 |
Электролиз с растворимым анодом.
|
|
|
|
При электролизе на аноде могут происходить различные процессы в зависимости от того, состоит ли анод из металла, переходящего в раствор, или из инœертного материала. Для изготовления инœертных электродов чаще всœего используют Рt, реже Ir, Au или Та. Весьма инœертными являются угольные электроды.
Многие технологические методы основаны на непосредственном химическом участии анодов (помимо физического переноса электронов) в элекрохимическом процессе. Такие методы называются электролизом с растворимым анодом.
В качестве растворимых анодов бывают Сu, Ni, Cd, AI и другие металлы. При этом виде электролиза анод – металл окисляется (растворяется), образующиеся катионы металла перемещаются к катоду и на нем восстанавливается до металла. Т.о. металл растворимого анода осаждается на катоде.
Электролиз с растворимым анодом имеет важное техническое значение, к примеру он широко применяется для очистки металлов – электрорафинирования. При прохождении тока в электролизере идут следующие электродные полупроцессы.
Окисление на аноде Сu (черновая) – 2е → Сu2+
Восстановление на катоде Сu2+ + 2е → Сu (особо чистая)
2. Применение электролиза в технике.
Электролиз используется в технике в таких процессах, как гальванопластика, гальваностегия, электрохимическая обработка поверхностей, очистка от жировых пленок, оксидных слоев (травление). При этом используются катодные и анодные процессы.
Катодные процессы, идущие с выделением водорода используются для:
- обезжиривания в слабокислых или щелочных растворах (ионы водорода, проникая через слой масла, разряжаются на поверхности металла, и водород, собираясь в пузырьки, уносит с собой пленку масла);
|
|
|
- травления (ионы водорода, диффундируя через пленку оксида, разряжаются на металле и пленка оксида отделяется от металла). При этом водород частично диффундирует в металл и делает его хрупким. Поэтому применяют ингибиторы, которые собираясь на поверхности металла, предотвращают проникновение в него водорода.
- ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ – представляет собой нанесение путем электролиза на поверхность металлического изделия других металлов для защиты этого изделия от коррозии, для придания его поверхности твердости, а также в декоративных целях. Важнейшими гальваностегическими процессами являются хромирование, цинкование, никелирование и др.
- ГАЛЬНОПЛАСТИКА – процесс получения точных копий с рельефных рисунков электроосаждением металла. Получают матрицы для прессования различных изделий (пуговиц, граммофонных пластинок), матрицы для радиотехнических схем и др. На формы из алюминия наносят слой меди нужной толщины, а затем алюминий вытравливают кислотой или щелочью.
Анодные процессы
- травление металла до нужной толщины. Изделия делают анодом (+) и металл начинает растворяться со скоростью, определяемой плотностью тока. Если нужно провести не сплошное, а частичное, то на поверхность изделия наносят «маску» - обычно полимерный лак, на котором вырисовывают нужную форму, подлежащую травлению. Так можно вытравливать шкалы, надписи и др.
- электрополирование заменяет операцию доводки металлических поверхностей, которая особенно трудна при сложной конфигурации изделия и выполняется в ручную. Оставшиеся после обработки участки повышенной активности – выступы, шероховатости – подвергаются растворению, подобрав соответствующий электролит и плотность тока, можно сгладить даже микровыступы и довести поверхность до зеркального блеска.
- анодное оксидирование поверхности изделия для защиты от коррозии и в декоративных целях. Так, например алюминиевое изделие является анодом, коррозионно-стойкая сталь –катодом, электролитом – серная кислота. При протекании тока на катоде выделяется водород, а на аноде образуется очень прочная пленка оксида алюминия, которую пропитывают разными составами для улучшения внешнего вида.
|
|
|
18 Электролиз расплавов электролитов
Главное отличие этого типа электролиза от электролиза расплавов состоит в том, что в водных растворах электролитов (при электролизе в качестве электролитов значительно чаще используют соли, чем кислоты или основания) кроме катионов и анионов электролита (соли) всегда присутствуют молекулы воды, а также ионы Н+и ОН–, образующиеся в результате ее диссоциации, а в случае гидролиза соли — то и в результате гидролиза. Поэтому наряду с ионами растворенной соли в электродных реакциях могут принимать участие молекулы воды, ионы Н+или ОН–.
Продукты, выделяющиеся на электродах, зависят от природы ионов соли, находящегося в растворе, а также вида материала, из которого изготовлены электроды.
Рассмотрим отдельно катодные и анодные процессы.
Напомним, что в гальваническом элементе катодом называется положительный электрод, а анодом — отрицательный. При электролизе — наоборот. Но главное состоит в том, что и в гальваническом элементе и при электролизе на катоде идет восстановление, а на аноде — окисление. (— Почему это так, я спрошу у вас на предстоящем семинаре). А для себя объяснение этого вопроса в Гельфмане М.И. (на стр. 298–299).
