Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита

	Загрузить архив:
	Файл: ref-23534.zip (73kb [zip], Скачиваний: 144) скачать

Министерство образования РФ
Средняя общеобразовательная школа № 35

                            

Муниципальное образовательное учреждение

Г. Нижнего Новгорода

Реферат:

Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита.

                        

                                     Работу выполнил:

                                          Ученик 11 “Б” класса

                                                         Кульпанов Андрей Иванович.

                                              Научный руководитель:

                                         Икренникова Галина

                                                                     Владимировна.     

                                       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 выделившегосявещества. Установить эту зависимость стало возможным после того, как Фарадей создал прибор для измеренияпроходящего 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 егопомощью 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. ЗАКОНЫФАРАДЕЯ.

       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 анодапри электро­лизе образуются нерастворимые соединения, которые пассивируют анод и делают его инертным  (образование окислых пленок на нержавеющихсталях,   хроме, никеле, атакже пленкиизхлористого серебра на серебрепри  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.

Если одна из формокислителя – восстановителянаходиться в газообразном состоянии, то электроды называют газовыми: водородный, кислородный, хлорный.

Во всех случаях электродный потенциал будет тем отрицательнее, чем легче вещества окисляются, и тем положительнее, чем легче они восстанавливаются. Таким образом, электродный потенциал служит мерой окислительно-восстановительной способности веществ.

В связи с тем, что потенциал электрода зависит еще от температуры и от концентрации окислителя-восстановителя в растворе, было введено понятие о стандартных электродных потенциалах (о потенциалах, измеренных при равных условиях). Это позволяет сравнивать окислительно-восстановительную способность различных веществ. Стандартные потенциалы измерены при температуре 25⁰ С в растворах, содержащих         1 г-ион (в случае неэлектролитов по одному молю) и 1000 г. воды окисленной и восстановленной форм веществ, принимающих участие в электродной реакции. Если одна из форм вещества является газом, то раствор насыщают им под давлением 1 атм.

Так, например, стандартный редокс-потенциал электрохимической реакции Fe³⁺ -e < > Fe²⁺ равен потенциалу платиновой пластинки при 25⁰ С в растворе, содержащем по одному г-иону ионов Fe³⁺ и Fe^2+в 1000 г. воды. Стандартный потенциал медного электрода равен потенциалу медной пластинки в растворе ионов Cu²⁺ на 1000 г. воды.

     Зависимость потенциала электродной реакции

                 Ox + pA + ne « Red + mB

От температуры и концентрации, участвующих в ней веществ выражается формулой Нернста:

         ф =ф⁰ + (R*T/n*F)* ln([0х]*[A]^p/[Red]*[B]^m)

где   ф⁰- стандартный электродный потенциал, в;

R – универсальная газовая постоянная Менделеева – Клапейрона, равная

        8,314 Дж;

T – абсолютная температура, К;

F – число Фарадея, к;

n– число электронов, участвующих в электродной реакции;

ln – натуральный логарифм (ln х = 2,303 lgx);

[0х] и [Red] — начальные концентрации окислительной и

             соответственно восстановительной формы вещества, для

             которых рассчитывается окислительно-восстановительный

потенциал;

[A] и [B] – начальные концентрации других веществ, участвующих

                   в электродной реакции (обычно вода, ионы Н⁺ или ОН^-);

m и p – стехиометрические коэффициенты в уравнении электродной

             реакции.

      По уравнению электродной реакции легко рассчитать окислительный потенциал системы.

Пример 1.

      Рассчитать окислительный потенциал электродной реакции

PbO₂ + 4H+ +SO₄^2- +2e « PbSO₄ 2H₂O

     Если концентрация ионов водорода в растворе серной кислоты равна

3 г-иона/л при 25⁰С.

Решение.

     Найдем  в таблице стандартных электродных потенциалов значениеф⁰ для электродной реакции.

