12360 (Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита)

Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита.

Работу выполнил учник 11 “Б” класса Кульпанов Андрей Иванович.

Средняя общеобразовательная школа № 35

Муниципальное образовательное учреждение г Нижнего Новгорода

г. Нижний Новгород

2003 г.

1. Введение.

Английский физик и химик Майкл Фарадей установил законы электролиза, связавшие количество электричества, прошедшее через раствор, с массой и природой растворенного вещества. Он создал количественную электрохимию – раздел химии, изучающий процессы перехода химической энергии в электрическую и обратно.

Изучение и практическое применение электрохимических процессов стало возможным после создания гальванических элементов – химических источников постоянного электрического тока. В 1799 г. итальянский физик А. Вольт создал первый химический генератор постоянного тока (“Вольтов столб”). Возможность применения “Вольтова столба” для практических целей сразу же заинтересовала ученых. Английские исследователи У. Нильсон и А. Карлейль первыми использовали его для электролиза растворов солей, щелочей и кислот. В 1800 г. они осуществили разложение воды на кислород и водород.

Затем английский химик и физик Г. Деви, проводя электролиз солей щелочных и щелочноземельных металлов, выделил их в чистом виде: в 1807 г. он получил калий и натрий, а в 1808 г. – кальций и магний. Русский исследователь В. В. Петров, который положил начало электрохимическим исследованиям в России, в 1802 г. создал самый большой в то время “Вольтов столб”, состоявший из 2100 медно-цинковых пластинок, и провел ряд важнейших исследований. Так, он впервые использовал электрический ток для получения чистых металлов в результате электровосстановления их оксидов.

Исследования Фарадея процессов в растворах электролитов при пропускании через них электрического тока длилось недолго. В 1833 г. он начал их, а уже в 1834 г. закончил. Но за этот короткий срок Фарадей сумел установить основные закономерности явления электролиза, которые стали фундаментом всех современных теоретических воззрений в этой области, а также методов его практического использования. Вся современная терминология, применяющаяся при описании электролиза, была предложена Фарадеем в этот период. Он ввел термины “электрод”, “электролит”, “анод”, “катод”, “ион”, “анион” “катион”, “электролиз”, понятие “диэлектрическая проницаемость”.

Фарадей установил, что существует строго соотношение между количеством прошедшем через раствор электролита электричества и количеством выделившегося вещества. Установить эту зависимость стало возможным после того, как Фарадей создал прибор для измерения проходящего через раствор электричества, который он назвал вольтаэлектрометром.

Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получают именно этим способом. Например, такие металлы как никель, натрий, чистый водород и другие, получают только с помощью этого метода. Кроме того, с его помощью электролиза относительно легко можно получить чистые металлы, массовая доля самого элемента в которых стремиться к ста процентам. В промышленности алюминий и медь в большинстве случаев получают именно электролизом. Преимущество этого способа 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.).

На сегодняшний день большой популярностью пользуются различные предметы, покрытые драгоценными металлами, (позолоченные или посеребренные вещи).

К тому же металлические изделия покрывают слоем другого металла электролитическим способом с целью защитить его от коррозии.

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

В реферате мной были определены следующие задачи:

-- ознакомление с теоретическими основами электролитических процессов;

-- определить влияние различных факторов на качественный и количественный состав продуктов электролиза;

-- выделить области практического применения электролиза;

-- экспериментально определить влияние качественного состава исходного электролита на состав продуктов электролиза.

2. Теоретические основы электролиза. Законы Фарадея.

При прохождении электричества через металлические проводники состав металла не изменяется. Переносчиком электричества, а лих являются «свободные» электроны внешней электронной оболочки. В электролитах свободные электроны отсутствуют, и электричество в них переносится ионами. На границе металл--раствор электронная проводимость меняется на ионную. Такая трансформация проводимости осуществляется электрохимическими реакциями, протекающими на электродах. На катоде электроны переходят на частицы раствора, способные восстанавливаться. На аноде такое же количество электронов освобождается при окислении частиц, содержащихся в растворе, или при переходе вещества анода в виде катионов в раствор.

