Подписаться

Электролиз

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:29:30 Править
Иллюстрация электролизного аппарата Хофмана, используемого в школьной лаборатории

В химии и производство, электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC) для запуска в противном случае несамопроизвольной химической реакции. Электролиз коммерчески важен как стадия отделения элементов из природных источников, таких как руды, с использованием электролитической ячейки. Напряжение, необходимое для проведения электролиза, называется потенциалом разложения.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Временная шкала
  • 2 Обзор
    • 2.1 Процесс электролиза
    • 2.2 Потенциал разложения
    • 2.3 Окисление и восстановление на электродах
    • 2.4 Изменение энергии во время электролиза
    • 2.5 Варианты
    • 2.6 Связанные методы
  • 3 Промышленное использование
    • 3.1 Производственные процессы
  • 4 Конкурирующие полуреакции при электролизе раствора
  • 5 Тенденции исследований
    • 5.1 Электролиз диоксида углерода
    • 5.2 Электролиз подкисленной воды
    • 5.3 Электролиз воды с участием углерода / углеводородов
    • 5.4 Электрокристаллизация
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки

История

Слово «электролиз» было введено Майкл Фарадей в XIX веке по предложению преподобного Уильяма Уэвелла, используя греческие слова ἤλεκτρον " янтарь », который с 17 века ассоциировался с электрическими явлениями, а λύσις означает« растворение ». Тем не менее, электролиз как инструмент для изучения химических реакций и получения чистых элементов предшествует введению термина и формальному описанию Фарадеем.

В начале девятнадцатого века Уильям Николсон и Энтони Карлайл пытались продолжить эксперименты Вольты. Они прикрепили два провода к каждой стороне батареи Вольта, а другие концы поместили в трубку, наполненную водой. Они заметили, когда провода были соединены вместе, что каждая из них образовывала пузыри. Один тип - водород, другой - кислород.

В 1785 году голландский ученый по имени Мартинус Ван Марум создал электростатический генератор, который он использовал для восстановления олова, цинка и сурьмы из их солей с помощью процесс, позже известный как электролиз. Хотя он неосознанно производил электролиз, только в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл обнаружили, как работает электролиз.

В 1791 Луиджи Гальвани экспериментировал с лягушачьими лапками. Он утверждал, что размещение мышц животного между двумя разными металлическими листами привело к появлению электричества. В ответ на эти утверждения Алессандро Вольта провел свои собственные тесты. Это помогло бы понять идеи Хамфри Дэви об электролизе. Во время предварительных экспериментов Хамфри Дэви предположил, что когда два элемента соединяются вместе, образуя соединение, высвобождается электрическая энергия. Хамфри Дэви продолжал создавать таблицы разложения на основе своих предварительных экспериментов по электролизу. Таблицы разложения дадут представление об энергиях, необходимых для разложения определенных соединений.

В 1817 Йохан Август Арфведсон определил, что в некоторых из его образцов есть еще один элемент, литий, однако он не удалось изолировать компонент. Только в 1821 году Уильям Томас Бранде применил электролиз, чтобы выделить его. Два года спустя он оптимизировал процесс, используя хлорид лития и хлорид калия с помощью электролиза для получения лития и гидроксида лития.

В последние годы исследований Хэмфри Дэви Майкл Фарадей стал его помощником. Изучая процесс электролиза под руководством Хамфри Дэви, Майкл Фарадей обнаружил два закона электролиза.

. Во времена Максвелла и Фарадея возникли опасения относительно электроположительного и электроотрицательного

В ноябре 1875 года Поль Эмиль Лекок де Буабодран открыл галлий с помощью электролиза гидроксида галлия, в результате чего было получено 3,4 мг галлия. В том же декабре он представил свое открытие галлия Academie des Science в Париже.

26 июня 1886 года Фердинанд Фредерик Анри Муассан наконец почувствовал себя комфортно во время выступления. электролиз на безводном фтористом водороде для создания газообразного элемента, содержащего чистый фтор. Прежде чем использовать фтористый водород, Анри Муассан использовал фторидные соли при электролизе. Таким образом, 28 июня 1886 года он провел свой эксперимент перед Академией наук, чтобы продемонстрировать свое открытие нового элемента фтора. Ценой попыток найти элементарный фтор путем электролиза фторидных солей погибли многие химики, в том числе Полин Луйе и Джером Никелс.

