Электролиз раствора гидроксида натрия с графитовыми электродами

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 16Следующая ⇒

Процессы, происходящие при электролизе раствора гидроксида натрия, представим в виде схемы:

NaOH ⇄ Na⁺ + OH^-

H₂O ⇄ H⁺ + OH^–

K(–): Na⁺; H⁺(H₂O) A(+): OH^–(H₂O)

2Н₂О + 2ē → Н₂+ 2ОН^– 2ОН^–-2ē →½О₂+ Н₂О

Суммарное уравнение электролиза:

2Н₂О + 2ē → Н₂+ 2ОН^–

2ОН^–-2ē →½О₂+ Н₂О

Н₂О = Н₂+ ½О₂

Процесс электролиза количественно описывается законами Фарадея.

1 закон Фарадея: массы (для твердых и жидких) или объемы (для газообразных) веществ, выделившихся на электродах при электролизе, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит:

	,	(4.1)
	,	(4.2)

где m – масса вещества, образующегося на электроде, г;

Q – количество электричества, Кл;

F – постоянная Фарадея, 96500Кл = 26,8А∙час;

I – сила тока, А;

τ – продолжительность электролиза, с;

M_э – молярная масса эквивалента, г/моль;

V – объем газа, образующегося на электроде, л;

V_m – молярный объем, л/моль (молярный объем при нормальных условиях равен 22,4 л).

2 закон Фарадея (закон эквивалентов для электрохимических реакций): массы прореагировавших на электродах веществ, при постоянном количестве электричества, относятся друг к другу как их молярные массы эквивалентов:

(4.3)

где m(A) – масса вещества А, г;

m(B) – масса вещества B, г;

M_э(А) – молярная масса эквивалента вещества А, г/моль;

M_э(B) – молярная масса эквивалента вещества B, г/моль.

Количество электричества, которое затрачивается на выделение нужных продуктов, характеризуется величиной, называемой выходом по току (η):

(4.4)

Выход по току – это отношение массы практически выделившегося вещества (m_ПР) к массе рассчитанной по закону Фарадея (m_ТЕОР).

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т.д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д.

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами – процесс электрорафинирования или с нерастворимыми анодами – процесс электроэкстракции.

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки. Электролизом расплавленных сред получают натрий, алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. (см. рисунок 4.2, 4.3).

Рисунок 4.2. Схема установки для получения металлического натрия

Рисунок 4.3. Схема установки для электролиза хлорида натрия

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля.

Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами.

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:

· получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

· электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

· электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

· электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.);

· получение металлических сплавов;

· получение гальванических покрытий;

· электрохимическая очистка производственных сточных вод (электродиализ и обессоливание) – удаление из воды различных примесей, а также извлечение меди и других цветных и драгоценных металлов.

Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно этим способом. Преимущество электролиза в относительной дешевизне и простоте. Однако чтобы производство было наиболее выгодным, с наименьшими затратами электроэнергии и с наибольшим выходом продукции, необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, материал электродов и др.).

Таким образом, исследование электрохимических процессов, определение факторов, влияющих на них, установление новых способов использования процессов электролиза в промышленных условиях сохранило свою актуальность в наши дни.

Примеры решения задач

Пример 1. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора хлорида меди в течение 2 ч при силе тока 5 А?

Решение: Согласно I закону Фарадея:

Молярная масса эквивалента меди в CuCl₂ равна 63,54/2 = 31,77 г/моль.

Подставив в формулу (4.1) значения M_э= 31,77 г/моль; I = 5 А; τ = 2 ч = 7200 с, получим

Пример 2. Чему равна сила тока при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с, если на катоде выделилось 1,4 л водорода (н.у.)?

Решение: Из формулы (4.2) выразим силу тока:

или , где V_э – эквивалентный объем газа.

Эквивалентный объем водорода при нормальных условиях равен половине молярного объема 22,4/2 = 11,2 л.

Подставив в приведенную формулу значения VH₂= 1,4 л; V_э(H₂) = 11,2 л;

τ= 1 ч 40 мин 25 с = 6025 с, получим:

Пример 3. В течение какого времени необходимо пропускать ток силой 2 А через раствор сульфата цинка, чтобы на катоде выделилось 10 г металла, если выход по току составляет 70%?

Решение: Используя формулы (4.4) и (4.1), выразим m_ПР и τ:

; ;

Подставив в приведенную формулу значения η = 70%; F = 96500 Кл;

m_ПР= 10 г; M_э(_Zn₎= 65,38/2 = 32,69 г/моль; I = 2 A, находим

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: рассмотреть последовательность протекания процессов на электродах при электролизе водных растворов электролитов с растворимым и нерастворимым анодом.

Оборудование и реактивы: электролизер; выпрямитель ВСП-12; графитовые электроды; медный электрод. Растворы: нитрата калия (KNO₃), 2%; иодида калия (KI), 0,2М; хлорида (сульфата) цинка (ZnCl₂ (ZnSO₄)), 5%; сульфата меди (CuSO₄), 2%; серной кислоты (H₂SO₄), 2н. Лакмус 1%; фенолфталеин; крахмал.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 2209; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!