Yüksek saflıkta demir elde etmek. Bir lise dersinde kimyasal problemlerin Faraday yasasını kullanarak çözülmesi Problemle ilgili teorik bilgiler

Kimyasal problemleri çözme
Faraday yasasını bilen
lise

Yazarın gelişimi

Okuldaki öğretim uygulamalarının gösterdiği gibi, çok çeşitli farklı kimyasal problemler arasında en büyük zorluklar, çözümü sağlam kimya bilgisine ek olarak, fizik dersi materyaline iyi derecede hakim olmayı gerektiren problemlerden kaynaklanmaktadır. Ve her lise, kimya ve fizik olmak üzere iki dersin bilgisini kullanarak en basit problemleri bile çözmeye dikkat etmese de, bu tür problemler bazen kimyanın ana disiplin olduğu üniversitelerdeki giriş sınavlarında bulunur. Dolayısıyla bir öğretmen sınıfta bu tür problemleri incelemeden, istemeden öğrencisini kimya alanında üniversiteye girme şansından mahrum bırakabilir.
Bu yazarın gelişimi, şu ya da bu şekilde “Elektroliz” konusuyla ilgili yirmiden fazla görev içermektedir. Bu tür problemleri çözmek için sadece okul kimya dersinin “Elektroliz” konusu hakkında iyi bilgi sahibi olmak değil, aynı zamanda okul fizik dersinde işlenen Faraday yasasını da bilmek gerekir.
Belki de bu problem seçimi kesinlikle sınıftaki tüm öğrencilerin ilgisini çekmeyecek veya herkes tarafından erişilebilir olmayacaktır. Bununla birlikte, bu tür görevlerin ilgili bir grup öğrenciyle bir grup veya seçmeli derste tartışılması tavsiye edilir. Bu tür problemlerin karmaşık olduğunu ve en azından bir okul kimya dersi için tipik olmadığını (ortaokuldan bahsediyoruz) ve dolayısıyla bu tür sorunların bir kimya dersi için seçeneklere güvenli bir şekilde dahil edilebileceğini belirtmekte fayda var. 10. veya 11. sınıflar için okul veya bölge kimya olimpiyatları.
Her soruna yönelik ayrıntılı bir çözüme sahip olmak, geliştirmeyi özellikle yeni öğretmenler için değerli bir araç haline getirir. Seçmeli bir ders veya kulüp dersi sırasında öğrencilerle çeşitli sorunları inceledikten sonra, yaratıcı bir öğretmen kesinlikle evde birkaç benzer sorun çözecek ve bu gelişmeyi ev ödevlerini kontrol etme sürecinde kullanacak, bu da öğretmenin değerli zamanından önemli ölçüde tasarruf sağlayacaktır.

Soruna ilişkin teorik bilgiler

Bir çözelti veya erimiş elektrolit içine yerleştirilen elektrotlar üzerinde elektrik akımının etkisi altında meydana gelen kimyasal reaksiyonlara elektroliz denir. Bir örneğe bakalım.

Yaklaşık 700 ° C sıcaklıktaki bir camda, sodyum klorür NaCl eriyiği vardır, elektrotlar içine daldırılır. Eriyikten bir elektrik akımı geçmeden önce Na + ve Cl – iyonları düzensiz bir şekilde hareket eder, ancak bir elektrik akımı uygulandığında bu parçacıkların hareketi düzenli hale gelir: Na + iyonları negatif yüklü elektroda doğru koşar ve Cl – pozitif yüklü elektroda doğru iyonlar.

İyon– yüklü bir atom veya yükü olan bir atom grubu.

Katyon– pozitif yüklü bir iyon.

Anyon– negatif yüklü iyon.

Katot– negatif yüklü bir elektrot (pozitif yüklü iyonlar – katyonlar) ona doğru hareket eder.

Anot– pozitif yüklü bir elektrot (negatif yüklü iyonlar – anyonlar) ona doğru hareket eder.

Platin elektrotlarda sodyum klorür eriyiğinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Karbon elektrotlar üzerinde sulu bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

veya moleküler formda:

Karbon elektrotlar üzerinde sulu bir bakır(II) klorür çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Metal aktivitesinin elektrokimyasal serisinde, bakır hidrojenin sağında bulunur, bu nedenle katotta bakır indirgenecek ve anotta klor oksitlenecektir.