В 1886 Чарльз Мартин Холл из Америки и Поль Эру. из Франции оба подали заявки на американские патенты, Эру подал свою в мае, а Холл - в июле. Холл смог получить свой патент, доказав в письмах своему брату и семье свидетельства того, что его метод был открыт до того, как был подан французский патент. Это стало известно как процесс Холла-Эру, который принес пользу многим отраслям, потому что цена на алюминий упала с четырех долларов до тридцати центов за фунт.

Хронология

Обзор

Электролиз - это пропускание постоянного электрического тока через электролит, вызывающий химические реакции на электродах и разложение материалов.

Основными компонентами, необходимыми для проведения электролиза, являются электролит, электроды и внешний источник питания. Перегородка (например, ионообменная мембрана или солевой мостик ) является необязательной для предотвращения диффузии продуктов в окрестности противоположного электрода.

Электролит представляет собой проводящее ионное химическое вещество, которое содержит свободные ионы и переносит электрический ток (например, ионпроводящий полимер, раствор или жидкое ионное соединение). Если ионы неподвижны, как в большинстве твердых солей, электролиз не может происходить. Жидкий электролит получают:

Электроды погружены на такое расстояние, при котором между ними течет ток через электролит, и они подключены к источнику питания, замыкающему электрическую цепь . постоянный ток, подаваемый источником питания, запускает реакцию, заставляя ионы в электролите притягиваться к соответствующему противоположно заряженному электроду.

Электроды из металла, графита и полупроводникового материала широко используются. Выбор подходящего электрода зависит от химической активности между электродом и электролитом и стоимости изготовления. Исторически сложилось так, что когда для электролиза требовались нереактивные аноды, выбирали графит (во времена Фарадея его называли плюмбаго) или платину. Было обнаружено, что они являются одними из наименее реактивных материалов для анодов. Платина разрушается очень медленно по сравнению с другими материалами, а графит крошится и может выделять диоксид углерода в водных растворах, но в остальном не участвует в реакции. Катоды могут быть изготовлены из того же материала, или они могут быть изготовлены из более реактивного материала, поскольку износ анода больше из-за окисления на аноде.

Процесс электролиза

Ключевой процесс электролиза - это обмен атомами и ионами путем удаления или добавления электронов под действием приложенного тока. Желаемые продукты электролиза часто находятся в физическом состоянии, отличном от электролита, и могут быть удалены с помощью физических процессов (например, путем сбора газа над электродом или осаждения продукта из электролита).

Количество продуктов пропорционально току, и когда две или более электролитических ячеек подключены последовательно к одному источнику питания, продукты, произведенные в элементах, пропорциональны их эквивалентному весу. Они известны как законы электролиза Фарадея.

. Каждый электрод притягивает ионы с противоположным зарядом . Положительно заряженные ионы (катионы ) движутся к электронному (отрицательному) катоду. Отрицательно заряженные ионы (анионы ) движутся к извлекающему электроны (положительному) аноду. В этом процессе электроны эффективно вводятся на катод в качестве реагента и удаляются на аноде в виде продукта. В химии потеря электронов называется окислением, а усиление электронов называется восстановлением.

Когда нейтральные атомы или молекулы, например, на поверхности электрода, приобретают или теряют электроны, они становятся ионами и могут растворяться в электролите и вступать в реакцию с другими ионами.

Когда ионы приобретают или теряют электроны и становятся нейтральными, они могут образовывать соединения, которые отделяются от электролита. Положительные ионы металлов, такие как Cu, осаждаются на катоде слоем. Для этого используются следующие термины: гальваника, электролитическое извлечение и электрорафинирование.

. Когда ион приобретает или теряет электроны, не становясь нейтральным, его электронный заряд изменяется в процессе.

