Практическое значение электролиза

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии в химической промышленности. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде, другие электроокислением на. аноде. 

В металлургическом производстве электролизом из растворов получают многие химически чистые металлы: медь, цинк, никель, кобальт, кадмий, марганец. При этом катод изготавливается из металла, который будет восстанавливаться из раствора и наращивать электрод, или из инертного материала (для получения металлического порошка). Анод изготавливают из графита. Раствор электролита представляет собой продукт физической и химической переработки полиметаллических руд. Электрохимические процессы на электродах:

(К): Меn+ + nē = Me; (A): 2H2O – 4ē = O2 + 4H+.

Этот метод также широко используется при электрорафинировании металлов. Например, рафинирование черного никеля, содержащего примеси цинка и меди, осуществляют в электролизере, содержащем в качестве электролита слабый раствор поваренной соли (хороший проводник, обеспечивает низкое сопротивление прохождению тока через раствор). Анодом служит болванка черного никеля с примесями, катодом – электрод из химически чистого никеля. Поскольку φ0Zn/Zn2+ < φ0Ni/Ni2+ < φ0Cu/Cu2+, то первым на аноде окисляется (растворяется и переходит в раствор в виде ионов) металлический цинк: Zn – 2ē = Zn2+, затем никель Ni – 2ē = Ni2+. Примесь меди (металл с положительным электрохимическим потенциалом) не будет окисляться при значениях тока, при которых работает электролизер, и в виде порошка (шлама) выпадает на дно сосуда.

На никелевом катоде катионы цинка Zn2+ восстанавливаться не будут из-за высокого перенапряжения электрода по отношению к этим ионам (см. потенциал Zn2+/Zn) и останутся в растворе. На катоде будет идти процесс восстановления катионов никеля: Ni2+ + 2ē = Ni. Химически чистый металл осаждается на поверхности электрода, образуя с ним единое целое.

Гидроэлектрометаллургия - это способ получения металлов путем электролиза водных растворов соединений этих металлов, включающий специальные этапы подготовки электролита. Поскольку электролизу подвергаются только очищенные от вредных примесей водные растворы электролитов, то схема готовки электролита включает следующие этапы:

- подготовка  руды или концентрата к растворению  содержащегося в них металла;

- растворение, или выщелачивание, руды;

- определение  вредных для электролиза примесей  и очистка от них раствора;

- моделирование  состава электролита для более  эффективного протекания электролиза.

Если все перечисленные этапы входят в схему .получения металла, то данный процесс можно без колебаний отнести к гидрометаллургическим, в отличие от пирометаллургических процессов, которые для извлечения металлов или концентратов используют высокотемпературные операции. Гидрометаллургия отличается тем, что извлечение металлов происходит методами растворения

Электролизом из расплавов на графитовых электродах получают щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий. Однако такое производство металлов относится к экологически вредным, т.к. продуктами окисления на аноде являются отравляющие вещества - диоксин, фтор, хлор (сопутствующие примеси в рудах металлов). В последние годы аноды изготавливают из сплавов металлов или из полупроводников во избежание негативных процессов и обеспечения безопасности производства.

В химической промышленности электролизом раствора хлорида натрия на графитовых электродах получают химически чистый водород Н2 (К); хлор Сl2 (A); и раствор щелочи NaOH, электролизом расплава смеси фторида водорода НF и фторида натрия NaF получают газообразный фтор F2 (А), электролизом воды получают химически чистые газы водород Н2 (К) и кислород О2 (А).

Электролизом получают в промышленных количествах пероксиды водорода и металлов, такие соли, как гипохлориты, хлораты, хроматы, перманганаты, органические вещества (например, анилин из нитробензола).

Получение гальванопокрытий. Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику. ¨ Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера. Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла. ¨ Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Гальваническими называются металлопокрытия, наносимые на поверхность какого-либо изделия методом электролиза. При этом следует иметь в виду, что гальваническим способом можно получить покрытие любого металла или сплава металлов, способных восстанавливаться на катоде. Толщина покрытий составляет от 1 до 100мкм. Назначение покрытий может быть различным: защита поверхности от коррозии, декоративное покрытие, для улучшения физико-механических и электрических свойств (повышения электрической проводимости, твердости и износостойкости, магнитной восприимчивости, уменьшение коэффициента трения, улучшение отражающей способности поверхности), подготовка к сцеплению с металлом во время пайки и т.п.

Электролизер представляет собой гальваническую ванну, наполненную электролитом (в его роли выступают растворы или расплавы металлов с добавками ПАВ, буферных растворов, различных присадок из других металлов). Электроды изготавливаются из материала осаждаемого металла (в этом случае концентрация ионов металла в приэлектродном слое остается постоянной, ΔΕконц = 0, и перенапряжение разложения на электродах также отсутствует ΔΕэх = 0).

При электрохимической анодной обработке металлов и сплавов Электролиз так же нашел широкое применение, что позволяет обезжирить поверхность, снять с нее оксидную пленку, придать поверхности нужную форму. Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях.