Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах , который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита .

Электролиз является одним из лучших способов золочения или покрытия металла медью, золотом.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле , которое создаётся электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом — положительный . Положительные ионы — катионы (ионы металлов , водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду .

Реакции, происходящие при электролизе на электродах, называются вторичными. Первичными являются реакции диссоциации в электролите. Разделение реакций на первичные и вторичные помогло Майклу Фарадею установить законы электролиза.

С точки зрения химии, электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита.

Применение

Электролиз широко применяется в современной промышленности . В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия , меди, водорода , диоксида марганца , пероксида водорода . Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза ( электроэкстракция , электрорафинирование ). Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока .

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации).

Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий ( гальваностегия ), воспроизведении формы предметов ( гальванопластика ).

Первый закон Фарадея

В 1832 году Фарадей установил, что масса ${\displaystyle m}$ вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду ${\displaystyle q}$ , прошедшему через электролит:

${\displaystyle m=k\cdot q.}$

Если через электролит пропускается в течение времени ${\displaystyle t}$ постоянный ток с силой тока ${\displaystyle I}$ , то

${\displaystyle m=k\cdot I\cdot t.}$

Коэффициент пропорциональности ${\displaystyle k}$ называется электрохимическим эквивалентом вещества . Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Вывод закона Фарадея

${\displaystyle m=m_{i}N_{i}}$ (1)

${\displaystyle m_{i}={\frac {M}{N_{a}}}}$ (2)

${\displaystyle N_{i}={\frac {\Delta q}{q_{i}}}}$ (3)

${\displaystyle \Delta q=I\Delta t}$ (4)

${\displaystyle q_{i}=ez}$ , (5)

где z — валентность атома ( иона ) вещества,

e — заряд электрона

Подставляя (2)-(5) в (1), получим

${\displaystyle m={\frac {M}{zeN_{A}}}I\Delta t}$

${\displaystyle m={\frac {M}{zF}}I\Delta t}$ ,

где ${\displaystyle F=eN_{A}}$ — постоянная Фарадея .

${\displaystyle k={\frac {M}{Fz}}}$

${\displaystyle m=kI\Delta t}$

Второй закон Фарадея

Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы ${\displaystyle A}$ иона к его валентности ${\displaystyle z}$ . Поэтому электрохимический эквивалент

${\displaystyle k\ =\ {1 \over F}\cdot {A \over z}}$ ,

где ${\displaystyle F}$ — постоянная Фарадея .

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

${\displaystyle m={\frac {M{\cdot }I{\cdot }{\Delta }t}{n{\cdot }F}}}$ ,

где ${\displaystyle M}$ — молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося — оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, г / моль

${\displaystyle I}$ — сила тока , пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав ), А

${\displaystyle {\Delta }t}$ — время, в течение которого проводился электролиз, с

${\displaystyle F}$ — постоянная Фарадея , Кл · моль ⁻¹

${\displaystyle n}$ — число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного)

Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Изменение электролизом веществ

Не все вещества будут электролизироваться при пропускании электрического тока. Существуют некоторые закономерности и правила.

Катионы активных металлов	Катионы менее активных металлов	Катионы неактивных металлов
Li + , Cs + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Be 2+ , Al 3+	Mn 2+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Ga 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , In 3+ , Tl + , Co 2+ , Ni 2+ , Mo 4+ , Sn 2+ , Pb 2+	Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pd 3+ , Pt 2+ , Au 3+
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением водорода	В водном растворе восстанавливается металл (при малой концентрации катионов в растворе — металл и водород)	Легко разряжаются, и восстанавливается только металл

Анионы кислородсодержащих кислот и фторид-ион	Гидроксид-ионы ; анионы бескислородных кислот (кроме F − )
PO 4 3− , CO 3 2− , SO 4 2− , NO 3 − , NO 2 − , ClO 4 − , F −	OH − , Cl − , Br − , I − , S 2−
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением кислорода	Легко разряжаются

Примеры

Расплавы

Активные металлы, менее активные металлы и неактивные металлы в расплавах ведут себя одинаково.

