Kognitiiviset tosiasiat kaikesta / muodostus / Mitä elektrolyysi on? Anodi ja katodi. Fysikaalis-kemiallinen prosessi

Mikä on elektrolyysi? Anodi ja katodi. Fysikaalis-kemiallinen prosessi

Pitkään aikaan ihmiset eivät pystyneet saamaan monia puhtaita aineita vapaassa muodossa. Tällaisia esimerkiksi:

metallit;
alkalit;
kloori;
vety;
vetyperoksidi;
organokloori ja muut.

Ne saatiin joko suurella epäpuhtauspitoisuudella,josta oli mahdotonta päästä eroon tai sitä ei syntetisoitu ollenkaan. Mutta yhdisteet ovat erittäin tärkeitä käytettäväksi teollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä. Mutta sellaisen prosessin kuin elektrolyysin löytämisellä, valtavan mittakaavan tehtävä ratkaistiin. Nykyään sitä ei käytetä vain synteesiin, vaan myös moniin muihin prosesseihin.

Mikä on elektrolyysi? Miten se tapahtuu, mistä vaiheista se koostuu, mikä on tämän menetelmän tärkein etu, yritetään selvittää se artikkelin aikana.

Mikä on elektrolyysi?

Tähän kysymykseen vastaamiseksi on ensin käännyttävä terminologiaan ja ymmärrettävä joitain fysikaalisia ja kemiallisia peruskäsitteitä.

Tasavirta on elektronien suunnattua virtaa mistä tahansa sähkön lähteestä.
Elektrolyytti on aine, jonka liuos pystyy johtamaan sähkövirtaa.
Elektrodit ovat tietyistä materiaaleista valmistettuja levyjä, jotka on kytketty toisiinsa ja jotka kuljettavat sähköä itsensä läpi (anodi ja katodi).
Redox-reaktio onprosessi, jossa osallistujien hapetustilat muuttuvat. Toisin sanoen jotkut ionit hapettuvat ja lisäävät hapetustilan arvoa, kun taas toiset päinvastoin vähenevät, mikä alentaa sitä.

Kun olet ymmärtänyt kaikki nämä ehdot, voit vastata kysymykseenmitä elektrolyysi on. Tämä on redox-prosessi, joka koostuu tasavirran ohjaamisesta elektrolyyttiliuoksen läpi ja päättyen erilaisten tuotteiden vapautumiseen elektrodeille.

Yksinkertaisin asennus, jota voidaan kutsua elektrolysaattoriksi, sisältää vain muutaman komponentin:

kaksi lasia elektrolyytillä;
nykyinen lähde;
kaksi toisiinsa kytkettyä elektrodia.

Teollisuudessa hän käyttää paljon monimutkaisempia automatisoituja malleja, joiden avulla on mahdollista saada suuria tuotemassoja - elektrolyysikylpyjä.

Elektrolyysiprosessi on melko monimutkainen,noudattaa useita teoreettisia lakeja ja toimii vakiintuneiden määräysten ja sääntöjen mukaisesti. Sen tuloksen ennustamiseksi oikein on välttämätöntä ymmärtää selvästi kaikki kulkumallit ja mahdolliset vaihtoehdot.

Prosessin teoreettiset perusteet

Tärkeimmät peruskaanonit, joistasäilyttää elektrolyysin, - Michael Faradayn lait - kuuluisa tiedemies-fyysikko, joka tunnetaan työstään sähkövirran ja kaikkien siihen liittyvien prosessien tutkimisessa.

Tällaisia sääntöjä on yhteensä kaksi, joista jokainen kuvaa elektrolyysin aikana tapahtuvien prosessien olemusta.

Ensimmäinen laki

Ensimmäinen Faradayn laki, jonka kaava on kirjoitettu m = kI * Δt, kuulostaa seuraavalta.

Elektrodilla vapautuvan aineen massa on suoraan verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneeseen sähköön.

Kaavasta voidaan nähdä, että m on aineen massa, I -virran voimakkuus, Δt on aika, jonka aikana se ohitettiin. On myös k-arvo, jota kutsutaan yhdisteen sähkökemialliseksi ekvivalentiksi. Tämä arvo riippuu itse yhdisteen luonteesta. Numeerisesti k on yhtä suuri kuin aineen massa, joka vapautuu elektrodilla, kun yksi sähkövarausyksikkö johdetaan elektrolyytin läpi.