В 1833 г. М. Фарадей установил, что между количеством прошедшего через электролит электричества и количеством выделившихся на электродах веществ существует прямо пропорциональная зависимость.

Первый закон Фарадея устанавливает, что количество вещества, которое окисляется на аноде или восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.

Согласно второму закону количество веществ, выделенных на электродах равными количествами электричества, пропорционально их эквивалентным весам.

Экспериментальное подтверждение законов Фарадея можно получить, если пропустить определенное количество электричества через последовательно соединенные электролизеры, например, с растворами азотнокислых солей натрия, ртути, меди и серебра, поместив в них электроды из платины.

Рис. 1 Опыт подтверждающий закон Фарадея.

При этом на анодах во всех четырех ячейках выделится одинаковое количество кислорода, химически эквивалентное количеству водорода, ртути, меди и серебра, выделившихся на катодах.

Схематически это можно записать в следующем виде:

Первый электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде:

4H+ + 4e 4H0

Na+ NO3 4OH- - 4e 2H2 O+ O2

4H 2 H2 H+ OH-

4NaNO3 + 6H2O 2H2 + O2 + 4NaOH + 4HNO3

Второй электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 2Hg2+ + 4e 2Hg Hg2+ NO3- 4OH- - 4e 2H2O + O2

H+ OH-

2Hg(NO3)2 + 2H2O 2Hg + O2 + 4HNO3

Третий электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 22 2Cu2+ + 4e 2Cu Cu2+ NO3- 4OH- - 4e 2H2O + O2

H+ OH-

2Cu(NO3)2 + 2H2O 2Cu + O2 + 4HNO3

Четвертый электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 4Аg+ + 4e 4Hg Аg+ NO3- 4OH- - 4e 2H2O + O2

H+ OH-

4Аg(NO3)2 + 2H2O 4Ag + O2 + 4HNO3

По второму закону Фарадея на электрохимическое выделение 1 г-экв вещества требуется 96491,4 к. электричества (по углеродной шкале атомных весов), что эквивалентно протеканию 6,02296- 1023 электронов. Количество грамм-эквивалентов выделенного электролизом вещества (N) можно рассчитать по формуле:

N = (I*t)/F (А*сек/А*сек*г-экв-1)

где I — сила тока, A; t— время, По числу грамм-эквивалентов вещества легко рассчитать его вес в граммах (g) или концентрацию в растворе (в г-экв/л, моль/л, г/л, и.т. д.):

g=N*э = (э*I*t)/F

где э — грамм-эквивалент вещества, г.

Если, например, в рассматриваемом опыте выделилось 5,6 л кислорода, приведенных к нормальным условиям (t=00C, Р=1 атм.), то водорода должно получиться 11,2л, ртути- 100,315 г, меди — 31,77 г, серебра - 53,90 г .

При электролизе может выделиться вещества меньше, чем это следует из закона Фарадея. Причиной такого кажущегося отклонения является одновременное протекание на электроде двух реакций. Например, при электровосстановлении цинка на катоде, кроме цинка, выделяется также и водород. Иногда продукт электролиза вступает во взаимодействие с веществами, содержащимися в растворе, или с веществом электрода. Так, выделяющийся на аноде хлор вступает в реакцию с водой и едким натром, а кислород— с угольным анодом.

3. Электроды.

Электродами могут служить многие металлы, графит и некоторые окислы, обладающие электронной или дырочной проводимостью. При прохождении постоянного тока на катоде накапливаются электроны, которые ассимилируются ионами или молекулами, содержащимися в растворе; на аноде ионы, атомы или молекулы отдают электроны. На катоде могут выделяться газообразные, твердые нерастворимые или растворимые в электролите вещества. Водород при электролитическом выделении способен растворяться в некоторых металлах (платина, палладий, железо, никель). Если катодом служат окислы железа, свинца и других металлов, то они восстанавливаются атомарным водородом до свободных металлов. При анодной реакции в первую очередь окисляется вещества с более отрицательным окислительным потенциалом. Если продукты окисления анода нерастворимы, на нем может образоваться пассивирующая окисная или солевая пленка, в результате чего потенциал анода смещается в положительную сторону и становится возможным окисление одного из веществ, содержащихся в растворе.

