Электролиз
-
История электролиза
- Электролиз был открыт в начале XIX века Уильямом Николсоном и Энтони Карлайлом.
- В 1785 году Мартин ван Марум использовал электростатический генератор для извлечения металлов из солей.
- В 1800 году Николсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород.
- В 1821 году Уильям Томас Бранд выделил литий с помощью электролиза.
- В 1834 году Майкл Фарадей опубликовал свои законы электролиза.
-
Основные компоненты и процесс
- Электролиз требует электролита, электродов и внешнего источника питания.
- Электролит должен содержать свободные ионы и пропускать электрический ток.
- Электроды погружены в электролит и подключены к источнику питания.
- Постоянный ток запускает реакцию, притягивая ионы к электродам.
-
Материалы и выбор электродов
- Электроды могут быть изготовлены из металла, графита или полупроводниковых материалов.
- Выбор электрода зависит от химической реакции и стоимости изготовления.
- Аноды обычно изготавливаются из графита или платины, так как они наименее химически активны.
- Катоды могут быть изготовлены из более химически активного материала.
-
Процесс электролиза
- Ключевой процесс электролиза — обмен атомами и ионами.
- Продукты электролиза могут быть удалены механическими способами.
- Количество продуктов пропорционально току.
-
Законы электролиза Фарадея
- Каждый электрод притягивает ионы с противоположным зарядом
- Положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицательно заряженные — к аноду
- Электроны вводятся на катоде и удаляются на аноде
-
Окисление и восстановление
- Потеря электронов называется окислением, увеличение — восстановлением
- Нейтральные атомы или молекулы превращаются в ионы и могут растворяться в электролите
- Положительные ионы металлов осаждаются на катоде
-
Потенциал разложения
- Минимальное напряжение для электролиза называется потенциалом разложения
- Напряжение, при котором электролиз термодинамически предпочтителен, рассчитывается по уравнению Нернста
- Перенапряжение увеличивает скорость реакции
-
Окисление и восстановление на электродах
- На аноде происходит окисление ионов или нейтральных молекул
- На катоде происходит восстановление ионов или нейтральных молекул
- Нейтральные молекулы могут вступать в реакцию на любом из электродов
-
Изменение энергии во время электролиза
- Количество электрической энергии равно изменению свободной энергии Гиббса реакции
- В большинстве случаев потребляемая энергия больше, чем изменение энтальпии реакции
- В некоторых случаях тепловая энергия поглощается
-
Вариации и связанные процессы
- Пульсирующий ток приводит к получению продуктов, отличных от постоянного тока
- Гальванические элементы и батареи используют электролиз для создания электрического потенциала
-
Промышленное применение
- Процесс получения хлоралкалия обеспечивает хлор и гидроксид натрия
- Электрофторирование используется для получения фторорганических соединений
- Гидродимеризация акрилонитрила преобразует его в адипонитрил
-
Процессы нанесения гальванических покрытий и электролиза
- Очистка меди и электрометаллургия алюминия, лития, натрия, калия, магния, кальция
- Гальванопокрытие используется для нанесения металлических пленок
- Электрохимическая обработка (ECM) используется для удаления материала с заготовки
-
Конкурирующие полуреакции
- При использовании инертных платиновых электродов электролиз водных растворов приводит к восстановлению катионов и окислению анионов
- При использовании солей некоторых металлов на катоде выделяется водород, на аноде — кислород
- Напряжение для электролиза солевого раствора можно рассчитать по стандартному электродному потенциалу
-
Перенапряжение
- Перенапряжение зависит от конструкции ячейки и характера электродов
- Экспериментально известно, что перенапряжения влияют на результаты электролиза
-
Электролиз нейтрального раствора хлорида натрия
- Восстановление ионов натрия термодинамически сложно
- На аноде окисляется хлор, а не вода
- Ионы гидроксида и хлор образуют хлорноватистую кислоту
- Электролизованная вода используется как дезинфицирующее средство
-
Электролиз углекислого газа
- Электрохимическое восстановление CO2 позволяет получать метан, этилен и этанол
- Образуется формиат или монооксид углерода
- Технология исследуется для получения органических соединений без углерода
-
Электролиз подкисленной воды
- Образуются водород и кислород в соотношении 2 к 1
- Эффективность варьируется в широких пределах
- Мембранный электролиз с полимерным электролитом достигает 95% эффективности
-
Электролиз воды с использованием углерода/углеводородов
- Использование углерода, спиртов и органических растворов для снижения энергозатрат
- Процесс CAWE позволяет выполнять электролиз в одном реакторе
- Фактическое перенапряжение элемента может быть снижено до 1,0 В
-
Электрокристаллизация
- Выращивание проводящих кристаллов на электродах
- Метод используется для получения монокристаллов низкоразмерных проводников
-
Электролиз железной руды
- Электролиз железа может устранить выбросы CO2
- Мелкомасштабный электролиз железа проводится при 1550°C
- Низкотемпературное восстановление оксида железа при 114°C
-
Электролиз морской воды
- Прямой электролиз морской воды, щелочной электролиз, электролиз с протонообменной мембраной и электролиз твердых оксидов
- Протонообменные мембранные электролизеры наиболее подходят по экономическим и экологическим критериям
- Щелочной электролизер наиболее экономически целесообразен, но опасен с точки зрения безопасности и охраны окружающей среды