Основні теоретичні відомості. Розклад речовини під дією електричного струму називається електролізом

Розклад речовини під дією електричного струму називається електролізом.

При електролізі на від’ємному електроді (катоді) перебігає розряд катіонів, на додатному (аноді) – розряд аніонів або окислення матеріалу анода. Якщо в розчині є декілька видів іонів, то на катоді в першу чергу перебігає процес, який характеризується більшим значенням електродного потенціалу, а на аноді – меншим значенням.

За першим законом Фарадея кількість речовини, що перетворюється при електролізі, прямо пропорційна кількості електрики, яку пропущено через розчин.

За другим законом Фарадея внаслідок проходження однакової кількості електрики через різні електролітні системи маси речовин, що перетворюються на електродах, пропорційні їх хімічним еквівалентам. Із другого закону Фарадея випливає, що для перетворення одного моль- еквівалента будь-якої речовини необхідна однакова кількість електрики, яка називається сталою Фарадея (F): 1 F = 96500 Кл (А·с) = 26,8 А·год.

За законами Фарадея масу речовини, що перетворюється при електролізі на катоді або аноді, розраховують за рівнянням:

,

(14.1)

де Q – кількість електрики, пропущеної через розчин, Кл або А·год.; I – сила струму, А; τ – тривалість електролізу, с або год.; М_екв. – хімічний еквівалент речовини (маса 1 моль-еквіваленту, г). Хімічний еквівалент речовини залежить від того, який електрохімічний процес перебігає на катоді або аноді. Для визначення цієї величини потрібно записати електродну реакцію і поділити молярну масу речовини, що перетворюється, на кількість електронів, які беруть участь в електродному процесі (М_екв. = ).

Швидкість електролізу залежить від густини електричного струму, яка визначається за формулою:

,

(14.2)

де I – сила струму, А або мА; S – площа електрода, м ² (см ²).

Побічні процеси при електролізі можуть призвести до зниження виходу основного продукту. Відношення кількості практично одержаного продукту до теоретично можливої, розрахованої за законами Фарадея, називається виходом за струмом (В_С) і визначається у відсотках:

% або %.

(14.3)

Вихід за струмом є важливою характеристикою процесу електролізу.

При електролізі водного розчину CuSO ₄ з мідними електродами накатоді буде виділятися мідь:

(−) Cu²⁺ + 2 → Cu⁰,

а анод розчинятиметься:

(+) Cu⁰ – 2 → Cu²⁺.

Маса катода внаслідок електролізу збільшується, а маса анода – зменшується. Тому катодом може бути тонка мідна пластинка, а анод повинен бути масивнішим.

При електролізі водного розчину лугу на електродах перебігають процеси:

катод (−) 2 Н₂О + 2 → Н ₂ + 2 ОН ⁻,

анод (+) 2 ОН ⁻ − 2 → Н ₂ О + О ₂.

Сумарна реакція процесу:

Н ₂ О ± 2 → Н ₂ + О ₂.

Отже, для розкладу 1-го моля води теоретично потрібно 2∙ F електрики. При цьому виділяються 1 моль водню і 0,5 моль кисню, а загалом 1,5 моль газової суміші (гримучого газу), яка за нормальних умов займає об’єм 22400 · 1,5 = 33600 см ³ (мл).

Оскільки чиста вода має малу електропровідність, то в електролізері використовують розчин лугу. В цьому випадку застосовують нікелеві електроди, тому що нікель в лужному розчині інертний. Електролізер герметично закривають пробкою з газовідвідною трубкою. Гримучий газ, що виділяється при електролізі, збирають у мірному циліндрі-евдіометрі, (рис. 11). При розкладі води в цьому електролізері вихід за струмом становить 100%, отже за об’ємом виділеного гримучого газу можна розрахувати кількість електрики, яка пройшла через розчин лугу. Електролізери, які використовують для визначення Q, називаються кулонометрами.

Задача 1. Електроліз з виділенням міді