Toinen elektrolyysin sääntö

Faradayn toinen laki, jonka kaava onm = M * I * Δt / n * F, kuulostaa tältä. Yhdisteen (k) sähkökemiallinen ekvivalentti on suoraan verrannollinen sen moolimassaan ja kääntäen verrannollinen aineen valenssiin.

Yllä oleva kaava on tulosteen tuloskaikista yhdistetyistä. Se kuvastaa elektrolyysin toisen lain ydintä. M on yhdisteen moolimassa, I on koko prosessin läpi kulkeneen virran voimakkuus, Δt on koko elektrolyysin aika, F on Faradayn vakio, n on prosessiin osallistuneet elektronit. Niiden lukumäärä on yhtä suuri kuin prosessiin osallistuneen ionin varaus.

Faradayn lait auttavat ymmärtämään, mikä onelektrolyysi, sekä laskea tuotteen mahdollinen saanto painon mukaan, ennustaa vaadittu tulos ja vaikuttaa prosessin kulkuun. Ne muodostavat tarkasteltavien muunnosten teoreettisen perustan.

Anodin käsite ja sen tyypit

Erittäin tärkeitä elektrolyysissä ovatelektrodit. Koko prosessi riippuu materiaalista, josta ne on valmistettu, niiden erityisominaisuuksista ja luonteesta. Siksi tarkastelemme jokaista niistä yksityiskohtaisemmin.

Anodi on plus- tai positiivinen elektrodi.Eli sellainen, joka liitetään virtalähteen "+"-napaan. Näin ollen negatiiviset ionit tai anionit siirtyvät siihen elektrolyyttiliuoksesta. Ne hapettavat täällä ja saavat korkeamman hapetustilan.

Siksi voit kuvata pienen kaavionauttaa muistamaan anodiset prosessit: anodi "plus" - anionit - hapetus. Tässä tapauksessa tätä elektrodia on kaksi päätyyppiä riippuen siitä, mikä tuote saadaan.

Liukenematon tai inertti anodi.Tämä tyyppi sisältää elektrodin, joka palvelee vain elektronien siirtoa ja hapetusprosesseja, mutta itse sitä ei kuluteta eikä liukene. Nämä anodit on valmistettu grafiitista, iridiumista, platinasta, hiilestä ja niin edelleen. Tällaisten elektrodien avulla on mahdollista saada puhtaita metalleja, kaasuja (happi, vety, kloori ja niin edelleen).
Liukoinen anodi.Oksidatiivisten prosessien aikana se liukenee itsestään ja vaikuttaa koko elektrolyysin lopputulokseen. Päämateriaalit, joista tämän tyyppiset elektrodit valmistetaan: nikkeli, kupari, kadmium, lyijy, tina, sinkki ja muut. Tällaisten anodien käyttö on välttämätöntä metallien sähköpuhdistusprosesseissa, galvanoinnissa, suojapinnoitteiden levittämisessä korroosiota vastaan ja niin edelleen.

Kaikkien käynnissä olevien prosessien ydin on positiivinenelektrodi pelkistyy purkamaan potentiaalisesti eniten elektronegatiivisia ioneja. Ja siksi hapettomien happojen ja hydroksidi-ionien anionit tekevät sen ja sitten vesi, kun on kyse liuoksesta. Vesipitoisessa elektrolyyttiliuoksessa olevat happea sisältävät anionit eivät yleensä purkaudu anodilla, koska vesi tekee tämän nopeammin vapauttaen happea.

Katodi ja sen ominaisuudet

Katodi on negatiivisesti varautunut elektrodi (forjohtuen elektronien kerääntymisestä siihen, kun sähkövirta kulkee). Siksi positiivisesti varautuneet ionit liikkuvat sitä kohti - kationit, jotka pelkistyvät, eli ne alentavat hapetustilaa.

Tässä muistiinpanoa varten järjestelmä on myös sopiva: katodi "miinus" - kationi - pelkistys. Katodin materiaali voi olla:

ruostumaton teräs;
kupari;
hiili;
messinki;
rauta;
alumiini ja muut.