ф⁰ = PbO₂,   H⁺/PbSO₄ = 1,685 в,

ф PbO₂

    

H⁺/PbSO₄ = ф⁰ + (2,303*8,314/2*96491,4) lg ([PbO₂]*[H⁺]₄/[PbSO₄]*[H₂O]²) =

ф⁰(0,0591/2)*lg[H⁺]₄ = 1.685 + 0.0295*lg3⁴ = 1.713 (в).

Двуокись свинца и сернокислый свинец – твердые вещества, концентрация их принимается равной единице. Количество воды в растворе велико по сравнению с тем, которое образуется в рассматриваемой реакции, а поэтому ее концентрация в расчет не принимается.

  

Пример 2.

Рассчитать значение потенциала меди, находящегося в растворе, содержащем 0,1 г-ион/л катионов Cu²⁺ при температуре 25⁰ С.

    

Решение.

    ф Cu²⁺/ Cu = 0,34+(0,0591/2)*lg (0.1/1) =0.31(в).

Стандартные электродные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем при 25⁰ С

№	Окисленная форма	Восстановленная форма	Уравнение реакции	В
1.	Li+	Li	Li+ + 1ē↔Li	-3,05
2.	K+	K	K+ + 1ē↔K	-2,92
3.	Ba2+	Ba	Ba2+ + 2ē ↔Ba	-2,90
4.	Ca2+	Ca	Ca2+ + 2ē ↔Ca	-2,87
5.	Na+	Na	Na+ + 1ē↔Na	-2,71
6.	Mg2+	Mg	Mg2+ + 2ē↔Mg	-2,36
7.	Al3+	Al	Al3+ + 3ē↔Al	-1,66
8.	Mn2+	Mn	Mn2+ + 2ē↔Mn	-1,05
9.	SO32-	S	SO32- + 4ē + 3H2O ↔ S + 6OH-	-0,90
10.	SO42-	SO32-	SO42- + 2ē + H2O ↔ SO32-+ 2OH-	-0,90
11.	NO3-	NO2	NO3- + ē + H2O ↔ NO2 + 2OH-	-0,85
12.	H2O	H2	H2O + 2ē↔ H2 + 2OH-	-0,83
13.	Zn2+	Zn	Zn2+ + 2ē ↔Zn	-0,76
14.	Cr3+	Cr	Cr3+ + 3ē↔Cr	-0,74
15.	Fe2+	Fe	Fe2+ + 2ē↔Fe	-0,44
16.	Ni2+	Ni	Ni2+ + 2ē↔Ni	-0,25
17.	Sn2+	Sn	Sn2+ + 2ē↔Sn	-0,14
18.	Pb2+	Pb	Pb2+ + 2ē↔Pb	-0,13
19.	2H+	H2	2H+ + 2ē↔H2	0,00
20.	Cu2+	Cu	Cu2+ + 2ē↔Cu	0,34
21.	Ag+	Ag	Ag+ + 1ē↔Ag	0,80
22.	NO3-	NO2	NO3- + ē + 2H+↔ NO2 + H2O	0,81
23.	Br2	2Br-	Br2 + 2ē↔2Br-	1,07
24.	O2	H2O	O2 + 4ē + 4H+↔2H2O	1,23
25.	Cl2	2Cl-	Cl2 + 2ē↔2Cl-	1,36
26.	Au3+	Au	Au3+ + 3ē↔Au	1,50
27.	F2	2F-	F2 + 2ē↔2F-	2,87

                                                                                                             Таблица 1.

5. Напряжение разложения электролита.

