Законы электролиза
С количественной стороны процесс электролиза был впервые изучен в тридцатых годах XIX века английским физиком Майклом Фарадеем (1791-1867), который установил два закона электролиза:
1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству электричества прошедшего через раствор или расплав электролита;
2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к образованию на электродах эквивалентных количеств разных веществ.
Для выделения при электролизе одного эквивалента вещества необходимо затратить 96500 кулонов. Величина 96500 Кл/моль называется постоянной Фарадея (F). Так при пропускании 96500 кулонов электричества через раствор CuCℓ 2 на катоде выделяется один моль-эквивалента меди (31,77 г) и одновременно на аноде выделяется одна молярная масса эквивалента хлора (35,45 г).
Законы Фарадея можно выразить уравнением
m= М э It/F = М э It/96500 или V = V э It/F = V э It/96500,
где m(V) –масса (объем) окисленного или восстановленного вещества, г (дм 3); М э (V э) - молярная масса (объем эквивалента), г/моль (дм 3); I - сила тока, А; t - продолжительность электролиза, с.
Если It = 1 Кл, то масса выделившегося вещества составит М э /F = Е. Величина Е называется электрохимическим эквивалентом вещества окисляющегося или восстанавливающегося на электродах при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Масса эквивалента связана с электрохимическим эквивалентом М э = ЕF.
При практическом проведении электролиза расход тока превышает количество его, рассчитанное согласно закону Фарадея. Происходит это вследствие протекания тех или иных побочных процессов, поэтому в электрохимии используют понятие выход по току (η, %). Выход по току отношение массы полученного веществ(m практ) к массе, теоретически вычисленной (m те o р)
η = (m практ /m теор)100%
Процессы электролиза получили широкое и разностороннее применение в промышленности:
1 . Электролизом расплавов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов получают Na, К, Са, Мg и др. Металлический алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия в расплавленном криолите 3NаF∙А1F 3 . Путем электролиза водного раствора поваренной соли получают едкий натр (каустическую соду) и хлор. Получение водорода, в больших количествах применяемого для синтеза NH 3 , НС1 и др., осуществляется электролизом H 2 O (используют не чистую воду, а растворы электролитов, ионы которых разряжаются труднее, чем Н + и ОН -);
2. Электролитическое окисление в случае, если на аноде выделяются О 2 и Сl 2 , используют для окисления и хлорирования находящихся в растворе веществ. Электролити-
ческое восстановление в случае, когда на катоде выделяется атомарный водород, часто применяется для гидрирования находящихся в растворе неорганических и органических веществ;
3. Гидроэлектрометаллургия – важная отрасль металлургии цветных металлов (Cu, Bi, Sb, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией ;
4. Электролиз применяется для очистки и получения особо чистых материалов (рафинирование металлов). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Чаще всего этот процесс используется для получения электролитически чистой меди. Листы неочищенной (черновой) меди служат анодом. Процесс сводится к растворению анода и выделению чистой меди на катоде; электролит регенерируется и сохраняется в растворе.
5. Электролитическое покрытие менее благородного металла более благородным металлом (гальваностегия ) широко используется для никелирования, хромирования, серебрения, меднения. Хромирование применяется для повышения коррозионной стойкости черных металлов, а также для увеличения твердости поверхностного слоя и сопротивления стиранию. Никелирование используется для изменения внешнего вида изделия. Цинкование и лужение - для защиты от коррозии. Меднение - для нанесения припоя и т.д. Гальваностегия осуществляется аналогично рафинированию меди. Покрываемое изделие служит катодом, покрывающий металл - анодом.
6. Гальванопластика - получение точных копий изделий с использованием электролиза. С ее помощью получают очень тонкослойные изделия для радиотехники и приборостроения. Например, на алюминиевую деталь сложной геометрической формы электролизом наносят слой меди нужной толщины. Затем алюминий растворяют в соляной кислоте или растворе щёлочи, с которыми медь не реагирует. Получают изделие с толщиной стенок, исчисляемой микронами.
Электролиз нашел применение также для травления, оксидирования, полирования, заточки металлов и т.д.
Доклад ученицы 10 кл. "Б"
школы 1257
Масоловой Елены по теме:
Применение электролиза.
Сущность электролиза.
Электролиз - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролитов.
Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод , а к положительному полюсу - анод , после чего погружают их в электролизер с раствором или расплавом электролита.
Электроды, как правило, бывают металлические, но применяются и неметаллические, например графитовые (проводящие ток).