Se on tällä elektrodillametallien pelkistäminen puhtaiksi aineiksi, mikä on yksi tärkeimmistä menetelmistä niiden saamiseksi teollisuudessa. Elektronien siirtyminen anodista katodille on myös mahdollista, ja jos ensimmäinen on liukoinen, sen ionit pelkistyvät negatiivisella elektrodilla. Tässä vetykationien pelkistäminen kaasuksi Н₂... Siksi katodi on yksi tärkeimmistä osista aineiden elektrolyysin yleisessä kaaviossa.

Sulatteiden elektrolyysi

Kemian näkökulmasta tarkasteltava prosession oma yhtälönsä. Sen avulla voit piirtää koko kaavion paperille ja ennustaa tuloksen. Tärkein huomioitava asia on vesipitoisen väliaineen läsnäolo tai puuttuminen ja anodin tyyppi (liukoinen tai ei).

Jos sinun on hankittava seuraavat tuotteet:alkali- ja maa-alkalimetallit, alkalit, alumiini, beryllium, happea sisältävien anionien kaasut, silloin emme voi puhua elektrolyyttiliuoksen elektrolyysistä. Vain sulaa, koska muuten tarvittavat yhdisteet eivät toimi. Siksi lueteltuja aineita syntetisoidaan usein teollisuudessa käyttämällä niiden vedettömiä kuivia suoloja ja hydroksideja.

Yleensä sulaelektrolyysin yhtälö näyttää melko yksinkertaiselta ja standardilta. Esimerkiksi, jos tarkastelemme ja kirjoitamme sen ylös kaliumjodidille, muoto on seuraava:

KI = K⁺ + minä^-

Katodi (K) "-": K⁺ + 1e = K⁰

Anodi (A) "+": 2I^- - 2e = I₂⁰

Prosessin tulos: KI = K + I_2.

Minkä tahansa metallin elektrolyysi tallennetaan samalla tavalla riippumatta sen elektrodipotentiaalin arvosta.

Vesiliuoksen elektrolyysi

Mitä tulee elektrolyyttiliuoksiin, tulosprosessi on täysin erilainen. Loppujen lopuksi vedestä tulee aktiivinen osallistuja. Se pystyy myös hajoamaan ioneiksi ja purkautumaan elektrodeilla. Siksi tällaisissa tapauksissa ionien elektrodipotentiaali on erittäin tärkeä. Mitä pienempi sen negatiivinen arvo, sitä suurempi on nopeamman hapettumisen tai pelkistymisen todennäköisyys.

Vesiliuoksen elektrolyysi noudattaa useita sääntöjä, jotka tulee muistaa.

Anodiprosessit: vain hapettomien happojen anionit (lukuun ottamatta fluorivetyhappoa) vapautuvat. Jos ioni on happea sisältävä tai fluoridi-ioni, vesi hapettuu vapauttaen happea.
Katodiprosessit:metallit sähkökemiallisissa jännitteissä (alumiiniin asti) katodilla eivät vähene niiden korkean kemiallisen aktiivisuuden vuoksi. Tämä tapahtuu vedellä vapauttaen vetyä. Metallit alumiinista vedyksi pelkistyvät samanaikaisesti veden kanssa yksinkertaisiksi aineiksi. Ne, jotka seisovat vedyn jälkeen jännitesarjassa (inaktiiviset), pelkistyvät helposti yksinkertaisiksi aineiksi.

Jos noudatat näitä sääntöjä, voit kuvata minkä tahansa elektrolyysin ja laskea tuotteen tuoton. Liukoisen anodin tapauksessa piiri muuttuu ja siitä tulee paljon monimutkaisempi.

Suolan elektrolyysi

Näitä prosesseja käytetään puhtaiden metallien ja kaasujen saamiseksi, koska se on teknisesti yksinkertaista ja kustannustehokasta. Lisäksi tuotteet tulevat ulos korkean puhtausasteena, mikä on tärkeää.

Esimerkiksi kuparin elektrolyysi mahdollistaa sen nopean saamisen puhtaassa muodossa minkä tahansa suolan liuoksesta. Yleisimmin käytetty kuparisulfaatti tai kupari(II)sulfaatti - CuSO₄.

Sekä tämän suolan sulasta että liuoksesta voit erottaa puhdasta metallia, joka on niin välttämätöntä lähes kaikilla sähkötekniikan ja metallirakentamisen aloilla.