Например, электролиз рассола дает газообразный водород и хлор, которые пузырьками выделяются из электролита и собираются. Таким образом, начальная общая реакция:

2 NaCl + 2 H 2 O → 2 NaOH + H 2 + Cl 2

. Реакция на аноде приводит к образованию газообразного хлора из ионы хлора:

2 Cl → Cl 2 + 2 e

В результате реакции на катоде образуются газообразный водород и ионы гидроксида:

2 H 2 O + 2 e → H 2 + 2 OH

Без перегородки между электродами ионы OH, образующиеся на катоде, могут свободно диффундировать через электролит к аноду. Поскольку электролит становится более основным из-за образования ОН, из раствора выходит меньше Cl 2, поскольку он начинает реагировать с гидроксидом с образованием гипохлорита на аноде:

Cl2+ 2 NaOH → NaCl + NaClO + H 2O

Чем больше возможностей для взаимодействия Cl 2 с NaOH в растворе, тем меньше Cl 2 появляется на поверхности раствора и тем быстрее прогрессирует производство гипохлорита. Это зависит от таких факторов, как температура раствора, время, в течение которого молекула Cl 2 находится в контакте с раствором, и концентрация NaOH.

Аналогичным образом, когда концентрация гипохлорита увеличивается, из них образуются хлораты:

3 NaClO → NaClO 3 + 2 NaCl

Происходят другие реакции, такие как самоионизация воды и разложение гипохлорита на катоде, скорость последнего зависит от таких факторов, как диффузия и площадь поверхности катода, контактирующего с электролитом.

Потенциал разложения

Потенциал разложения или напряжение разложения относится к минимальному напряжению (разность в потенциалах электрода ) между анодом и катодом электролитическая ячейка, которая необходима для проведения электролиза.

Напряжение, при котором электролиз является термодинамически предпочтительным, представляет собой разность электродных потенциалов, рассчитанных с использованием уравнения Нернста. Приложение дополнительного напряжения, называемого перенапряжением, может увеличить скорость реакции и часто требуется выше термодинамического значения. Это особенно необходимо для реакций электролиза с участием газов, таких как кислород, водород или хлор.

Окисление и восстановление на электродах

Окисление ионов или нейтральные молекулы находятся на аноде. Например, можно окислить ионы двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа на аноде:

Fe. (водный) → Fe. (водный) + e

Восстановление ионов или нейтральных молекул происходит при катод. Возможно восстановление ионов феррицианида до ионов ферроцианида на катоде:

Fe (CN). 6+ e → Fe (CN). 6

Нейтральные молекулы также могут реагируют на любом из электродов. Например: п-Бензохинон может быть восстановлен до гидрохинона на катоде:

P-Benzochinon.svg + 2 e + 2 H → Hydrochinon2.svg

В последнем примере ионы H (ионы водорода) также принимают участие в реакции и предоставляются кислоты в растворе или самим растворителем (вода, метанол и т. д.). Реакции электролиза с участием ионов H довольно часто встречаются в кислых растворах. В водных щелочных растворах часто встречаются реакции с участием ОН (гидроксид-ионы).

Иногда сами растворители (обычно вода) окисляются или восстанавливаются на электродах. Возможно даже электролиз с участием газов, например при использовании газодиффузионного электрода.

Изменение энергии во время электролиза

Количество электрической энергии, которое необходимо добавить, равно изменению свободной энергии Гиббса реакции плюс потери в системе. Потери могут (теоретически) быть сколь угодно близкими к нулю, поэтому максимальная термодинамическая эффективность равна изменению энтальпии, деленному на изменение свободной энергии реакции. В большинстве случаев подводимая энергия больше, чем изменение энтальпии реакции, поэтому некоторая энергия выделяется в виде тепла. В некоторых случаях, например, при электролизе пара на водород и кислород при высокой температуре, верно обратное, и тепловая энергия поглощается. Это тепло поглощается из окружающей среды, и теплотворная способность произведенного водорода выше, чем потребляемая электрическая мощность.

Варианты

Пульсирующий ток приводит к продукции, отличной от постоянного тока. Например, импульсный режим увеличивает отношение озона к кислороду, образующемуся на аноде при электролизе водного кислого раствора, такого как разбавленная серная кислота. Электролиз этанола импульсным током приводит к образованию альдегида вместо кислоты.

Родственные методы

К электролизу относятся следующие методы:

  • Электрохимические ячейки, включая водород топливный элемент, используйте разницу в стандартном электродном потенциале для создания электрического потенциала, обеспечивающего полезную мощность. Хотя электролиз и работа электрохимических ячеек связаны между собой взаимодействием ионов и электродов, они совершенно разные. Однако химическая ячейка не должна рассматриваться как выполняющая обратный электролиз.