На поверхности электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катоде), ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т. е. протекает реакция электрохимического восстановления. На положительном электроде (аноде) происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления. Таким образом, сущность электролиза состоит в том, что на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.
В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т. п., - так называемые вторичные процессы.
Металлические аноды могут быть: а) нерастворимыми или инертными (Pt, Au, Ir, графит или уголь и др.), при электролизе они служат лишь передатчиками электронов; б) растворимыми (активными); при электролизе они окисляются.
В растворах и расплавах различных электролитов имеются разноименные по знаку ионы, т. е. катионы и анионы , которые находятся в хаотическом движении. Но если в такой расплав электролита, например расплав хлорида натрия NaCl, опустить электроды и пропускать постоянный электрический ток, то катионы Na + будут двигаться к катоду, а анионы Cl – - к аноду. На катоде электролизера происходит процесс восстановления катионов Na + электронами внешнего источника тока:
Na + + e – = Na 0
На аноде идет процесс окисления анионов хлора, причем отрыв избыточных электронов от Cl – осуществляется за счет энергии внешнего источника тока:
Cl – – e – = Cl 0
Выделяющиеся электронейтральные атомы хлора соединяются между собой, образуя молекулярный хлор: Cl + Cl = Cl 2 , который и выделяется на аноде.
Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2NaCl -> 2Na + + 2Cl – - электролиз -> 2Na 0 + Cl 2 0
Окислительно-восстановительное действие электрического тока может быть во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Меняя напряжение на электродах, можно создать почти любой силы окислители и восстановители, которыми являются электроды электролитической ванны или электролизера.
Известно, что ни один самый сильный химический окислитель не может отнять у фторид-иона F – его электрон. Но это осуществимо при электролизе, например, расплава соли NaF. В этом случае на катоде (восстановитель) выделяется из ионного состояния металлический натрий или кальций:
Na + + e – = Na 0
на аноде (окислитель) выделяется ион фтора F – , переходя из отрицательного иона в свободное состояние:
F – – e – = F 0 ; F 0 + F 0 = F 2 0
Продукты, выделяющиеся на электродах, могут вступать между собой в химическое взаимодействие, поэтому анодное и катодное пространство разделяют диафрагмой.
Практическое применение электролиза.
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. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).
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 - процесс электроэкстракции.
Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах.
В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.
Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При пропускании тока металл, подлежащий очистке, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит и удаляются.
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 пожразделяется 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.
Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.
¨ Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно 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.);
-очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);
Электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).
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. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).
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 - процесс электроэкстракции.
Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах.
В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки . Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.
Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При пропускании тока металл, подлежащий очистке, подвергается анодному растворению, т.е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла.
Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит и удаляются.
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 пожразделяется 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.
Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной.
Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях.
При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.
Гальванопластика - получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно 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.);
электролиз анод электрический ток
очистка воды - удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);
электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).
Сущность процесса электролиза
Электролиз
В качестве примера рассмотрим процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида меди. Указанный раствор поместим в сосуд, называемый электролизером и погрузим в него два графитовых стержня. При растворении хлорида меди в воде происходит его полная диссоциация и образующиеся ионы Cu 2+ и Cl - беспорядочно движутся в растворе. Возьмем источник постоянного электрического тока - выпрямитель или аккумулятор и к его клеммам присоединим графитовые стержни. Движение ионов в растворе станет упорядоченным: положительные ионы Cu 2+ будут перемещаться по направлению к отрицательному электроду, называемому катодом , а ионы Cl - - к положительному электроду - аноду . Поэтому положительные ионы называют катионами , а отрицательные - анионами . Ион Cu 2+ , подходя к катоду, где есть избыточные электроны, присоединяет два электрона, превращаясь в нейтральный атом - на поверхности катода появляется слой металлической меди:
(–) Cu 2+ + 2e ® Cu
Ионы Cl - отдают на анод свои электроны и превращаются в молекулы хлора:
(+) 2Cl - - 2e ® Cl 2
Таким образом, в результате пропускания постоянного тока через раствор хлорида меди мы получили два новых вещества - металлическую медь и газообразный хлор.
Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.
На катоде происходит процесс восстановления, а на аноде - процесс окисления.
Напомним, что в гальваническом элементе катодом называется положительный электрод, а анодом - отрицательный. Главное состоит в том, что и в гальваническом элементе и при электролизе на катоде идет восстановление, а на аноде - окисление .
Рассматривая принцип работы гальванического элемента, мы отмечали, что протекающие в нем процессы всегда являются самопроизвольными . Напротив любой электролиз - процесс несамопроизвольный , т.е. требует затраты энергии в виде электрического тока. Источник постоянного тока играет роль своеобразного насоса, который перекачивает электроны с анода на катод. Характер процессов, протекающих на электродах при электролизе зависит от природы электролита и растворителя, материала, из которого изготовлены электроды и других факторов.
Электролиз находит широкое применение в различных областях техники. Приведем основные направления использования этого процесса.
1.Получение металлов .
Выделение в чистом виде алюминия и металлов IА и IIА групп таблицы Менделеева производится электролизом расплавленных соединений, а остальных металлов – электролизом водных растворов.
2.Очистка металлов .
Для этого применяется электролиз с растворимым анодом.
3.Получение металлических покрытий .
Гальванические покрытия металлов осуществляются в декоративных целях, для защиты от коррозии, повышения твердости и электропроводности. Осаждение металла осуществляется электролизом водного раствора соли, причем покрываемое изделие завешивается в электролизер в качестве катода.
4.Анодирование алюминия и его сплавов .
В качестве электролита берется раствор серной кислоты, катодом служит свинцовая пластина, а анодом подлежащее анодированию изделие. В ходе электролиза на аноде образуется пленка оксида алюминия, предохраняющая изделие от коррозии. В пленке имеются многочисленные поры, которые могут быть заполнены красителем или светочувствительным составом - это используется для окраски алюминиевых предметов и получения на них фотографических изображений.
5.Получение различных химических веществ .
Примером таких процессов может служить электролиз водного раствора хлорида натрия. В процессе электролиза на катоде выделяется водород, на аноде - хлор, а в растворе накапливается щелочь NaOH.
6.Защита от коррозии .
Катодная защита основана на процессе электролиза, в котором защищаемый объект присоединяется к отрицательному полюсу источника тока, т.е. играет роль катода, на котором происходит восстановление воды.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какая величина называется удельной электрической проводимостью? В каких единицах она измеряется?
2.Что называется константой кондуктометрической ячейки? Как ее определяют?
3.От каких факторов зависит величина удельной проводимости?
4.Постройте график зависимости удельной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер кривых.
5.Какая величина называется молярной электрической проводимостью? Как она связана с удельной проводимостью?
6.Постройте график зависимости молярной проводимости сильных и слабых электролитов от концентрации. Объясните характер линий.
7.Какая величина называется предельной молярной проводимостью? Как ее определяют?
8.Что характеризует коэффициент электропроводности сильного электролита? Как его определяют?
9.В чем заключается сущность закона независимости движения ионов? Для чего этот закон применяют?
10.Как можно кондуктометрическим методом определить степень диссоциации слабого электролита?
11.Сопротивление раствора хлорида калия с концентрацией 0,01моль×дм -3 , измеренное при 180°С, равно 1,23 Ом. Удельная проводимость этого раствора при 180°С равна 1,22 См×см -1 . Чему равна константа кондуктометрической ячейки?
12.Постоянная кондуктометрической ячейки равна 0,42 см -1 . Электропроводность раствора нитрата серебра с концентрацией 0,1моль/дм 3 , измеренная в этой ячейке, равна 0,0284 См. Чему равна молярная электрическая проводимость нитрата серебра при указанной концентрации?
13.Молярная электрическая проводимость 0,2 моль/дм 3 раствора хлорида калия равна 12,4 См×см 2 ×моль -1 . Предельная молярная проводимость хлорида калия равна 149,9 См×см 2 ×моль -1 . Чему равен коэффициент электропроводности? Как эта величина будет изменяться при разбавлении раствора? Почему?
14.Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,8×10 -5 , а предельная молярная проводимость составляет 271,8 См×см 2 ×моль -1 . Чему равна молярная проводимость 1×10 -1 моль×дм -3 раствора гидроксида аммония?
15.Каков механизм возникновения потенциала на границе металл-раствор?
16.От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Напишите уравнение Нернста?
17.Что представляет собой водородный электрод? Напишите для него уравнение Нернста.
18.По какому принципу построен ряд напряжений? Какие выводы можно сделать на основании положения металла в ряду напряжений при рассмотрении реакций замещения, процессов электрохимической коррозии и электролиза?
19.Что представляет собой электрод второго рода? Напишите уравнение Нернста.
20.Напишите уравнение Нернста для окислительно-восстановительного электрода. Какие свойства вещества характеризует величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала?
21.Сформулируйте условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительных реакций.
22.Как устроен стеклянный электрод? Для чего он применяется?