Platin elektrotlar üzerinde sulu bir sodyum sülfat çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Sulu bir potasyum nitrat çözeltisinin elektrolizi benzer şekilde gerçekleşir (platin elektrotlar).

Grafit elektrotlar üzerinde sulu bir çinko sülfat çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Platin elektrotlar üzerinde sulu bir demir (III) nitrat çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Platin elektrotlar üzerinde sulu bir gümüş nitrat çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Platin elektrotlar üzerinde sulu bir alüminyum sülfat çözeltisinin elektrolizi

Toplam reaksiyon:

Bakır elektrotlar üzerinde sulu bir bakır sülfat çözeltisinin elektrolizi - elektrokimyasal arıtma

Solüsyondaki CuS04 konsantrasyonu sabit kalır, işlem anot malzemesinin katoda aktarılmasına indirgenir. Elektrokimyasal arıtma işleminin (saf metal elde edilmesi) özü budur.

Belirli bir tuz için elektroliz şemaları hazırlarken şunu hatırlamanız gerekir:

– hidrojenden daha yüksek standart elektrot potansiyeline (SEP) sahip metal katyonları (bakırdan altına kadar) elektroliz sırasında katotta neredeyse tamamen azalır;

– küçük SEP değerlerine sahip metal katyonları (lityumdan alüminyuma kadar) katotta indirgenmez, bunun yerine su molekülleri hidrojene indirgenir;

- SEP değerleri hidrojeninkinden daha düşük, ancak alüminyumunkinden daha büyük olan (alüminyumdan hidrojene) metal katyonları, katotta elektroliz sırasında suyla aynı anda azaltılır;

– sulu bir çözelti, örneğin Ag +, Cu 2+, Fe 2+ gibi çeşitli metallerin katyonlarının bir karışımını içeriyorsa, bu karışımda önce gümüş, ardından bakır ve demir en son indirgenecektir;

– elektroliz işlemi sırasında çözünmeyen anotta anyonların veya su moleküllerinin oksidasyonu meydana gelir ve S2–, I–, Br–, Cl– anyonları kolayca oksitlenir;

– eğer çözelti oksijen içeren asitlerin anyonlarını içeriyorsa, su molekülleri anotta oksijene oksitlenir;

– anot çözünürse, elektroliz sırasında kendisi oksidasyona uğrar, yani harici devreye elektronlar gönderir: elektronlar serbest bırakıldığında elektrot ile çözelti arasındaki denge değişir ve anot çözülür.

Tüm elektrot işlemleri serisinden yalnızca genel denkleme karşılık gelenleri seçersek

M z+ + ze= M,

o zaman alırız metal stres aralığı. Hidrojen de her zaman bu sıraya yerleştirilir; bu, hangi metallerin hidrojeni sulu asit çözeltilerinden çıkarabildiğini ve hangilerinin olmadığını görmenizi sağlar (tablo).

Masa

Metal stres aralığı

Daha basit bir biçimde metal gerilim serisi şu şekilde temsil edilebilir:

Elektroliz problemlerinin çoğunu çözmek için formülü aşağıda verilen Faraday yasası bilgisi gereklidir:

M = M BEN T/(z F),

Nerede M– elektrot üzerinde salınan maddenin kütlesi, F– Faraday sayısı 96.485 A·s/mol veya 26,8 A·s/mol'e eşittir, M– elektroliz sırasında elementin molar kütlesi azalır, T– elektroliz işleminin süresi (saniye cinsinden), BEN– akım gücü (amper cinsinden), z– sürece katılan elektronların sayısı.

Sorun koşulları

1. Bir nikel nitrat çözeltisinin 20 A akımda 1 saat boyunca elektrolizi sırasında hangi miktarda nikel açığa çıkacak?

2. 10 saat içinde 0,005 kg saf metal elde etmek için gümüş nitrat çözeltisinin elektroliz işlemini hangi akım gücünde gerçekleştirmek gerekir?

