ЭЛЕКТРОЛИЗ – ЧТО ЭТО?
Выполнил: ученик 4 «Г» класса (10 лет) МБОУ «Гимназия № 1»
Научный руководитель: Шахмаева Гуля Александровна
Глава I. Что происходит при электролизе? (принцип)…………………………………………………………………
1.1. Что происходит с водой, когда через нее проходит электрический ток? (опыт с водой)……….
Глава III. Электролиз в промышленности………………………………………………………………………………………
Моя мама работает на Медном заводе. Этот завод выпускает чистую медь, которую получают из руды, добытой в наших горах. Мне стало интересно, как из «камней» получается металл?
Оказывается, сначала руду обрабатывают множеством способов, ее дробят, сушат, обогащают, плавят в больших специальных печах, пока не избавятся от «мусора» — шлака, и не останется почти чистый металл. Но и это еще не все! Чтобы получить по-настоящему чистую медь с ней делают простую, но удивительную вещь – Электролиз.
Тогда, я задался целью узнать поподробнее, что же это такое – электролиз?
Оказывается, это такой простой способ, разделить некоторые вещества с помощью электричества.
Чтобы достичь нашей цели, мы поставим перед собой задачи:
— узнать, что происходит при электролизе, как с помощью тока разделяют вещества;
— проведем простейший опыт с водой и солью;
— узнаем, как используется электролиз в промышленности.
Гипотеза: мы предположили, что процесс электролиза можно провести в домашних условиях и пронаблюдать как произойдут превращения веществ из одних в другие.
Предмет – выявление значимости электролиза в металлургии.
Конечно, воспроизвести полностью технологию получения чистейшей меди в домашних условиях слишком сложно. Для этого нужны разные вспомогательные вещества, да и та же медь.
В этом нам помогут такие источники знаний как соответствующая литература и учебники.
Термин «электролиз» обозначает «разложение с помощью электричества». При этом явлении элементы, из которых состоит вещество, могут разделяться благодаря прохождению через него электрического тока. Давайте узнаем, почему и как это происходит.
Я думаю, что многие из вас уже знают, что все вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. У атомов есть положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательные электроны.
Обычно, в атоме одинаковое количество положительных частиц в ядре и отрицательных электронов вокруг ядра. Тогда, общий заряд атома равен нулю, то есть он не заряжен ни положительно, ни отрицательно. Такие атомы называют нейтральными.
Но электроны могут покидать свой атом или переходить к другому атому. Когда от атома отрывается электрон, положительных частиц в ядре становится больше, чем электронов вокруг ядра, и атом становиться положительно-заряженным.
И наоборот, когда в атом прилетает лишний электрон, атом становиться отрицательно-заряженным.
Такие атомы и молекулы, у которых электронов больше или меньше, чем в их нейтральном состоянии, называют ионами. То есть у атомов-ионов теперь есть плюс или минус электрический заряд.
А заряженные частицы (электроны и ионы) в электромагнитном поле начинают двигаться в разные стороны, то есть возникает электрический ток.
Чтобы через раствор пошел электрический ток, в жидкость погружаются два электрода; электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом; электрод, соединенный с отрицательным полюсом, — катодом. А сам раствор, через который пойдет ток, называется электролит.
Значит, опустив в разные стороны электролита анод и катод, мы можем разделить вещество на две части: в одной сторону, к катоду, побегут положительные ионы, а в другую к аноду – отрицательные ионы.
Явление электролиза было открыто в 1800 г. английскими учеными Никольсоном и Карлейлем, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении их в воду.
Давайте проведем простейший опыт с водопроводной водой и обычной солью из нашей кухни.
1.1. Что происходит с водой, когда через нее проходит электрический ток? (опыт с водой)
· изолированные электрические провода с зачищенными концами,
· батарейки или источник тока небольшого напряжения (9-12 В),
· два больших винта (шурупа),
· прищепки «крокодилы» для закрепления винтов.
1. Подсоединим провода к источнику электрического тока.
2. На свободных концах проводов закрепим винты.
3. Нальем в стакан воды и добавим соли.
4. Опустим в стакан винты на достаточном расстоянии друг от друга.
Результат: Около одного из винтов образуются пузырьки (это катод).
5. Оставим на какое-то время винты в воде.
Результат: Вода вокруг винта с пузырьками становится желтоватой, а вокруг другого винта вода темнеет.
6. Отключим электрический ток и вытащим винты из воды.
Результат: На дне стакана виден осадок зеленоватого цвета.
Это потому, что наблюдаемое нами явление – химические преобразования – вызвано прохождением тока через воду. Электрический ток разлагает воду на кислород и водород (пузырьки наполнены водородом), соль, железо винтов и превращает их в другие вещества. Это можно увидеть, потому что они окрашивают воду или выпадают в осадок на дне стакана. Зеленоватый цвет осадку придает железо, которое выделяется из винтов в раствор.
