рода и 0,5 м³ кислорода теоретически расходуется 805 г воды. Практически это количество повышается до 830 — 850 г в связи с уносом газами водяных паров.

В связи с тем что во многих производствах требуется предварительное сжатие водорода и кислорода, получе­ние сжатых газов непосредственно из электроли­зеров представляет практический интерес. В СССР ис­пользуются электролизеры, работающие под давлением 1,0—1,2 МПа (10—12 атм), за рубежом имеются установ­ки, работающие под давлением 3 МПа (30 атм).

Электролизеры, применяемые для электролиза воды, имеют свою специфику.

Электрохимическое производство продуктов окисления

Окисление есть процесс потери электронов, в то вре­мя как восстановление — приобретение электронов:

Mn₄^2- − e¯ MnO₄¯

Cu²⁺ +2e^-  Cu

Окислительно-восстановительные процессы можно разделить на два типа:

1) состав ионов не меняется, меняется только их валентность

Fe³⁺+e¯ Fe^{2 +}

2) меняется состав ионов

2SO₃^2- + 4Н⁺ + 2е¯ S₂O₄^2- + 2Н₂О

Окислительно-восстановительные процессы второго в от­личие от процессов первого типа протекают в большин­стве случаев необратимо.

На ход окислительно-восстановительных процессов влияют: природа материала и состояние поверхности электрода; электродная и объемная плотность тока; ус­ловия электролиза (концентрация компонентов, темпера­тура, перемешивание и т. д.); присутствие в электролите веществ, оказывающих каталитическое воздействие на протекающие процессы.

Производство гипохлорита натрия NaClO. Гипохлорит натрия — энергичный окислитель. Применяется как отбе­ливающее средство в текстильной и бумажно-целлюлоз­ной промышленности, в цветной металлургии и для хло­рирования питьевых и сточных вод. Хорошо растворим в воде. При длительном хранении и особенно на свету разлагается. Получается химическим и электрохимиче­ским способами. Последний способ имеет более простое аппаратурное оформление, а также не требует дефицит­ного сырья: хлора и едкой щелочи, так как NaClO полу­чают электролизом поваренной соли в электролизерах без диафрагмы. В них на аноде одновременно разру­шаются ионы хлора и гидроксила, образуя гипохлорит-ион по уравнению

Сl¯ + 2ОН¯ - 2е¯ С1O¯ + Н₂О

Эти ионы могут разряжаться на аноде с образованием ClO₃¯, образуется хлорат натрия, для чего создают опре­деленные технологические условия.

Хлораты — соли хлорноватистой кислоты НС1О₃ — сильные окислители. Из них наибольшее прак­тическое значение имеют бертолетова соль КС1О₃и хло­рат натрия NaClO₃. Их применяют в производстве кра­сящих веществ, спичек, взрывчатых веществ, в пиротехни­ке, медицине, в качестве гербицидов.

Электрохимическим методом более целесообразно получать хлорат натрия; хлорат калия из-за малой рас­творимости в воде рациональнее получать химическим путем.

Также получают хлорную кислоту НС1О₄ и ее со­ли — перхлораты, которые являются сильнейшими окис­лителями. Их применяют в пиротехнике, фотографии, при изготовлении взрывчатых веществ и ракетного топ­лива. При производстве перхлоратов практически ис­пользуют хорошо растворимые хлораты натрия или ба­рия и с помощью электрохимического окисления перево­дят их в перхлораты. Электрохимическим путем полу­чают пероксид (перекись) водорода Н₂О₂ (находит применение в текстильной промышленности для отбели­вания шерстяных и шелковых тканей, в косметике, меди­цине, санитарии).

Электролизом получают двусерную (надсерную) кис­лоту H₂S₂O₈ и пероксодисульфаты (персульфаты).

Одним из важных продуктов, получаемых электроли­зом, является перманганат калия. Водный раствор пер-манганата — сильный окислитель. Широко применяется в органическом синтезе, для изготовления витаминов и искусственных жиров, жирных и ароматических кислот, в медицине, аналитической химии, фотографии. Произво­дят перманганат калия как химическим методом, так и электрохимическим, который является более простым и экономичным.