3. 50 A akımda 2 saat süreyle bakır(II) klorür eriyiğinin elektrolizi sırasında hangi bakır kütlesi açığa çıkacak?

4. 3,5 g çinko elde etmek için sulu bir çinko sülfat çözeltisini 120 A akımda elektrolize etmek ne kadar sürer?

5. Bir demir(III) sülfat çözeltisinin 200 A akımda 2 saat elektrolizi sırasında hangi demir kütlesi açığa çıkacaktır?

6. 15 saat içinde 200 g saf metal elde etmek için bakır (II) nitrat çözeltisinin elektroliz işlemini hangi akım gücünde gerçekleştirmek gerekir?

7. 20 g saf demir elde etmek için bir eriyik demir(II) klorürün 30 A akımda elektrolizi ne kadar sürer?

8. 1,5 saat içinde 0,5 kg saf metal elde etmek için bir cıva(II) nitrat çözeltisinin elektroliz işlemini hangi akım gücünde gerçekleştirmek gerekir?

9. 1,5 saat içinde 100 g saf metal elde etmek için erimiş sodyum klorürün elektroliz işlemini hangi akım gücünde gerçekleştirmek gerekir?

10. Potasyum klorür eriyiği 2 saat süreyle 5 A akımda elektrolize tabi tutuldu. Ortaya çıkan metal, 2 kg ağırlığındaki suyla reaksiyona girdi. Alkali çözeltisinin hangi konsantrasyonu elde edildi?

11. Mevcut kuvvette 0,5 saat boyunca bir demir (III) sülfat çözeltisinin elektrolizi ile elde edilen demir ile tamamen reaksiyona girmek için kaç gram% 30 hidroklorik asit çözeltisi gerekli olacaktır?
10 Ha?

12. 15 A akımda 245 dakika boyunca gerçekleştirilen erimiş alüminyum klorürün elektrolizi işleminde saf alüminyum elde edildi.

13. Belirli bir alüminyum kütlesinin demir (III) oksit ile reaksiyona sokulmasıyla alüminotermik yöntemle kaç gram demir elde edilebilir?

14. Bir alüminyum sülfat çözeltisinin 25 A akımda 300 dakika boyunca elektrolizi ile elde edilen alüminyum ile reaksiyona girmek (potasyum tetrahidroksialüminat oluşturmak için) 1.111 g/ml yoğunluğa sahip %12'lik bir KOH çözeltisinin kaç mililitresine ihtiyaç duyulacaktır?

15. 55 A akımda 100 dakika boyunca bir çinko sülfat çözeltisinin elektrolizi ile elde edilen çinko ile reaksiyona girmek için 1.139 g/ml yoğunluğa sahip %20'lik bir sülfürik asit çözeltisinin kaç mililitresine ihtiyaç duyulacaktır?

16. Fazla nitrik asit çözeltisinin, bakır(II) klorür eriyiğinin 10,5 A akımda 50 dakika elektrolizi ile elde edilen bakır ile etkileşimi sonucu hangi hacimde nitrojen(II) oksit (n.o.) elde edilecektir?

17. 100 g %30'luk hidroklorik asit çözeltisi ile reaksiyonun tamamlanması için gerekli demiri elde etmek üzere 30 A akımda bir eriyik demir(II) klorürün elektrolizi ne kadar sürer?

18. Isıtıldığında 200 g% 35'lik sülfürik asit çözeltisiyle tam reaksiyon için gereken nikeli elde etmek için bir nikel nitrat çözeltisini 15 A akımda elektrolize etmek ne kadar sürer?

19. Sodyum klorür eriyiği 20 A akımda 30 dakika elektroliz edildi ve potasyum klorür eriyiği 80 dakika 18 A akımda elektroliz edildi. Her iki metal de 1 kg su içinde çözüldü. Ortaya çıkan çözeltideki alkali konsantrasyonunu bulun.

20. Magnezyum klorürün elektrolizi ile elde edilen magnezyum, mevcut güçte 200 dakika boyunca erir
10 A, yoğunluğu 1,178 g/ml olan 1,5 l %25 sülfürik asit çözeltisi içinde çözüldü. Ortaya çıkan çözeltideki magnezyum sülfat konsantrasyonunu bulun.

21. Çinko sülfat çözeltisinin akım gücünde 100 dakika elektrolizi ile elde edilen çinko

17 A, yoğunluğu 1,066 g/ml olan 1 litre %10 sülfürik asit çözeltisi içinde çözündürüldü. Ortaya çıkan çözeltideki çinko sülfat konsantrasyonunu bulun.

22. Demir(III) klorür eriyiğinin 11 A akımda 70 dakika süreyle elektrolizi ile elde edilen demir, toza dönüştürüldü ve 300 g %18 bakır(II) sülfat çözeltisine daldırıldı. Çöken bakırın kütlesini bulun.

23. Magnezyum klorürün elektrolizi ile elde edilen magnezyum, mevcut güçte 90 dakika boyunca erir
17 A, fazla miktarda alınan hidroklorik asit çözeltisine daldırıldı. Salınan hidrojenin hacmini ve miktarını bulun (n.s.).

24. Bir alüminyum sülfat çözeltisi, 20 A akımda 1 saat boyunca elektrolize tabi tutuldu. Elde edilen alüminyumla tamamen reaksiyona girmek için kaç gram% 15'lik bir hidroklorik asit çözeltisi gerekli olacaktır?

25. Erimiş magnezyum klorürün 22 A akımda 35 dakika elektrolizi ile elde edilen magnezyumun tamamen yanması için kaç litre oksijen ve hava (n.o.) gerekli olacaktır?