При наложении на электроды внешнего тока равновесие электродных реакций [Ох]+nе< > [Red] нарушается. На электроде, присоединенном к отрицательному полюсу источ­ника тока, оно сместится вправо, а потенциал — до значе­ния, при котором скорость реакции восстановления окисли­теля будет превосходить скорость обратной реакции на вели­чину внешнего тока. На электроде, присоединенном к поло­жительному полюсу источника тока, будут происходить ана­логичные электродные процессы, но противоположно направ­ленные. В результате смещения потенциалов в электролизере возникает э. д. с, равная напряжению, приложенному извне, и противоположная по направлению. Однако, как по­казывает опыт, ток заметной величины начинает проходить через электролитическую ячейку лишь при достижении напряжения на электролизере до определенной величины. Зависимость силы тока от приложенного напряжения при         электролизе показана на графике (рис. 2). На кривой виден излом. Продолжение прямого участка кривой до пересечения с ось абсцисс отсекает на ней отрезок, равный минимальному напряжению, необходимому для разложения электролита инертных электродах, при котором происходит электролиз с заметной скоростью. Это минимальное напряжение называют напряжением (э.д.с.) разложения электролита.

       Равновесные потенциалы электродных реакций, протекающих при электролизе, рассчитывают по формуле Нернста. Для этого в таблице стандартных электродных потенциалов находят значения потенциалов реакций, подставляют в формулу концентрации веществ, участвующих в электродных реакциях и решают уравнение с одним неизвестным. Разность найденных по формуле Нернста равновесных потенциалов катода и анода равна э. д. с, при которой скорости прямых и обратных реакций на электродах равны. Следовательно, при найденном значении э. д. с. ток в цепи равен нулю. Электролиз будет протекать лишь при напряжении, превосходящем разность равновесных потенциалов электродных реакций. Только при таком условии возможно прохождение тока. Например, при электролизе воды катод можно рассматривать как водородный, а анод как кислородный электроды. Э. д. с. такой пары электродов при отсутствии тока в цепи и рН—7 равна 1,23 в.

    Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения при электролизе.     

         При получении кислорода и водорода электролизом, раствора серной кислоты на платиновых электродах требуется напряжение на 0,5 в большее, чем 1,23 в, а именно не менее 1,7 в. Эта часть напряжения необходима для преодоления сопротивления протеканию тока, связанного с перенапряжением (затруднением) электрохимических реакций, и сопротивления электролита.

                                   V=ф_а - ф_к +n_a +n_k + ф_раств

Где V – напряжение на электродах ванны;

фа и фк – потенциалы катода и анода, рассчитанные по формуле Нернста,

                 с учетом изменения концентрации веществ при электролизе;

ф_раств – падение напряжения на сопротивлении раствора

n_a и n_k – перенапряжение анодной и катодной реакций.

    При этом часть электродной энергии превращается в химическую, а часть – в тепловую.

                       

                 A = n*F*v = n*F*(ф_а- ф_к +n_a +n_k + ф_раств ) = A_n + A_h + A_раств

Где    n*F – число Фарадеев электричества, необходимое для восстановления

                     на катоде и окисления на аноде 1 моля вещества.

A_n-   Полезная работа (A_n  = n*F*(ф_а - ф_к));

A_раств- теплота освобождающаяся на сопротивление электролита

   (А_раств = n*F*ф_раств);

A_h- теплота освобождающаяся на сопротивление перенапряжения

   (А_п = n*F*(n_a +n_k));

       Из этих уравнений следует, что перенапряжение электродных реакций и сопротивление раствора снижают к. п. д. электролитической ванны.

Напряжение разложения электролита равно разности меж­ду напряжением, подаваемым на ванну, и падением напря­жения на сопротивлении раствора. Оно складывается из равновесных электродных потенциалов и соответствующих перенапряжений катодной и анодной реакций:

                    E_p = v - ф_раств = ф_а - ф_к +n_a +n_k

Напряжение   разложения зависиткак от  природыэлектролита, так и от природы электродов.

6. Поляризация электродов.

При электролизе потенциалы электродов смещаются в противоположные стороны до значений, при которых становится возможным протекание катодной и анодной реакций. Это явление носит название поляризации. Электроды при электролизе поляризуются в следствии следующих причин:

1)изменения химической природы поверхности электродов при накоплении на них продуктов электролиза (химическая поляризация);

2)замедленности стадии разряда (ионизации) участвующих в реакции веществ при последующих неэлектрохимических стадий (перенапряжение);

3)медленного подвода (отвода) к электроду веществ, участвующих в электродном процессе, по сравнению со скоростью самой реакции (концентрационная или диффузионная поляризация).