Теперь, зная, как все происходит, вернемся к электролизу меди, который является последней стадией изготовления чистой меди на Медном заводе.
Когда руду очистят от различных примесей с помощью плавки, продувки и других способов, в ней все равно останутся еще десятые доли процента примесей (и среди них золото и серебро). Это называется «черновая медь». Но и это еще металл, где слишком много примесей других металлов!
Так остывают после печи и разлива по формам
будущие аноды –
толстые листы черновой меди.
Когда-то с этим приходилось мириться. Теперь можно идти дальше. Медь отправляется на электролиз. Выступающие в качестве катода тонкие листы чистой меди опускают в электролит, содержащий раствор сульфата меди и серную кислоту, а слитки неочищенной черновой меди подвешивают в этом же растворе, и они действуют как анод.
Будущие катоды – тонкие листы чистой меди
При пропускании электрического тока анод начинает растворяться, и ионы меди, вместе с некоторым количеством ионов железа и цинка, поступают в электролит. Остальные спутники меди, содержавшиеся в слитках (включая значительное количество серебра, золота и платины), выпадают в осадок и накапливаются на дне электролитической ванны. Ионы меди через электролит направляются к катоду и осаждаются на нем. А цинк и железо остаются в растворе.
В промышленных масштабах в подобных ваннах за месяц можно очистить всего несколько тонн меди, но при этом получается продукт 99,99-процентной чистоты. Более того, благодаря извлечению из осадка благородных металлов окупается весь процесс очистки. Кроме меди, электролитическим методом в промышленных масштабах очищаются также магний, натрий и алюминий.
В промышленности электролиз широко используется для покрытия металлических предметов тонким слоем другого, более ценного металла: золота, серебра, хрома. Это делается в целях предохранения предмета от коррозии или для его украшения. Например, для того чтобы посеребрить чайную ложку, ее подвешивают к одному из электродов и опускают в раствор, содержащий серебро. В этот же раствор погружают другой электрод. При прохождении электрического тока частицы серебра выделяются и оседают на ложке.
Электролиз используется при производстве алюминия, для очистки металлов от посторонних примесей. В автомобильных аккумуляторах электролиз позволяет превращать электрическую энергию в химическую, то есть производить зарядку.
Химические реакции происходят на электродах. Фарадей провел фундаментальные исследования электролитов и создал законы, в которых говорится, что химические превращения связаны с потоком электронов (то есть электрическим током): чем больше электронов, тем больше химических превращений.
Добыча и получение цветных металлов имеют огромное народнохозяйственное значение. Ведь в ряде случаев цветные металлы просто незаменимы. Алюминий — «король воздуха» — основной материал в самолетостроении. Его главный помощник в сверхзвуковой авиации – титан. Титановые сплавы несколько тяжелее алюминиевых, но зато прочнее их и выдерживают вдвое более высокую рабочую температуру. Чистый титан отлично работает в растворах солей и кислот. Из него, поэтому делают насосы, трубы, краны для гидрометаллургических цехов.
Алюминий в то же время помощник и конкурент меди в электропромышленности, олова — в изготовлении консервных банок, бронзы и свинца — в оболочках электрокабелей. Проник алюминий и в строительство: из него делают оконные рамы и переплеты, различные облицовочные детали красивой окраски. Появляются и здания, конструкции и стены которых сооружены из алюминия и его сплавов. Из алюминиевых порошков делают взрывчатые вещества.
От металлургов требуется умение получать эти металлы в чистом или очень чистом состоянии. В металлах обычной чистоты допускают 0,01-0,1% примесей, в более чистых металлах — только 0,001-0,01%. Но иногда требуется металл такой чистоты, что счет примесям ведут уже не на проценты, а на атомы, допуская, например, лишь один атом примеси на миллиард атомов основного металла.
Мы узнали, что такое электролиз, как и почему он происходит. Самостоятельно провели опыт и произвели электролиз подсоленной воды, увидев, как раствор изменил свой цвет, и появился осадок. Узнали, какое большое значение он имеет для металлургического производства и в нашем городе в том числе.
Наш рассказ о применении электролиза для получения цветных металлов очень краток. Производство цветных металлов и сплавов — сложная наука. Ему посвящены труды многих знаменитых ученых. Это интересная специальность, которая может стать делом всей жизни инженера и ученого.
Подготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадам
Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.
Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну .
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды .
Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.
При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы . Положительно заряженный электрод ( анод ) притягивает отрицательно заряженные частицы ( анионы ). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.
Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины , или графита .
Электролиз растворов
Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.
Катодные процессы
В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений :
Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал , тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.
Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H + .
При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если металл в соли — активный ( до Al 3+ включительно в ряду напряжений ), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород , т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH — , среда возле катода — щелочная:
2H2O +2ē → H2 + 2OH —
Например , при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.
