3. Применения электролиза

Определения и обозначения

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Химические превращения вызываются направленным движением ионов и их реакциями с электронами. Это понятие нужно, чтобы отличать электролиз от простого нагревания проводника.

Электролитическая диссоциация — распад молекул электролита на положительные и отрицательные ионы в растворе или расплаве. Благодаря этому в жидкости появляются подвижные носители заряда. Без диссоциации направленного переноса ионов и электролиза не происходит.

Гальваностегия — нанесение тонкого слоя металла на изделие с помощью электролиза. Покрытие защищает предмет от коррозии или делает его поверхность красивее, но не превращает изделие в точную копию формы. Поэтому здесь металлический слой остаётся частью исходного изделия.

Гальванопластика — получение точной металлической копии предмета электролитическим осаждением металла на форме. После наращивания слоя его отделяют от формы. Термин нужен, чтобы отличать изготовление самостоятельной копии от нанесения покрытия.

Как это устроено

При подключении электродов к источнику тока в электролите возникает электрическое поле. Положительно заряженные ионы испытывают силу в направлении поля и движутся к отрицательному катоду, а отрицательные ионы перемещаются в противоположную сторону, к положительному аноду. Так поле разделяет встречные потоки зарядов и обеспечивает ток в растворе или расплаве.

На катоде катионы принимают электроны от внешней цепи: например, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. На аноде анионы отдают электроны электроду, поэтому там идёт окисление. Если продукт реакции твёрдый, он осаждается на электроде, а если газообразный — выделяется пузырьками.

При рафинировании неочищенный металл делают анодом, а тонкий лист чистого металла — катодом. Атомы металла анода окисляются и переходят в раствор в виде катионов, затем такие же катионы принимают электроны на катоде и образуют слой чистого металла. Нерастворимые примеси оседают на дне, а растворимые остаются в электролите, если не восстанавливаются в данных условиях.

При гальваностегии покрываемое изделие подключают к отрицательному полюсу, поэтому оно становится катодом. Катионы металла покрытия движутся к изделию, принимают электроны и превращаются в атомы, которые осаждаются на поверхности. Анодом обычно служит пластинка из того же металла: она растворяется и поддерживает концентрацию его ионов в электролите.

При гальванопластике сначала делают проводящей поверхность формы и подключают её как катод. Металл постепенно наращивается на рельефе формы, точно повторяя его мельчайшие особенности. Затем слой отделяют, поэтому результатом становится отдельная металлическая копия, а не покрытая деталь.

Применения электролиза и устройство электролитической ванны

Сначала по названию применения определите, что должно оказаться на катоде: очищаемый металл, покрываемое изделие или форма. Затем проверьте, какой материал может растворяться на аноде и пополнять раствор ионами. Последний столбец показывает, остаётся ли слой на детали или отделяется от основы.

Разбор задач

Меднение стальной ложки

Условие: схематично изобразить установку для меднения стальной ложки и указать её подключение к источнику тока. Электролитом может быть раствор соли меди, например CuSO₄.

1. Медь должна осесть на ложке, значит, ложка будет катодом: именно на катоде восстанавливаются катионы Cu²⁺.
2. Катод при электролизе соединяют с отрицательным полюсом источника. Медную пластинку подключают к положительному полюсу и используют как анод.
3. В растворе ионы Cu²⁺ движутся к ложке и превращаются в атомы меди: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Схема установки: анод (+) — раствор CuSO₄ — ложка-катод (−).

Ответ: ложку подключают к отрицательному полюсу, медную пластинку — к положительному.

Рафинирование меди

Условие: определить, откуда медь переходит в раствор, где осаждается и что происходит с нерастворимыми примесями.

1. Неочищенную медь делают анодом и соединяют с положительным полюсом. Атомы меди отдают электроны и переходят в раствор: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻.
2. Тонкий лист чистой меди является катодом. Ионы Cu²⁺ принимают электроны и осаждаются на нём: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
3. Нерастворимые примеси не переходят в раствор вместе с медью и оседают под анодом в виде шлама. Растворимые примеси могут оставаться в электролите.

Ответ: медь переходит в раствор с анода и осаждается на катоде; нерастворимые примеси образуют анодный шлам.

Масса осадка по закону Фарадея

Условие: через раствор соли металла пропускают ток силой 2 А в течение 30 минут. Нужно определить информацию, необходимую для расчёта массы осадка.

1. Сначала находят заряд: время переводят в секунды, t = 30 · 60 = 1800 с, затем Q = It = 2 · 1800 = 3600 Кл.
2. Для массы используют закон Фарадея: m = kQ = kIt. Поэтому одного значения силы тока и времени недостаточно.
3. Нужно знать электрохимический эквивалент k данного металла. Его можно вычислить по молярной массе, валентности и постоянной Фарадея, если эти данные известны.

Ответ: заряд равен 3600 Кл, а для нахождения массы нужен электрохимический эквивалент; масса определяется формулой m = kIt.

Типичные ошибки

Считать, что катионы движутся к аноду, неверно: положительный заряд притягивается к отрицательному катоду. Такую ошибку допускают, если запоминают названия без учёта знаков. Проверьте себя правилом: катионы — к катоду, анионы — к аноду.

Путать полюса электродов с названиями ионов тоже опасно. При электролизе катод отрицателен и на нём идёт восстановление, а анод положителен и на нём идёт окисление. Сначала определите знак электрода, затем запишите реакцию с электронами.

Нельзя полагать, что металл покрытия осаждается на аноде. Анод обычно растворяется, а покрываемое изделие является катодом, поскольку к нему движутся катионы металла. Проверка проста: место покрытия должно быть соединено с отрицательным полюсом.

Электролит не просто нагревается при прохождении тока. В нём перемещаются ионы и на электродах образуются новые вещества или газы. Если в объяснении нет химической реакции и переноса вещества, описание процесса неполно.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужны знания о строении атома и иона, электрическом токе в растворах и расплавах, а также о движении положительных и отрицательных ионов. Эти сведения объясняют, почему частицы направляются к разным электродам.

Тема связана с законом Фарадея, который позволяет рассчитывать массу осадка по заряду. Она также нужна при изучении химических источников тока и практических способов получения, очистки и защиты металлов.

Что запомнить

• При электролизе электрический ток вызывает химические превращения в электролите.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• При гальваностегии покрываемое изделие служит катодом.
• При гальванопластике металлическую копию отделяют от формы.
• Масса вещества, выделившегося при электролизе, связана с прошедшим зарядом законом Фарадея.