      Химическая поляризация электродов наблюдается в тех случаях, когда на них адсорбируют или отлагаются продукты окисления-восстановления. Так, например, на платиновом катоде при электролизе воды адсорбируется водород и катод из платинового как бы превращается в водородный, для которого характерна электродная реакция 2Н⁺ + 2е « Н₂ и соответствующее значение потенциала. При выделении хлора на платиновом электроде платиновый электрод превращается в хлорный. Точно так же при гальваническом покрытии меди никелем медный электрод превращается в никелевый, и потенциал смещается в отрицательную сторону до значения, соответствующего никелевому электроду.

      В ряде случаев прохождению электрического тока препятствует замедленность перехода электронов с катода на восстанавливающиеся частицы или с частиц восстановителя на анод. Для того чтобы электролиз протекал с достаточно высокой скоростью, потенциал катода должен быть смещенот равновесного значения в отрицательную сторону, а потенциал анода соответственно в положительную. Затрудненной может оказаться и какая – либо другая стадия электродной реакции, например десорбция газообразных продуктов электролиза, образование новой фазы на поверхности электрода (кристаллов металла или пузырьков газа), соединение атомов в молекулы, адсорбция разряжающихся ионов и.т.д.

       Перенапряжение электродных реакций можно вычислить по разности между напряжением разложения и э.д.с. химической поляризации:

                                       n_a + n_k = Е_р - ф_а + ф_к

      Оно зависитот плотности тока, проходящего через электроды, и эта зависимость выражается уравнением Тафеля:

                                         n_k = a + b * lg i_k

                                               n_a = a^, + b^, * lg i_a

     где   i_a и i_k – плотность тока на аноде и соответственно на катоде, а/ см²

              a(a’)и b(b’) – константы.

При повышении температуры на 1⁰ С перенапряжение уменьшается на

2-3 мв. Оно также зависит от природы вещества, из которого изготовлен электрод. Например, при выделении водорода из соляной кислоты на катоде из платины при плотности тока 1 А/см²   требуется напряжение всего 0,1 в, в то время как на катоде из свинца – 1,5 в, а из ртути – 1,4 в.

Перенапряжение выделения водорода и кислорода на некоторых электродахпри 20⁰ С.

Электроды	Перенапряжение, в
водорода	кислорода
ik = 1 А/см2	ik = 1мА/см2	iа = 1мА/см2
Платина гладкая	0,1	0,02	0,7
Никель	0,64	0,34	1,09
Железо	0,7	0,33	1,07
Серебро	0,95	0,4	0,97
Медь	0,8	0,455	1,05
Олово	1,24	0,86	1,21
Цинк	1,24	0,89	1,75
Кадмий	1,4	1,04	¾
Ртуть	1,406	1,06	1,62
Свинец	1,56	1,23	1,44
Графит	¾	0,6	1,17

                                                                                                      Таблица 2.

       Таким образом, при выборе электродов кроме окислительно-восстановительного потенциала системы, необходимо учитывать и перенапряжение реакций. Так, высокое перенапряжение разряда ионов водорода на цинке делает возможным восстановление ионов цинка из водного раствора, несмотря на то, что равновесный потенциал цинкового электрода более отрицателен, чем водородного.

     Пользуясь формулой Нернста, можно найти, что потенциал водородного электрода находится в линейной зависимости от рН раствора.

В тех случаях, когда перенапряжение электродной реакции невелико (что характерно для реакций восстановления многих металлов), скорость электролиза (сила тока) определяется диффузией, миграцией ионов в электрическом поле и перемешиванием раствора. Так как частицы, принимающие участие в реакциях, при достижении электрода мгновенно разряжаются, то их концентрация на поверхности электрода практически равна нулю. Из формулы же Нернста следует, что уменьшение концентрации окислителя приводит к смещению потенциала электрода в отрицательную сторону, а восстановителя в положительную. Если скорость электролиза ограничивается  концентрационной поляризацией, то при увеличении напряжения быстро достигается предельное значение силы тока и ускорить электрохимическую реакцию повышением напряжения уже не удается. Дальнейшее повышение напряжения делает возможным протекание других электродных реакций, например разложение воды с выделением водорода и кислорода.