Соль активного металла и бескислородной кислоты	Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты	Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион
${\displaystyle {\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}}$ K(-): ${\textstyle {\ce {Na+ + e- = Na^0}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {Cl- - e- -> Cl^0 -> Cl2}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2NaCl -> 2Na + Cl2 ^}}}$	${\displaystyle {\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {2Na+ + 2e- = 2Na^0}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {2SO4^2- - 4e- = 2SO3 + O2}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2Na2SO4 -> 4Na + 2SO3 ^ + O2 ^}}}$	${\displaystyle {\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {Na+ + e- = Na^0}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {4OH- - 4e- = 2H2O + O2}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {4NaOH -> 4Na + 2H2O + O2 ^}}}$

Растворы

Активные металлы

Соль активного металла и бескислородной кислоты	Соль активного металла и кислородсодержащего кислотного остатка	Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион
${\displaystyle {\ce {NaCl <-> Na+ + Cl-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {2H2O + 2e- = H2 + 2OH-}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {2Cl- - 2e- = Cl2}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2NaCl + 2H2O -> H2 ^ + Cl2 ^ + 2NaOH}}}$	${\displaystyle {\ce {Na2SO4 <-> 2Na+ + SO4^2-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {2H2O + 2e- = H2 ^ + 2OH-}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {2H2O - 4e- = O2 ^ + 4H+}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2H2O -> 2H2 ^ + O2 ^}}}$	${\displaystyle {\ce {NaOH <-> Na+ + OH-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {2H2O + 2e- = H2 ^ + 2OH-}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {4OH- -4e- = O2 ^ + 2H2O}}}$ Суммарно: ${\displaystyle {\ce {4H2O + 4e- + 4OH- = 2H2 ^ + 4OH- + 4e- + O2 ^ + 2H2O}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2H2O -> 2H2 ^ + O2 ^}}}$

Менее активные металлы и неактивные металлы

Соль менее активного металла и бескислородной кислоты	Соль менее активного металла и кислородсодержащей кислоты	Гидроксид
${\displaystyle {\ce {ZnCl2 <-> Zn^2+ + 2Cl-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {2Cl- - 2e- = 2Cl^0}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {ZnCl2 -> Zn + Cl2 ^}}}$	${\displaystyle {\ce {ZnSO4 <-> Zn^2+ + SO4^2-}}}$ K(-): ${\displaystyle {\ce {Zn^2+ + 2e- = Zn^0}}}$ A(+): ${\displaystyle {\ce {2H2O - 4e- = O2 ^ + 4H+}}}$ Вывод: ${\displaystyle {\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + 2H2SO4 + O2}}}$	Невозможно: гидроксиды неактивных металлов нерастворимы в воде

Мнемоническое правило

Для запоминания катодных и анодных процессов в электрохимии существует следующее мнемоническое правило:

• У анода анионы окисляются.
• На катоде катионы восстанавливаются.

В первой строке все слова начинаются с гласной буквы, во второй — с согласной.

Или проще:

• КАТод — КАТионы (ионы у катода)
• АНод — АНионы (ионы у анода)

Электролиз в газах

Электролиз в газах, при наличии ионизатора, заключается в том, что при прохождении через них постоянного электрического тока наблюдается выделение веществ на электродах. Законы Фарадея в газах не действительны, но существуют несколько закономерностей:

1. при отсутствии ионизатора электролиз проводиться не будет, даже при высоком напряжении;
2. электролизу подвергаются только бескислородные кислоты в газообразном состоянии и некоторые газы;
3. уравнения электролиза, как в электролитах, так и в газах, всегда остаются постоянными.

См. также

• Электрохимия
• Ионная жидкость
• Алюминий
• Выпрямитель
• Инвертор
• Физические основы
• Электрофлотация

Примечания

Ссылки

• .
• .
• .
• .
• .