Электролиз раствора гидроксида натрия с графитовыми электродами

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.