       Концентрационная поляризация увеличивает напряжение в ванне. Ее можно уменьшить перемешиванием раствора. Однако перемешивание раствора  по условиям электролиза часто неприменимо.

   7. Падение напряжения на электролите.

Переносчиком электричества в растворе являются ионы. При проведении электролиза приходится учитывать сопротивление раствора, так как на нем падает часть напряжения, и расход энергии возрастает.

                                           I = V/r

а для электролитов

                                           I = V- Е_р /r

где I — сила тока;

      V— напряжение;

      r - сопротивление;

      Е_р — напряжение разложения.

Из закона Ома следует, что при постоянной силе тока требуется тем большее напряжение, чем выше напряжений разложения раствора. Сопротивление раствора при увеличении концентрации электролита снижается до минимальной величины, а при больших концентрациях снова возрастает. Оно связано с подвижностью ионовв растворе. Под­вижность ионов зависит от их радиуса, заряда и вязкости среды (табл. 3).

    В таблице 4 приведены значения удельного сопротивления (q) для некоторых растворов.

   Удельное сопротивление электролита легко снизить, если повышать концентрацию раствора. Часто для повышения электропроводностив раствор вводят вещество, хорошо диссоциировонное на ионы, но не способное восстанавливаться и окисляться из водных растворов, например, сернокислый натрий.

      При длительном электролизе в определенных условиях может наблюдаться эффект разделения зарядов.

Если через загущенный агар-агаром раствор хлорной меди пропускать длительное время постоянный ток, то катодное пространство объединится анионами, а анодное – катионами. В результате катодное пространство зарядится положительно, а анодное – отрицательно. Возникает э.д.с. противоположно направленная напряжению, приложенному к ванне. Далее может наступить момент полного разделения зарядов в растворе, а между анионами и катионами возникает “запорный слой” из чистой воды с большим сопротивлением. Электролиз при этом прекратится, а электролизер уподобится конденсатору. Движение ионов можно видеть только, когда катионы и анионы окрашены.

Удельное сопротивление растворов некоторых электролитов при 18⁰ С.

Электролит	Концентрация (в процентах)	Удельное Сопротивление
Соляная кислота	10	1,58
Серная кислота	10	2,55
Азотная кислота	12,4	1,84
Едкое кали	8,4	3,67
Едкий натр	10	3,23
сернокислая медь	10	31,25
Хлористый калий	10	7,38
Сернокислый калий	10	11,62
Уксуснокислый калий	9,33	16
	Таблица 4.

  

                 При напряжении, достигающем напряжение разложения воды, электролизу подвергается и вода. В этом случае также происходит разделение зарядов в ванне с загущенным электролитом. Катодное пространство при длительном электролизе зарядится отрицательно, а анодное – положительно.

8. Кулонометрия.

      По количеству выделившегося при электролизе вещества можно установить суммарное количество электричества. И наоборот, по количеству протекшего электричества представляется возможным определить содержание веществ в растворе, толщину гальванических покрытий, окислых пленок и др. Если принять во внимание, что потенциалы большинства электродных реакций известны, то по величине потенциала, при котором протекает та или иная реакция, определяют также, какие вещества содержатся в растворе (качественный анализ). Из электрохимических методов анализа в настоящее время применяют полярографию, потенциометрию и кулонометрию.

     Метод количественного анализа, основанный на законе Фарадея, называется кулонометрией.

Кулонометры.