2. Если металл в соли – средней активности (между Al 3+ и Н + ) , то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл , и водород , так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:
Me n+ + nē → Me 0
2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —
Например , при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:
Fe 2+ + 2ē → Fe 0
2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —
3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов) , то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:
Me n+ + nē → Me 0
Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:
Cu 2+ + 2ē → Cu 0
4. Если на катод попадают катионы водорода H + , то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:
2H + + 2ē → H2 0
Анодные процессы
Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H 2 O -2 ).
При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:
1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток , то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):
неМе n- – nē = неМе 0
Например : при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:
2Cl — – 2ē = Cl2 0
Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение . Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы :
2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +
2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион , то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:
2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +
3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:
4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O
4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.
Например , при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:
2 CH3 C +3 OO – –2ē → 2 C +4 O2+ CH3-CH3
Суммарные процессы электролиза
Рассмотрим электролиз растворов различных солей.
Например , электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавли-ваются ионы меди:
Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0
На аноде окисляются молекулы воды:
Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 + 4H +
Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом урав-нении с ионами водорода в виде серной кислоты:
2 Cu 2+ SO4 + 2H2 O -2 → 2 Cu 0 + 2H2SO4 + O2 0
Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:
На катоде восстанавливается водород:
Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –
На аноде окисляются хлорид-ионы:
Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0
Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хло-рида натрия :
2 H + 2O +2Na Cl – → H2 0 + 2NaOH + Cl2 0
Следующий пример : электролиз водного раствора карбоната калия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –
На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:
Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:
2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0
Еще один пример : электролиз водного раствора хлорида меди (II).
На катоде восстанавливается медь:
Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0
На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:
Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0
Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:
Cu 2+ Cl2 – → Cu 0 + Cl2 0
Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.
На катоде восстанавливается водород из воды:
Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –
На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:
Анод (+): 4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O
Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:
2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0
Электролиз расплавов
При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.
Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:
Катод (–): Na + + ē → Na 0
На аноде окисляются анионы хлора:
Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0
Сумарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2 Na + Cl – → 2 Na 0 + Cl2 0
Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:
Катод (–): Na + + ē → Na 0
На аноде окисляются гидроксид-ионы:
Анод (+): 4 OH – – 4ē → O2 0 + 2H2O
Сумарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:
4 Na + OH – → 4 Na 0 + O2 0 + 2H2O
Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.
Например , алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100 о С), чем оксид алюминия (2050 о С). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.
В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:
На катоде восстанавливаются катионы алюминия:
Катод (–): Al 3+ + 3ē → Al 0
На аноде окисляются алюминат-ионы:
Анод (+): 4Al O 3 3 – – 12ē → 2Al2O3 + 3 O2 0
Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:
2 Al 2 О 3 = 4 Al 0 + 3 О 2 0
В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:
C 0 + О2 0 = C +4 O2 -2
Электролиз с растворимыми электродами
Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.
Например , рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.
На катоде разряжаются ионы меди из раствора:
Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0
На аноде окисляются частицы меди из электрода :
Анод (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+
Медь нашла свое широкое применение во многих сферах, а ее главным «козырем» является высокая электропроводность. Для ее получения необходимы природные руды, содержащие ее, которых в природе насчитывается более 30 видов.
Электролиз меди – это один из этапов химико-физических процессов, которому подвергается руда для того. Интересно, что для получения 1 тонны данного метала, требуется переработать не менее 200 тонн медной руды.
Возможно Вас также заинтересует статья о технологии обратного осмоса.
Электролиз меди – как это происходит?
Сам процесс обработки руды является многоэтапным и очень сложным и состоит из 7 шагов, последним из которых является именно электролиз меди. Добытую руду подвергают дроблению в специальных машинах, после этого следует флотация, позволяющая получить концентрат с сохранением минералов меди, после этого следует обжиг при высоких температурах в специальных печах. Шихта, которая была получена при обжиге, помещается в печь для плавки, где она превращается в штейн, который подвергают конвертированию. На этом этапе уже говорят о так называемой черновой меди, где 2-3% составляют примеси. Эти примеси (цинк, железо, сера), удаляются путем окисления. После этого действия получают так называемую «красную» медь. Этот продукт содержит 99,7-99,9% Cu, то есть это еще не совсем «чистый» продукт. А как раз электролиз меди и делает из него максимально чистую медь.
Для проведения электролиза меди необходимо специальное оборудование, то есть ванны, которые наполняются водным раствором сульфата меди со свободной серной кислотой. Результатом электролиза меди будет наличие осадка чистой меди на катодах. А все, что оказывается на дне ванны, называют шламом и в дальнейшем извлекают из него благородные металлы.
Вот так, довольно непросто, выглядит процесс получения меди, потребность в которой человечество испытывает огромную. Ее активно используют для создания кабелей, поставляющих электричество в дом, магазин, офис на предприятие.
Конечно, не стоит забывать, что прежде чем начать обработку медной руды, ее необходимо еще добыть, что является более трудоемким и дорогим процессом. Именно поэтому данный металл имеет такую высокую стоимость. А электролиз меди – не просто один из этапов ее получения, но и очень интересный физико-химический процесс.