§ 3.6. Техническое применение электролиза

Определения и обозначения

Гальваностегия — нанесение тонкого слоя одного металла на поверхность другого с помощью электролиза. Покрываемая деталь служит катодом, поэтому на ней осаждаются атомы металла. Такой процесс нужен для защиты от коррозии, улучшения внешнего вида или придания поверхности нужных свойств.

Гальванопластика — получение металлических копий рельефных предметов электролитическим осаждением металла. Сначала создают форму, проводящую ток, а затем на ней наращивают слой металла. В отличие от покрытия, полученная копия может быть отделена от формы и использоваться самостоятельно.

Электролитическое рафинирование — очистка металла при его анодном растворении и осаждении чистого металла на катоде. Анод делают из неочищенного металла, а примеси отделяются от основного продукта. Метод позволяет получать металлы высокой чистоты, например медь.

Электрометаллургия — получение металлов из руд, расплавов или растворов с использованием электролиза. Электрическая энергия заставляет ионы металла принять электроны и превратиться в простое вещество. Так получают, в частности, алюминий и другие активные металлы.

Как это устроено

Состав электролита выбирают так, чтобы в нём присутствовали ионы нужного металла, а материал электродов обеспечивал требуемые реакции. На катоде катионы принимают электроны: Mᶻ⁺ + zе⁻ → M, поэтому металл осаждается именно там. Если в растворе есть конкурирующие ионы или вода легче восстанавливается, продукт может оказаться другим, поэтому условия процесса подбирают заранее.

При гальваностегии деталь соединяют с отрицательным полюсом источника тока, то есть делают катодом. Анод часто изготовляют из металла покрытия: он окисляется, переходит в раствор в виде ионов и поддерживает их концентрацию. Ионы движутся к катоду, принимают электроны и образуют равномерный защитный или декоративный слой на поверхности детали.

При рафинировании анод состоит из загрязнённого металла, который постепенно растворяется. Ионы основного металла проходят через электролит и восстанавливаются на катоде, поскольку для них создают подходящие условия. Нерастворимые примеси оседают на дне в виде анодного шлама, а растворимые остаются в электролите или удаляются при его очистке.

Активные металлы нельзя эффективно выделить из водных растворов простым восстановлением: вместо их катионов часто восстанавливаются молекулы воды. Поэтому используют электролиз расплавов солей или оксидов, где отсутствует вода и на катоде разряжаются именно ионы металла. Производительность установки связана с зарядом Q = It, а масса продукта определяется формулой m = MIt/(zF); чем больше ток и время, тем больше осадок.

Основные технические применения электролиза

В таблице сначала определите цель процесса, затем сравните реакции на электродах. Ключевой признак большинства процессов — восстановление ионов металла на катоде, но состав электролита и анода зависит от конкретной технологии.

Разбор задач

Задача 1

Условие: через раствор соли двухвалентного металла пропускают ток 2,0 А в течение 30 мин. Молярная масса металла равна 64 г/моль. Найти массу осадка.

1. Переведём время: t = 30 · 60 = 1800 с.
2. Найдём заряд: Q = It = 2,0 · 1800 = 3600 Кл.
3. Для двухвалентного иона z = 2, поэтому m = MQ/(zF) = 64 · 3600/(2 · 96500) г.
4. Получаем m ≈ 1,19 г. Валентность учтена, потому что для восстановления одного иона требуется два электрона.

Ответ: 1,19 г.

Задача 2

Условие: при никелировании масса детали увеличилась на 5,9 г. Никель двухвалентен, M = 59 г/моль. Определить прошедший заряд.

1. Используем закон Фарадея и выразим заряд: Q = mzF/M.
2. Подставим данные: Q = 5,9 · 2 · 96500/59 Кл.
3. Так как 5,9/59 = 0,1, получаем Q = 19 300 Кл.
4. Единица результата — кулон, поскольку заряд равен произведению силы тока на время.

Ответ: 1,93 · 10⁴ Кл.

Задача 3

Условие: алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия при токе 10 кА в течение 2 ч. Найти теоретическую массу и массу при выходе по току 85%; M(Al) = 27 г/моль, z = 3.

1. Переведём величины: I = 10 000 А, t = 7200 с.
2. Теоретическая масса mₜ = MIt/(zF) = 27 · 10 000 · 7200/(3 · 96500) г ≈ 6715 г = 6,72 кг.
3. Фактическая масса при выходе η = 0,85: m = ηmₜ = 0,85 · 6,72 ≈ 5,71 кг.
4. Разница возникает из-за побочных реакций, потерь и неполного использования тока на восстановление алюминия.

Ответ: теоретически 6,72 кг, практически 5,71 кг.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что металл осаждается на аноде. Её допускают, путая знак электрода с направлением движения ионов. Проверьте себя: восстановление ионов идёт на катоде, а окисление вещества — на аноде.

Гальваностегию иногда смешивают с гальванопластикой, потому что в обоих случаях металл осаждается электролизом. Но первая изменяет поверхность готовой детали, а вторая создаёт отделяемую копию. Спросите себя, остаётся ли покрытие частью изделия или становится самостоятельной деталью.

Нельзя подставлять молярную массу в закон Фарадея без учёта валентности. Ион Mᶻ⁺ принимает z электронов, поэтому в знаменателе стоит zF. Перед вычислением запишите заряд иона и проверьте, сколько электронов нужно для его восстановления.

Теоретическую массу осадка не следует считать гарантированным результатом. В установке возможны побочные реакции и потери, поэтому учитывают выход по току η. Если он указан, умножьте расчётную массу на η, выраженное десятичной дробью.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны строение электролитов, электролитическая диссоциация, движение ионов, процессы на катоде и аноде, а также законы Фарадея. Связь с химией проявляется в окислительно-восстановительных реакциях, ряде напряжений металлов и свойствах растворов солей. Позже эти знания пригодятся при изучении очистки и производства металлов, защиты от коррозии, аккумуляторов и промышленной электрохимии.

Что запомнить

• При электролизе металл обычно осаждается на катоде.
• Гальваностегия служит для нанесения металлических покрытий.
• Гальванопластика позволяет получать металлические копии рельефных предметов.
• При рафинировании чистый металл переносится с анода на катод, а примеси отделяются.
• Активные металлы получают электролизом расплавов или специальных растворов.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна электрическому заряду.
• Практическая масса продукта может быть меньше теоретической из-за побочных процессов и неполного выхода по току.