При прохождении переменного тока через электролизер полярность электродов периодически меняется, что приводит к чередованию на одном и том же электроде процессов окисления и восстановления. В этом случае продукты электролиза взаимодействуют между собой или превращаются электрохимическим путем а исходные вещества. Поэтому переменный ток в электролизе не применяется.

Выбирая материал для катода, учитывают способность металла поглощать водород, коррозионную стойкость его, а также влияние на скорость реакции восстановления.

Сложнее обстоит дело с выбором материала для анода, поскольку он способен окисляться. Анод не будет растворяться, если его окислительный потенциал больше, чем у веществ, содержащихся в растворе; вещество анода должно труднее окисляться, чем вещество, которое желательно окис* лить. Наиболее трудно окисляются платина, золото, серебро, графит.

При электрорафинировке, электрополирсвке, гальванопластике и гальваностегии аноды изготавливают из того же металла, какой восстанавливается на катоде. Тогда вещество анода окисляется и в виде катионов переходит в раствор. Катионы, достигая катода, восстанавливаются на нем снова до металла.

Окислительные потенциалы фтора, марганцовокислого калия, двуокиси свинца, перекиси водорода, надсерной кислоты более положительны, чем потенциалы остальных веществ, из которых можно было бы изготовить аноды. Казалось бы, что эти вещества электролизом получить нельзя. Однако возможны случаи, когда па поверхности анода при электролизе образуются нерастворимые соединения, которые пассивируют анод и делают его инертным (образование окислых пленок на нержавеющих сталях, хроме, никеле, а также пленки из хлористого серебра на серебре при электролизе, растворов хлоридов).

4. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ.

На электродах как под действием тока, так и в его отсутствие, протекают электрохимические реакции, приводящие к установлению определенного скачка потенциала на границе электрод — раствор (так называемого электродного потенциала— ф). При отсутствии внешнего тока на границе электрод — раствор устанавливается равновесие между окисленной и восстановленной формами вещества:

[Ox]+nе[Red],

где [0х] и [Red]—концентрации окисленной и соответственно восстановленной формы вещества;

ne – количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.

электрохимической реакции.

Если металл электрода способен окисляться и посылать катионы в раствор, то на электроде быстро устанавливается равновесие.

Потенциал электрода будет отрицательным, если катионов металла перейдет в раствор больше, чем за это же время их восстановится. Если же процесс восстановления превалирует над процессом окисления, то потенциал будет положительным. Потенциал активных металлов, погруженных в растворы, содержащие катионы тех же металлов, отрицателен. Металлы, стоящие в ряду активности правее водорода, имеют положительное значение потенциала. Последовательность расположения металлов в ряду активности как раз и определяется величиной их металлов в ряду активности как раз и определяется величиной их электродных потенциалов. Чем легче окисляется металл, тем отрицательнее его электродный потенциал, тем большую электродвижущую силу (э.д.с.) будет иметь гальванический элемент, составленный из электрода данного металла и второго электрода с известным значением потенциала (электрода сравнения). Поэтому ряд активности металлов правильнее называть рядом напряжений.

Если вещество электрода инертно (не растворяется в электролите), а в растворе содержатся вещества, способные окисляться--восстанавливаться, то они могут отнимать у электрода или отдавать ему электроны. Инертный электрод в этом случае зарядится или отрицательно (если растворенное вещество легче отдает электроны, чем принимает), или положительно (если оно отнимает электроны от электрода легче, чем отдает). При этом на границе инертный электрод— раствор устанавливается равновесие.

Скачек потенциала, возникающий на границе инертный электрод – раствор, называют окислительно-восстановительным или редокс-потенциалом. Примерами таких электродов могут служить: платина, погруженная в раствор солей ионов двух- и трехвалентного железа или раствор, содержащий ионы хлора и свободный хлор, нержавеющая сталь в растворе, содержащем кислород.