23.Чему равен потенциал платинового электрода, погруженного в раствор, содержащий 0,02 моль/дм 3 сульфата железа(II) и 0,002 моль/дм 3 сульфата железа(III) по отношению к стандартному водородному электроду?
24.Потенциал водородного электрода в растворе уксусной кислоты равен - 120 мВ по отношению к стандартному водородному электроду. Чему равен рН раствора?
25.Что представляет собой гальванический элемент? Какую роль играет в нем солевой мостик?
26.Какой электрод в гальваническом элементе называется катодом? Анодом? Почему катод в гальваническом элементе и при электролизе имеют разные знаки?
27.Что называется электродвижущей силой гальванического элемента? Как ее рассчитывают?
28.Нарисуйте схему измерения э.д.с. Почему ее не измеряют вольтметром?
29.Какая химическая реакция протекает в гальваническом элементе: Zn/ZnSO 4 // H 2 SO 4 /H 2 (Pt), если С(ZnSO 4) = 0,01 моль/дм 3 , С(H 2 SO 4) = 5×10 -4 моль×дм -3 . Какова э.д.с. этого элемента?
30.Составьте схемы гальванических элементов, в которых протекают следующие токообразующие реакции:
а) Fe + NiCl 2 = Ni + FeCl 2 в) CuSO 4 + H 2 = Cu + H 2 SO 4
б) Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 г) Cr +2 + Fe +3 = Cr +3 + Fe +2
31.Какие гальванические элементы называются концентрацион-ными? Какие процессы в них протекают и как они отражаются на величине э.д.с.?
32.Как устроен топливный элемент и в чем его преимущество перед другими источниками электрической энергии?
33.Какие из следующих реакций могут протекать самопроизвольно в прямом направлении:
а) MnO 4 - + Fe 2+ ® Mn 2+ + Fe 3+
б) KCl + Br 2 ® KBr + Cl 2
в) Cu + H 2 SO 4 ® CuSO 4 + H 2
г) Fe 3+ + KI ®Fe 2+ + I 2
е) Sn +4 + Fe +2 ® Sn +2 + Fe +3
ж) Ni + FeSO 4 ®Fe + NiSO 4
34.Рассчитайте константы равновесия следующих реакций:
а) Fe +3 + Ag « Fe +2 + Ag +
б) Sn +4 + H 2 « Sn +2 + 2H +
в) 2Ce +4 + 2Cl - « 2Ce +3 + Cl 2
г) Fe +3 + Cr +2 « Fe +2 + Cr +3
35.Какой процесс называется электрохимической коррозией? В чем состоит принципиальное отличие коррозии в кислой среде от коррозионных процессов в нейтральной и щелочной средах?
36.Напишите схемы катодных и анодных процессов при коррозии:
а) пары медь - цинк в нейтральной среде;
б) пары железо - никель в кислой среде;
в) пары олово - цинк в нейтральной среде;
г) пары алюминий - медь в нейтральной среде.
37.Какие процессы будут происходить при нарушении цинкового покрытия на железной детали во влажном воздухе?
38.Какие покрытия называются катодными? Какие процессы происходят при нарушении катодного покрытия?
39. В чем заключается принцип протекторной защиты от коррозии? Как осуществляется катодная защита?
7.7.1. Применение электролиза в технике
Электролиз находит весьма широкое применение в технике. Электролизом получают некоторые металлы; многие металлы, полученные неэлектрическим методом, очищают от примесей. Электролизом соответствующих растворов получают кислород, водород, хлор, "тяжелую воду". Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металла, а также изготавливают рельефные металлические копии нужных изделий. На электролизе основана зарядка аккумуляторов. Каждое из возможных применений электролиза получило свое название. Рассмотрим сущность некоторых из применений электролиза в технике.
Гальванопластика – получение металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и т.п.). Для этого с предмета сначала снимают слепок из воска (стеарина), покрывают поверхность слепка порошкообразным графитом для придания электропроводности и затем используют слепок в качестве катода в электролитической ванне, содержащей растворенную соль металла. При электролизе металл электролита выделяется на поверхности слепка и образует металлическую копию предмета. Этим способом, в частности, изготавливают типографские клише, бесшовные трубы, а также другие металлические детали сложной формы.
Гальваностегия. Электролитическое осаждение металлов широко используется для покрытия металлических предметов слоем благородных металлов или защитным слоем другого металла, обладающего механической прочностью и устойчивостью к коррозии. Таково электролитическое серебрение, золочение и платинирование, покрытие хромом и никелем, электролитическое покрытие железа цинком.
