Рафинирование меди и других металлов
II. Теоретическая часть
1)Что такое электролиз
2)Открытие электролиза
3)Закон Фарадея
4)Применение
а) Гальваностегия
б) Гальванопластика
в) Рафинирование меди и других металлов
г) Получение алюминия
III. Экспериментальная часть
1)Опыт «Измерение заряда электрона»
IV. Заключение
V. Список литературы
I. Введение
1) Обоснование выбора темы:
Мы выбрали эту тему, потому что хотели опытным путем в школьной лаборатории измерить заряд электрона методом электролиза. Углубить свои знания об этом физико-химическом процессе. Узнать о свойствах, законах, сущности и применении электролиза.
II. Теоретическая часть
Что такое электролиз
Электролиз - окислительно-восстановительный процесс, происходящий на погруженных в электролит электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника.
Ячейка для электролиза называется электролизером, она состоит из двух электродов и электролита (раствор или расплав). Электрод, на котором идет реакция восстановления (катод), у электролизера подключен к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключен к положительному полюсу источника тока.
На характер и течение электродных процессов большое влияние оказывают состав электролита, растворитель, материал электродов и сила тока.
Изучение и применение электролиза началось в конце 18 — начале 19 вв., в период становления электрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление Майклом Фарадеем в 1833—34 точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах. Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторов постоянного тока.
Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах.
На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (Fe3+ + e-® Fe2+), электроосаждении меди (Cu2+ + 2e-® Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов, или молекул, находящихся в электролите, или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется). Например: выделение кислорода (4OH-® 4e- + 2H2O + O2) и хлора (2C1-® 2e- + Cl2). Образование хромата (Cr3+ + 3OH- + H2O® CrO42- + 5H+ + 3e-). Растворение меди (Cu® Cu2+ + 2e-). Оксидирование алюминия (2Al + 3H2O ® Al2O3 + 6Н+ + 6e-). Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.
Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости.
Количество образующихся при электролизе продуктов определяется законами Фарадея. Если на каждом из электродов одновременно образуется ряд продуктов, в результате нескольких электрохимических реакций, доля тока (в %), идущая на образование продукта одной из них, называется выходом данного продукта по току.
Преимущества электролиза перед химическим методами получения целевых продуктов заключаются в возможности сравнительно просто (регулируя ток) управлять скоростью и селективной направленностью реакций. Условия электролиза легко контролировать, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых "мягких", так и в наиболее "жёстких" условиях окисления или восстановления, получать сильнейшие окислители и восстановители, используемые в науке и технике.
Открытие электролиза
В 1800 английские исследователи У. Никольсон, А. Карлейль открыли электролиз: они установили, что при прохождении постоянного тока в воде или водных растворах вода разлагается на водород и кислород. Результаты более поздних исследований, завершенных Майклом Фарадеем 1833, были сформулированы в виде законов.
Реакции, происходящие при электролизе на электродах, называются вторичными. Первичными являются реакции диссоциации в электролите. Разделение реакций на первичные и вторичные помог Майклу Фарадею установить законы электролиза.
Впервые параллельное соединение приемников электрического тока предложил российский физик В. В. Петров во время опытов по электролизу. Ученый проводил одновременное разложение воды в нескольких стеклянных трубках, прикрепленных к одному источнику тока.
Законы Фарадея
Закон электролиза Фарадея
Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.
(1)
Где m – количество прореагировавшего вещества; I – сила тока; Dt – время; k– коэффициент пропорциональности между массой вещества и зарядом Dq=IDt. Величина, k называется электрохимическим эквивалентом.
(2)
Где n – валентность иона; M – молярная масса вещества, выделившегося на электроде; NА—постоянная Авогадро. e =1,6• 10-19Кл.- заряд электрона.
Из формул 1 и 2 следует, что масса выделившегося вещества на электроде равна:
Применение
Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внешнего вида. Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет. Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними.
Гальванопластика — электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка. Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают, и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала.
В полиграфической промышленности такие стереотипы получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.
Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати и с большим числом иллюстраций.
Осаждая металл на длинный цилиндр, получают трубы без шва.
Процесс получения отслаиваемых покрытий был разработан русским ученым Б. С. Якоби, который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
Рафинирование меди и других металлов
Медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей. Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные толстые листы неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди — катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка, а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.
Также:
Очистку никеля, свинца проводят целиком электрохимическим методом. Производство фтора основано на электролизе расплавленной смеси фторида калия и фтороводородной кислоты, хлора – при электролизе водных растворов или расплавов хлоридов. Водород и кислород высокой степени чистоты получают электролизом водных растворов щелочей. Таким образом, с помощью электролиза удается осуществлять реакции окисления и восстановления с большим выходом и высокой селективностью, которые в обычных химических процессах трудно достижимы.
Получение алюминия
При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.
В угольные тигли насыпают глинозем (оксид алюминия Аl2O3), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.
Описанный способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.
Алюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, бериллий, титан получают только электролизом расплавов, так как потенциалы их выделения из водных растворов более отрицательны, чем потенциал выделения водорода.
Заключение
Анализ научной литературы и Интернет-ресурсов свидетельствует о том, что процессы электролиза растворов и расплавов интересуют ученых и технологов в настоящее время, то есть данная тема не потеряла своей актуальности и практической значимости.
Электролиз широко используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей, хлора, водорода.
Отличительной особенностью электролиза растворов или расплавов электролитов является возможность протекания на электродах совокупности конкурирующих химических реакций окисления и восстановления. Оказывает влияние на продукты электролиза и материал электродов.
При электролизе водных растворов электролитов окислительно-восстановительные процессы на катоде и аноде зависят от окислительной способности катионов и характера аниона электролита.
В экспериментальной части своей работы нами был проведен процесс электролиза раствора медного купороса. Полученный продукт позволил измерить заряд элементарной частицы-электрона по закону Фарадея.
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Исследование процессов электролиза растворов и расплавов электролитов не потеряло своей актуальности и в настоящее время, т.к. не только обогащает теоретические положения об этом достаточно сложно физико-химическом явлении, но и позволяет определить перспективные направления практического использования этого процесса с целью получения целевых продуктов с заданными свойствами и качествами.
Список литературы:
1. Материалы сайта:
http://ds-prinz.narod.ru/elektroliz
2. Учебник для образовательных организаций по физике за 10 кл. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцева, Н.Н. Сотский
3. Материалы сайта:
http://slovari.yandex.ru/электролиз/БСЭ/Электролиз
4. Мухленов И.П., Авербух А.Я. и др. Важнейшие химические производства - «Высшая школа», г. Москва. 1990 г
5. Материалы сайта:
http://www.coolreferat.com/Применение_элктролиза
6.