Промышленное использование

процесса Холла-Эру для производства алюминия

Производственные процессы

В производстве электролиз можно использовать для:

  • гальваники, где на материал подложки нанесена тонкая пленка металла. Гальваника используется во многих отраслях промышленности для функциональных или декоративных целей, таких как автомобильные кузова и никелевые монеты.
  • Электрохимическая обработка (ECM), где электролитический катод используется в качестве инструмента для удаления материала путем анодного окисления. из заготовки. ECM часто используется как метод удаления заусенцев или для травления металлических поверхностей, таких как инструменты или ножи, с несмываемой меткой или логотипом.

Конкурирующие полуреакции при электролизе раствора

Использование ячейки содержащих инертные платиновые электроды, электролиз водных растворов некоторых солей приводит к восстановлению катионов (например, осаждению металлов, например, солями цинка) и окислению анионов (например, выделению брома с бромидами). Однако с солями некоторых металлов (например, натрия) водород выделяется на катоде, а для солей, содержащих некоторые анионы (например, сульфат SO 4), кислород выделяется на аноде. В обоих случаях это происходит из-за того, что вода восстанавливается с образованием водорода или окисляется с образованием кислорода. В принципе, напряжение, необходимое для электролиза солевого раствора, может быть получено из стандартного потенциала электрода для реакций на аноде и катоде. Стандартный электродный потенциал напрямую связан с свободной энергией Гиббса, ΔG, для реакций на каждом электроде и относится к электроду без протекания тока. Выдержка из таблицы стандартных электродных потенциалов приведена ниже.

Полуреакция E ° (V)См.
Na + e ⇌ Na (s)−2,71
Zn + 2e ⇌ Zn (s)−0,7618
2H + 2e ⇌ H 2 (г)≡ 0
Br2(вод.) + 2e ⇌ 2Br+1,0873
O2(г) + 4H + 4e ⇌ 2H 2O+1,23
Cl2(г) + 2e ⇌ 2Cl+1,36
S. 2O. 8+ 2e ⇌ 2SO. 4+2,07

С точки зрения электролиза эту таблицу следует интерпретировать следующим образом:

  • Двигаясь вниз по таблице, E ° становится более положительным, и частицы слева с большей вероятностью будут восстановлены: например, ионы цинка с большей вероятностью будут восстановлены до металлического цинка, чем ионы натрия, которые будут восстановлены до металлического натрия.
  • Перемещение вверх по В таблице E ° становится более отрицательным, и частицы справа с большей вероятностью будут окислены: например, металлический натрий с большей вероятностью окисляется до ионов натрия, чем металлический цинк, который окисляется до ионов цинка.

Использование Уравнение Нернста : электродный потенциал может быть рассчитан для конкретной концентрации ионов, температуры и количества задействованных электронов. Для чистой воды (pH 7):

  • электродный потенциал для восстановления, производящего водород, составляет -0,41 В
  • электродный потенциал для окисления, производящего кислород, составляет +0,82 В.

Сопоставимые цифры, рассчитанные аналогичным образом для 1M бромида цинка, ZnBr 2, составляют -0,76 В для восстановления до металлического Zn и +1,10 В для окисления с образованием брома. Вывод из этих рисунков состоит в том, что водород должен образовываться на катоде, а кислород на аноде в результате электролиза воды, что противоречит экспериментальным наблюдениям, что металлический цинк осаждается и образуется бром. Объяснение состоит в том, что эти рассчитанные потенциалы указывают только на термодинамически предпочтительную реакцию. На практике необходимо принимать во внимание многие другие факторы, такие как кинетика некоторых стадий реакции. Эти факторы вместе означают, что для восстановления и окисления воды требуется более высокий потенциал, чем прогнозировалось, и это называется перенапряжениями. Экспериментально известно, что перенапряжения зависят от конструкции ячейки и природы электродов.

Для электролиза нейтрального (pH 7) раствора хлорида натрия восстановление иона натрия термодинамически очень сложно, и вода восстанавливается с выделением водорода, оставляя ионы гидроксида в растворе. На аноде наблюдается скорее окисление хлора, чем окисление воды, поскольку перенапряжение для окисления хлорида до хлора ниже, чем перенапряжение для окисления воды. - кислород. ионы гидроксида и растворенный газообразный хлор далее реагируют с образованием хлорноватистой кислоты. Водные растворы, полученные в результате этого процесса, называются электролизованной водой и используются в качестве дезинфицирующего и чистящего средства.

Направления исследований

Электролиз диоксида углерода

Электрохимическое восстановление или электрокаталитическое превращение CO2 может производить химические вещества с добавленной стоимостью, такие как метан, этилен, этан и т.д. Электролиз диоксида углерода дает формиат или монооксид углерода, но иногда и более сложные органические соединения, такие как этилен. Эта технология изучается как углеродно-нейтральный путь к органическим соединениям.

Электролиз подкисленной воды

Электролиз воды дает водород и кислород в соотношении 2: 1 соответственно.

2 H 2 O (1) → 2 H 2 (г) + O 2 (г); E 0 = +1,229 В

энергоэффективность электролиза воды широко варьируется. Эффективность электролизера - это мера энтальпии, содержащейся в водороде (для сгорания с кислородом или какой-либо другой более поздней реакции), по сравнению с подводимой электрической энергией. Значения теплоты / энтальпии для водорода хорошо опубликованы в научных и технических текстах и ​​составляют 144 МДж / кг. Обратите внимание, что топливные элементы (не электролизеры) не могут использовать это полное количество тепла / энтальпии, что привело к некоторой путанице при вычислении значений эффективности для обоих типов технологий. В реакции часть энергии теряется в виде тепла. В некоторых отчетах указывается эффективность от 50% до 70% для щелочных электролизеров; однако гораздо более высокая практическая эффективность достигается при использовании мембранного электролиза с полимерным электролитом и каталитических технологий, таких как эффективность 95%.

По оценкам Национальной лаборатории возобновляемой энергии что 1 кг водорода (примерно эквивалент 3 кг или 4 л нефти в энергетическом выражении) может быть произведен с помощью ветряного электролиза по цене от 5,55 долларов в ближайшей перспективе до 2,27 долларов в долгосрочной перспективе.

4% газообразного водорода, производимого во всем мире, вырабатывается путем электролиза и обычно используется на месте. Водород используется для производства аммиака для удобрений с помощью процесса Габера и преобразования источников тяжелой нефти в более легкие фракции с помощью гидрокрекинга. В последнее время для улавливания водорода в водородных топливных элементах в водородных транспортных средствах.

электролиз воды с использованием углерода / углеводородов

применялся электролиз на месте установки

В последнее время для снижения энергозатрат использование углерода (уголь ), спирты (углеводородный раствор) и органический раствор (глицерин, муравьиная кислота, этиленгликоль и т. Д.) С со- электролиз воды был предложен как жизнеспособный вариант. Процесс электролиза воды с участием углерода / углеводородов (так называемый CAWE) для получения водорода будет выполнять эту операцию в одном электрохимическом реакторе. Этот энергетический баланс системы может потребоваться только около 40% потребляемой электроэнергии, при этом 60% приходится на химическую энергию углерода или углеводорода. В этом процессе в качестве топлива используются твердые частицы угля / углерода или порошок, диспергированные в кислотном / щелочном электролите в виде суспензии, а углерод, содержащий источник, помогает в процессе электролиза в соответствии со следующими теоретическими общими реакциями:

Углерод / уголь суспензия (C + 2H 2 O) ->CO 2 + 2H 2 E '= 0,21 В (обратимое напряжение) / E' = 0,46 В (термо -Нейтральное напряжение)

или

Углерод / угольная суспензия (C + H 2 O) ->CO + H 2 E '= 0,52 V обратимое напряжение) / E '= 0,91 В (термо-нейтральное напряжение)

Таким образом, этот подход CAWE заключается в том, что фактическое перенапряжение ячейки может быть значительно снижено до уровня ниже 1 В по сравнению с 1,5 В для обычного электролиза воды..

Электрокристаллизация

Специализированное применение электролиза включает рост проводящих кристаллов на одном из электродов из окисленных или восстановленных частиц, которые образуются на месте. Этот метод был использован для получения монокристаллов низкоразмерных электрических проводников, таких как соли с переносом заряда и соединения с линейной цепью

См. Также

На Викискладе есть материалы, относящиеся к Электролиз.

Ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26