Cevaplar ve çözümler için aşağıdaki konulara bakın

Pirometalurjik yöntemle elde edilen teknik açıdan saf demirin (Armco tipi) endüstriyel kaliteleri %99,75-99,85 saflık derecesine sahiptir. Bu demirin içerdiği esas olarak metalik olmayan yabancı maddelerin (C, O, S, P, N) daha fazla uzaklaştırılması, yüksek vakumda özel yeniden eritme veya kuru hidrojen atmosferinde tavlama ile mümkündür. Bununla birlikte, böyle bir işlemden sonra bile safsızlık içeriği 2000-1500 ppm demire ulaşır ve ana safsızlıklar C, P, S, Mn ve O'dur.
Daha yüksek saflık derecesine sahip demir, elektrolitik ve kimyasal yöntemlerle elde edilir, ancak aynı zamanda ek karmaşık saflaştırma gerektirir.
Elektrolitik yöntemlerle demir, düşük akım yoğunluklarında ve oda sıcaklıklarında veya yüksek yoğunluklarda ve 100° civarındaki sıcaklıklarda sırasıyla orta derecede konsantre veya konsantre demir klorür veya sülfat çözeltilerinden elde edilir.
Yöntemlerden birine göre demir, aşağıdaki bileşime sahip bir çözeltiden çökeltildi: g/l: 45-60 Fe2+ (FeCl2 formunda), 5-10 BaCl2 ve 15 NaHC0. Anot olarak Armco demiri veya Ural çatı kaplama demiri plakaları, katot olarak ise saf alüminyum kullanıldı. Elektroliz oda sıcaklığında ve 0,1 A/dm2 akım yoğunluğunda gerçekleştirildi. Yaklaşık %0,01 C, eser miktarda fosfor içeren ve kükürt içermeyen, iri kristal yapıya sahip bir çökelti elde edildi.
Elektrolitik demirin saflığı, elektrolitin saflığına ve anot metalinin saflığına bağlıdır. Çöktürme sırasında kalay, çinko ve bakır gibi demirden daha asil yabancı maddeler giderilebilir. Nikel, kobalt ve manganez giderilemez. Elektrolitik demirdeki toplam yabancı madde içeriği, ticari olarak saf demirdekiyle yaklaşık olarak aynıdır. Çökeltme sülfat banyolarından gerçekleştirilmişse, genellikle önemli miktarda oksijen (% 0.1-0 2'ye kadar) ve ayrıca kükürt (% 0.015-0.05) içerir.
Elektrolitik demirden oksijenin çıkarılması indirgeme işlemleriyle gerçekleştirilir: sıvı veya katı metalin hidrojenle işlenmesi veya eriyiğin vakumda karbonla deoksidasyonu. 900-1400°'de kuru hidrojen akışında tavlama yapılarak oksijen içeriğinin %0,003'e düşürülmesi mümkündür.
Yarı endüstriyel ölçekte yüksek saflıkta demir elde etmek için, vakumlu eritme tesisinde hidrojenle indirgeme yöntemi kullanılır. Elektrolitik demir ilk önce bir karbon monoksit atmosferi altında bir kireç-florpat potasında manganez ilavesiyle kükürtten arındırılır (kükürt içeriği %0,01'den %0,004'e düşürülür), daha sonra eriyik bir alümina potada üflenerek veya temizlenerek hidrojen ile indirgenir. Aynı zamanda oksijen içeriğini %0,004-0,001'e düşürmek mümkün oldu. Metal kükürt giderme, uçucu sülfürler oluşturan metallerin (kalay, antimon, bizmut) eriyiğine katkı maddeleri kullanılarak yüksek vakumda da gerçekleştirilebilir. Yüksek vakumlu fırınlarda eriyiğin karbonla deokside edilmesiyle, her biri %0,002'ye kadar oksijen ve karbon içeriğine sahip demir elde etmek mümkündür.
Yüksek vakumda deoksidasyon yoluyla daha düşük oksijen içeriğine sahip demirin üretimi, oksijenin metale geçişinin eşlik ettiği metalin pota malzemesi ile etkileşimi nedeniyle karmaşıklaşır. Minimum oksijen transferini sağlayan en iyi kroze malzemeleri ZrO2 ve ThO2'dir.
Yüksek saflıkta demir de karbonil yöntemiyle pentakarbonil Fe(CO)5'in 200-300°'de ayrıştırılmasıyla elde edilir. Karbonil demir, genellikle demire eşlik eden kükürt, fosfor, bakır, manganez, nikel, kobalt, krom, molibden, çinko, silikon gibi yabancı maddeleri içermez. İçindeki spesifik safsızlıklar karbon ve oksijendir. Oksijenin varlığı, ortaya çıkan karbondioksit ve demir arasındaki ikincil reaksiyonlardan kaynaklanmaktadır. Karbon içeriği %1'e ulaşır; demir karbonil buharına az miktarda amonyak ilave edilerek veya demir tozunun hidrojen içinde işlenmesiyle %0,03'e düşürülebilir. Karbon ve oksijenin uzaklaştırılması, elektrolitik demir için kullanılan aynı vakumlu eritme yöntemleriyle gerçekleştirilir.
En saf demir kimyasal olarak elde edilebilir ancak bu yöntem oldukça karmaşıktır ve metalin küçük miktarlarda elde edilmesini mümkün kılar. Demir tuzlarının Co, Ni, Cu, Cr, Mn safsızlıklarından arındırılması için kimyasal yöntemlerde, yeniden kristalleştirme, çökeltme reaksiyonları veya safsızlıkların çökeltme yoluyla ekstraksiyonu kullanılır.
Çok yüksek saflık derecesine sahip (milyonda 30-60 parça safsızlıktan daha az) demir elde etmeyi mümkün kılan kimyasal yöntemlerden biri, aşağıdaki sıralı aşamaları içerir:
1) FeCl3 kompleksinin eter ile 6-N HC1 solüsyonundan ekstraksiyonu, sulu solüsyonun rejenerasyonu ve ardından eterin ekstraksiyonu;
2) yüksek saflıkta demir ile FeCl'lerin FeCl2'ye indirgenmesi;
3) bir kükürt reaktifi ve ardından eter ile işleme tabi tutularak FeCl2'nin bakırdan ilave saflaştırılması;
4) FeCl2 çözeltisinden metalin elektrolitik biriktirilmesi;
5) metal taneciklerinin hidrojende tavlanması (oksijen ve karbonun uzaklaştırılması için);
6) toz metalurjisi kullanılarak kompakt demir üretimi (çubuklara presleme ve hidrojende sinterleme)
Son aşama, vakumlu işlemenin dezavantajını - oksijenin potadan metale aktarılması - ortadan kaldıran potasız bölge eritme ile gerçekleştirilebilir.