      Приборы, применяемые для измерения количества электричества, называют кулонометрами. Широко применяются весовые (серебряный, медный) и объемные (ртутный, газовый) кулонометры. В серебряном кулонометре (рис. 3) анод делают из платины или серебра. Диафрагмой служит пористый сосуд, препятствующий попаданию кислорода на катод. В кулонометр наливают слегка подкисленный раствор азотнокислого серебра. Процесс ведут при катодной плотности тока, не превышающей 0,02 А/см², и анодной плотности тока не более 0,2 А/см². По увеличению веса катода определяют количество восстановившегося серебра и рассчитывают количество электричества, прошедшего через раствор. Серебряный кулонометр наиболее точный. Ошибка составляет не более 0,005 процента.

                                                              

   

Рис. 3 Весовой кулонометр.

1 – пористый сосуд. 2 – катод.

3 – анод.

       

В медном кулонометре катод и анод изготавливают из меди. Раствор содержит 50 г/л серной кислоты (уд. в. 1,84), 150 г/л медного купороса и 50 г/л сахара. Сахар необходим для предотвращения реакции,                            происходящей в электролите:

                                               Сu⁺®Cu²⁺ +Cu¯

Процесс ведут при плотности тока в электродах 0,002 – 0,02 А/см². Медный кулонометр не обеспечивает высокой точности (ошибка ~0,2 процента), так как в электродах образуются ионы Cu⁺ и на катоде восстанавливается кислород, попадающий в раствор из воздуха.

        В ртутном кулонометре анодом служит ртуть, катодом – графит, электролитом – раствор, содержащий 225 г/л йодистой ртути и750 г/л йодистого калия. При электролизе металл анода окисляется и переходит в раствор в виде ионов Hg²⁺. На катоде происходит их восстановление и накапливается металлическая ртуть, которая стекает в градуированную         (в кулонах) трубку. Ртутный кулонометр дает большую ошибку (около 1 процента), но удобен при измерении больших количеств вещества и позволяет работать с большими плотностями тока (I < 0.1 А/см²).

      В газовом кулонометреэлектродами служат никелевые пластинки. Электровводы, проходящие через стеклянную стенку кулонометра внутрь ячейки, делают из молибденовой проволоки, которая хорошо впаивается в стекло. Электролитом служит 15-процентный раствор сернокислого натрия или 20-процентный раствор едкого натра. Электролиз ведут при катодной плотности тока не выше 0,04А/см². Количество электричества рассчитывают по объёму водорода и кислорода в эвдиометре. Подставив значение g из уравнения Менделеева – Клапейрона в уравнение

g=N*э = (э*I*t)/F, получим

                      

                      Q = I*t = (g*F)/э = (P*v*M)/R*T * (F/э) * 2/3 =

                               = 2.064074*(P –P_H2O)*v/T  (k)

     В этом уравнении расчет ведется на водород. Поэтому в уравнении введен коэффициент 2/3, так как водород составляет 2/3 от объёма газовой смеси.

      По количеству электричества, пошедшего через кулонометр (Q_k), включенного последовательно в цепь с электролизёром, можно определить выход по току (g), если известно количество вещества (g), выделившегося на катоде или аноде электролизера. Для этого из уравненияg=N*э = (э*I*t)/Fрассчитывают количество электричества, пошедшего на данную электродную реакцию (Q_э).

                                            Q_э = g*F/э.

И далее находят выход по току в процентах:

                                           g = Q_э / Q_k*100%

   С помощью кулонометра по количеству электричества, которое необходимо для полного выделения вещества, для электродной реакции

                                             Ох + ne®Red

или

                                              Red - ne®Ox,

Можно определить концентрацию этого вещества в растворе (если    известна n) или величину n (если известна концентрация).

       При проведении кулонометрического анализа побочные электродные реакции в электролизёре, снижающие выход по току, должны быть исключены.

      Так как окислительно-восстановительные потенциалы для большинства веществ известны, то побочных реакций можно избежать, если процесс вести при строго определенном потенциале, при котором другие вещества ещё не выделяются. Непременным условием аналитического определения является обнаружение конца реакции. Если реакция ведется при постоянном потенциале, то на её завершение указывает падение силы тока в цепи до нуля.