Очистка (рафинирование) металлов (получение чистых металлов). Для этого очищаемый металл отливают в виде пластин, и делают их анодом в электролитической ванне. Электролитом служит раствор соли данного металла. При правильном выборе напряжения между анодом и катодом добиваются того, чтобы только очищаемый металл переходил с анода в раствор и выделялся на катоде. Примеси выпадают на дно электролитической ванны в виде осадка (анодный шлам).
Очисткой путем электролиза получают, например, очень чистую (так называемую электролитическую рафинированную) медь, широко применяемую в электротехнике.
Электрометаллургия. В настоящее время многие металлы получают с помощью электролиза руд в расплавленном состоянии. Примером может служить получение алюминия. Электролизу подвергают расплав смеси глинозема Al 2 O 3 и криолита Na 2 AlF 6. Анодами служат опускаемые в расплав угольные стержни. Электролиз производится при температуре около 900 o C, причем высокая температура поддерживается самим током. Электролизом получают также натрий, магний, бериллий, фтор и другие элементы.
Электролитическое травление и полировка. Помещая металлические предметы в электролитическую ванну в качестве анода, можно заставить металл растворяться. При наличии шероховатостей у поверхности электролитическое растворение происходит быстрее у выступов и заострений, так как напряженность электрического поля, а следовательно, и плотность тока возле них больше. Поэтому с помощью электролиза можно производить травление и полировку поверхностей.
Электролитические конденсаторы. На явлении электролиза основано действие так называемых электролитических конденсаторов ("электролитов"), широко применяемых в современной электротехнике и радиотехнике. Они имеют два алюминиевых электрода, находящихся в электролите. Состав электролита может быть разным, например из смеси борной кислоты и раствора аммиака с добавлением глицерина. Электролит часто изготовляют в виде густой пасты и пропитывают им бумажную прокладку, находящуюся между электродами. Работу электролитического конденсатора можно представить так: положительный полюс конденсатора покрыт тончайшим слоем окислов алюминия, который поддерживается вследствие электролиза. Этот слой является диэлектриком конденсатора, а обкладками служат алюминиевый электрод и электролит. Второй алюминиевый электрод является пассивным и служит только для включения конденсатора в цепь. Благодаря малой толщине слоя окислов емкость электролитических конденсаторов достигает многих сотен микрофарад на м 2 площади пластин.
Электролитический конденсатор обладает большой емкостью только при определенной полярности напряжения, а именно в том случае, когда окисленный электрод соединен с положительным полюсом источника. При обратном включении в цепь изолирующий слой исчезает и через конденсатор проходит большой ток, разрушающий его.
Недостатками электролитических конденсаторов являются сравнительно большие утечки, необходимость соблюдать полярность, малая величина пробойных напряжений и невозможность использования их в цепях переменного тока.
Электролиз и так называемая электролитическая поляризация получили важное техническое применение в аккумуляторах, или, иначе, вторичных источниках тока (элементах). Они представляют собой гальванические элементы, в которых вещества, предварительно накопленные на электродах в процессе электролиза (в процессе зарядки аккумулятора), расходуются при отборе тока.
Наибольшее распространение получили свинцовые, или кислотные, аккумуляторы. В простейшем виде они состоят из двух свинцовых электродов, находящихся в растворе серной кислоты. При погружении в кислоту на электродах образуется сернокислый свинец PbSO 4 , и раствор насыщается этой же солью.
При зарядке аккумулятора на его электроде, соединенном с положительным полюсом источника тока, свинец окисляется в перекись PbO 2 , а второй электрод превращается в чистый свинец. При зарядке аккумулятора появляются дополнительные молекулы кислоты, поэтому концентрация кислоты увеличивается.
При разрядке аккумулятора его положительный полюс постепенно раскисляется, и на нем происходит вновь образование сернокислого свинца, который появляется также и на отрицательном электроде. При разрядке концентрация кислоты уменьшается.
Аккумуляторы характеризуются, помимо ЭДС, емкостью, т.е. величиной заряда, отдаваемого при разрядке. Она измеряется в ампер-часах и, очевидно, тем больше, чем больше поверхность электродов.
Для увеличения емкости электроды аккумуляторов отливают в виде пластин с многочисленными ячейками наподобие пчелиных сотов и в ячейки запрессовывают окислы свинца.
Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют железоникелевые, или щелочные, аккумуляторы, которые отличаются меньшей массой при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой – из никеля, а электролитом служит 20-процентный раствор едкого калия KOH. В заряженном состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля Ni(OH) 3 , а катодом – железо.
