Электролиз

Электролиз – совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. При электролизе электрическая энергия преобразуется в химическую.

Две полуреакции – реакция окисления и реакция восстановления происходят на разных электродах:

Анод – окисление, катод – восстановление.

Электролиз расплавов на инертных электродах: разрядка ионов, входящих в состав электролита:

катодный процесс: Meⁿ⁺ + nе^– = Ме⁰,

анодный процесс: Х^m– – mе^– = Х⁰.

Например, электролиз расплава бромида натрия приводит к образованию металлического натрия (на катоде) и молекулярного брома (на аноде):

катодный процесс: Na⁺ + lе^– = Na⁰,

анодный процесс: 2Вr^– – 2е^– = Вr₂⁰.

Электролиз водных растворов веществ: возможность участия воды в электродных реакциях:

катодный процесс: 2Н₂О + 2е^– = Н₂ + 2ОН^–,

анодный процесс: 2Н₂О – 4е^– = О₂ + 4Н⁺.

Не участвуют в электродных реакциях:

– катионы металлов, стоящих в таблице стандартных электродных потенциалов от Li до Аl включительно (например, Li⁺, Rb⁺, K⁺, Cs⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺);

– фторид анион F^– и анионы кислородсодержащих кислот (например, NO₃^–, SO₄^2–, CO₃^2–, PO₄^3–).

Вместо указанных частиц участниками электродной реакции являются молекулы воды (см. таблицу).

Например, электролиз водного раствора бромида натрия (NaBr):

катодный процесс: 2Н₂О + 2е^– = Н₂ + 2ОН^–,

анодный процесс: 2Вr^– – 2е^– = Вr₂⁰.

Катодные процессы при электролизе

, В	Уравнения процесса
	в водном растворе	в расплаве
Е0 > – 0,15	Men+ + nе– = Ме0	Men+ + nе– = Ме0
– 0,15 > Е0 > – 1,6	Men+ + nе– = Ме0 2Н2О + 2е– = Н2 + 2ОН–
Е0 ≤ – 1,6	2Н2О + 2е– = Н2 + 2ОН–

Анодные процессы при электролизе водных растворов веществ

Состав электролита	Уравнения процессов
Бескислородные кислоты HnX и их соли	Хm– – mе– = Х0
Щелочи	4ОН– – 4е– = О2 + 2Н2О
Кислородсодержащие кислоты, фторид-анион и их соли	2Н2О – 4е– = О2 + 4Н+

Закон Фарадея:

,

где m - масса вещества, образующегося на электроде, кг или г; V - объем газа, образующегося на электроде, м³ или мл; F - константа Фарадея, 96500 Кл/моль; I -сила тока, A; τ - продолжительность электролиза, с; М_экв - молярная масса эквивалента, кг/моль·экв или г/моль·экв; V_mэкв - молярный объем эквивалента, м³/моль·экв или мл/моль·экв (молярный объем при нормальных условиях (Р=10⁵ Па и Т=273 К) равен 22,4 л).

Коррозия

Коррозия – процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов при их взаимодействии с окружающей средой.

Классификация коррозии металлов по механизму протекания коррозионных процессов:

– химическая коррозия (при отсутствии электролитов, например, высокотемпературная газовая коррозия при работе двигателя);

– электрокоррозия (под действием блуждающих токов, например, вблизи линий электропередач);

– электрохимическая коррозия металлов (в токопроводящих средах, содержащих электролиты, например во влажном воздухе или в морской воде).

Электрохимическая коррозия металлов – совокупность пространственно разделенных процессов окисления (анодный процесс) и восстановления (катодный процесс).

Анодный процесс: окисление металла с более отрицательной величиной электродного потенциала:

Ме – nе^– = Меⁿ⁺.

Катодный процесс: восстановление частиц, присутствующих в электролите на катоде (металл с менее отрицательным электродным потенциалом).

В кислых средах: 2Н⁺ + 2е^– = Н₂.

В нейтральных и щелочных средах (влажный воздух, морская вода, почвенные воды нейтрального характера и т.п.):

О₂ + 2Н₂О + 4е^– = 4ОН^–.

Продукты коррозии:

– соли металла-анода и газообразный водород (в кислых средах);

– гидроксиды металла-анода (в нейтральных и щелочных средах).

Принципиальные методы защиты металлов от коррозии:

1. Структура металла

– чистота металла (отсутствие примесей, провоцирующих коррозионный процесс);

– введение легирующих добавок.

2. Изоляция металлов от окружающей среды

– изолирующие покрытия

– неметаллические (лаки, краски, эмали, битум, резина, синтетические смолы, полимерные материалы и т.п.);

– металлические (анодные – из металла с меньшим электродным потенциалом, катодные – из металла с большим электродным потенциалом);

– химическая обработка поверхности (оксидирование, фосфатирование, пассивация концентрированными кислотами и т.п.).

3. Обработка среды

– деаэрация (удаление или снижение концентрации кислорода);

– обессоливание (удаление или снижение концентрации солей);

– использование инертных сред при обработке металлов;

– применение ингибиторов.

4. Электро- и электрохимические методы

– протекторная защита (защищаемый металл – катод, протектор – анод);

– катодная защита (внешний источник постоянного тока, защищаемый металл – к отрицательному полюсу, вспомогательный электрод – к положительному).