Итак, катодные процессы при электролизе.
На катоде могут протекать три вида процессов:
1. Восстановление ионов металла: Меn++ne→Me
2. Восстановление молекул воды в нейтральных или щелочных растворах:
2Н2О + 2е → Н2+ 2ОН–ЕН2О/Н2 = –0,828 В.
3. Восстановление ионов водорода в кислотных растворах:
2Н++ 2е → Н2, ЕН+/Н2 = 0,000 В.
19 Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.
|
|
|
20. Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняя энергия и энтальпия.
Как известно, в соответствии с законом сохранения энергии возможен ряд преобразований энергии: химической энергии топлива в теплоту, теплоты в механическую энергию, механической – в электрическую, электрической вновь в механическую, и, наконец, механической – в теплоту. Но не все перечисленные преобразования равноценны друг другу: химическая, механическая, электрическая энергии могут целиком переходить в другие виды энергии (в том числе и в теплоту); теплота не в состоянии перейти полностью в другие виды энергии. - Почему?
Все виды энергии, кроме теплоты, являются энергиямиупорядоченного движения микрочастиц, составляющих тело, или упорядоченного движения самих тел. (Электрическая энергия – это упорядоченное движение электрических зарядов под действием электрического напряжения; механическая энергия – энергия простейшего движения, представляющего собой изменение с течением времени пространственного расположения тел).
Теплота представляет собой энергию беспорядочного движениямикрочастиц (молекул, атомов, электронов и т.д.) при переходе от одного тела к другому. Невозможность полного перехода теплоты в другие виды энергии объясняется невозможностью полной перестройки хаотического движения в упорядоченное.
Раздел химии, занимающийся изучением тепловых эффектов химических реакций, называется химической термодинамикой.
Слово термодинамика происходит от греческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движение). Дословно, наука о движении.
Химическая термодинамика – наука о взаимопревращениях теплоты и энергии в химических реакциях.
Химическая термодинамика изучает: 1) энергетические эффекты, сопровождающие химические реакции;
2) направление и пределы их самопроизвольного протекания.
Знание закономерностей химической термодинамики позволяет:
- предсказать, возможно, ли в принципе химическое взаимодействие между данными веществами при определенных условиях;
|
|
|
- предсказать, до какой степени может протекать реакция прежде, чем установится химическое равновесие при данных условиях;
- выбрать оптимальные условия проведения процесса, обеспечивающие получение максимального выхода нужного продукта;
- рассчитать количество энергии, которое выделится при проведении реакции или необходимо затратить для ее осуществления.
Итак, знание законов химической термодинамики позволяет решать, не прибегая к эксперименту, многие задачи производственной и научно-исследовательской работы.
Химическая термодинамика основана на трех законах (трех началах), особенность которых состоит в том, что они не могут быть выведены, а являются результатом обобщения многовекового человеческого опыта. Правильность этих законов подтверждается тем, что не существует фактов, которые бы противоречили этим законам.
21.Понятие о растворах. Классификация растворов. Физическая и химическая теория растворов.
Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.
Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества.. Но не всегда обязательно вода является растворителем. Например, можно получить раствор воды в серной кислоте. Здесь растворителем будет кислота. Можно приготовить и растворы кислоты в воде. Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом. Обычно компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора – растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.
Растворы не отстаиваются и сохранятся все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул. Молекулы могут опять собраться в кристаллы только тогда, когда мы выпарим воду. Таким образом, растворы – это молекулярные смеси.
Существуют растворы не только жидкие, но и газовые и даже твердые. Например, воздух – раствор кислорода и еще нескольких газов в азоте. Сплавы металлов представляют собой твердые растворы металлов друг в друге. Газы, как мы уже знаем, способны растворяться в воде.
Размеры частиц в истинных растворах - менее 10-9 м (порядка размеров молекул). По концентрации растворы делятся на:
|
|
|
- Ненасыщенные
- Насыщенные
- Перенасыщенные
Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем внасыщенном. Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.
Классификация растворов по содержанию растворенного вещества:
1. Разбавленный раствор - это раствор в котором содержание растворенного вещества больше чем 30%.
2. Концентрированный раствор - это раствор в котором содержание растворенного вещества менше чем 30%
Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества (так, растворение бесцветного сульфата меди СuSО4 в воде приводит к образованию окрашенного раствора, из которого выделяется не СuSО4, а голубойкристаллогидрат СuSО4·5Н2О).
22 Окислительно-восстановительные реакции –это встречно-параллельныехимические реакции, протекающие с изменениемстепеней окисленияатомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем.
|
|
|