                        А                                                                                       Б

                                      рис. 4 Графики зависимости силы тока и потенциала от времени:

а – изменение силы тока при постоянном потенциале.

б – изменение потенциала при постоянной силе тока.

     Однако для достижения полного выделения вещества требуется много времени, так как сила тока во времени уменьшается плавно (рис. 4-а).

       При постоянной силе тока на завершение реакции указывает резкое изменение потенциала, например при анодном растворении цинкового покрытия с железного изделия (рис. 4-б).   

     9. Кулонометрический анализ при постоянном потенциале.

      Схема электрической цепи для кулонометрического анализа при постоянном потенциале приведена на рисунке 5. Для поддержания потенциала электрода необходимо чтобы сила тока проходящего через сопротивление r₁и r₂была в 10 – 100 раз больше, чем в боковой цепи. Этого можно достигнуть, если сопротивление r1 будет в 10 – 100 раз меньше суммарного сопротивления в боковой цепи, что устанавливается в каждом случае опытным путем.

     В качестве источника постоянного тока можно взять батарею аккумуляторов на 12 в или селеновые выпрямители, чтобы ёмкость источника тока была большой. Зарядный потенциал поддерживается с помощью сопротивлений R1 и R2 и контролируется потенциометром. Лучше пользоваться показывающим потенциометром ЛПУ – 01. Можно пользоваться также и другими потенциометрами с высокоомным входом. Электродом сравнения может служить насыщенный каломельный электрод f_калом = 0,243 в. В тех случаях, когда перенос продуктов анодной реакции на катод или продуктов катодной реакции на анод снижает выход по току и недопустим, электрод, по которому не ведут расчет, помещают в пористый сосуд или стеклянную трубку, со стеклянным фильтром, заполненным растворами сернокислого натрия, азотнокислого калия или серной кислоты.

Влияние кислорода по катодному току исключают барбатированием водорода, азота или инертного газа. Мешалка необходима для выравнивания концентрации вещества в полном объеме. Тип кулонометра, включаемого в измерительную цепь, определяется допустимой погрешностью измерений.

     рис. 5 Схема электрической цепи для кулонометрического анализа

                                                                        при постоянном потенциале.

П – потенциометр

1 – электрод сравнения                                                  5 - миллиамперметр

2 – мешалка                                                                       R1 и R2 – переменные                      

3 – электроды                                                                       сопротивления

4 - кулонометр

Работа сводится к наложению на электрод потенциала (при котором возможна лишь одна реакция), к его поддержанию на заданном уровне,          к установлению конца реакции и к определению количества протекшего электричества. Так как для достижения 100-процентного выделения вещества из раствора требуется много времени, то электролиз прекращают, когда сила тока уменьшится в 100 – 500 раз. Процесс заканчивается тем быстрее, чем больше площадь электрода, на котором происходит разряд вещества, и чем меньше объём электролита.

     Катодное восстановление веществ с аналитической целью часто проводят на ртути. В этом случае перенапряжение водорода так высоко, что оно не мешает определению.

  

                                            10. Заключение.

       Теоретическое значение открытых закономерностей было очень велико. Они подтвердили атомистическую природу электричества. Законы, установленные Фарадеем, дали возможность применять процессы электролиза па практике и позволили делать количественные расчеты. Оказалось, что законы Фарадея в полной мере применимы к электродным процессам, происходящим в гальванических элементах при их работе.  

Список литературы:

                                                

Содержание.

1) Введение.                                                                                              2

2) Теоретические основы электролиза. Законы Фарадея.                    3

3) Электроды.                                                                                            6

4) Электродные потенциалы.                                                                   7

5) Напряжение разложения электролита.                                              11

6) Поляризация электродов.                                                                    13

7) Падение напряжения на электролите.                                                16

8) Кулонометрия и кулонометры.                                                           17

9) Кулонометрический анализ при постоянном потенциале.               20

    10) Заключение.                                                                                           22

    11) Список литературы.                                                                              23