14.06.2019

Avangard'dan takviye için bükme makinesi. Bükme için cihazların, ünitelerin, aparatların ve diğer ekipmanların çalışma prensibi, tasarım özellikleri ve genel bakış verileri...

14.06.2019

Mutfak alanındaki lavaboyu değiştirirken, musluk, küvet, pencere ve kapıların montajı sırasında sızdırmazlık malzemelerinin kullanılması sağlanır. Bunlar özel kompozit maddelerdir...

13.06.2019

Püskürtme kabininin asıl amacı aracın yüksek kalitede ve düzgün şekilde boyanmasıdır. Elbette böyle bir yöntem denemez...

13.06.2019

Almalyk madencilik ve metalurji işletmesi, demiryolu inşaatı amaçlı programın ikinci aşamasını uygulamaya başladı...

13.06.2019

Tornalama, standart bir metal iş parçasının gerekli yapısal elemana dönüştürüldüğü ürün işleme türlerinden biridir. Tamamlamak için...

13.06.2019

Yıllar geçtikçe, bu dünyada metal yapıların üretiminin arttırılmasına yönelik gözle görülür bir eğilim olmuştur. Bu tür yapılara olan önemli talep, bunların faydalarıyla ilişkilidir...

12.06.2019

Brezilyalı şirket Vale, bir milyar dokuz yüz milyon ABD dolarını çıkarmak ve artırmak için ayırmayı planladığını açıkladı...

12.06.2019

Teras ya da insanların deyimiyle veranda, bugün herhangi bir kır evinin en önemli özelliğidir. Çok az kişi onun harika olduğu gerçeğini tartışabilir...

12.06.2019

Şu anda paslanmaz çelik ürünler, paslanmaz bağlantı parçaları, köşebentler, altıgenler, gibi çok sayıda ürünü tüketicilere sunmaya hazır...

Elektrik akımı metallerden (1. tür iletkenler) geçtiğinde kimyasal reaksiyonlar meydana gelmez ve metaller değişmeden kalır. Bir elektrik akımı bir eriyik veya bir elektrolit çözeltisinden (2. tip iletkenler) geçerse, elektrolit ile metal iletken (elektrot) arasındaki sınırda çeşitli kimyasal reaksiyonlar (elektroliz) meydana gelir ve yeni bileşikler oluşur.

Elektroliz, bir elektrik akımının iki elektrot ve bir eriyik veya elektrolit çözeltisinden oluşan bir elektrokimyasal sistemden geçmesi durumunda meydana gelen bir dizi işlemdir.

Elektroliz sırasında katyonlar negatif elektroda (katot), anyonlar ise pozitif elektroda (anot) hareket eder. Ancak bu durumda elektrolitin katyonları ve anyonları her zaman deşarj olmaz, elektron kabul etmez veya bağışlamaz. Elektroliz reaksiyonları sıklıkla su gibi bir solvent-elektroliti içerir.

Galvanik hücredeki ve elektrolizördeki reaksiyonlar arasındaki temel fark, yalnızca yönleri ve kendiliğindenliklerinde yatmaktadır. Galvanik hücrenin kapalı devresinde elektrokimyasal reaksiyon kendiliğinden meydana gelir, ancak elektrolizörde yalnızca harici bir kaynaktan gelen elektrik akımının etkisi altında meydana gelir.

Elektrotların ismine dikkat etmelisiniz: galvanik bir hücrede negatif elektrot anottur ve pozitif elektrot katottur; bir elektrolizörde ise tam tersine negatif elektrot katottur ve pozitif elektrot anottur.

"Negatif" ve "pozitif" terimlerinin her zaman akım kaynağının kutuplarını ifade ettiği ve elektrolizör elektrotlarını bu şekilde tanımladıkları unutulmamalıdır. Bu süreçlerin ortak noktası, hem galvanik hücrede hem de elektrolizörde, negatif elektrotta fazla elektron oluşması ve pozitif elektrotta elektron eksikliği oluşmasıdır. Katotta iyonlar veya moleküller elektronların etkisi altında indirgenir; anotta parçacıklar oksitlenerek elektronlarını elektrota verirler.

Elektrolizör katyonlarında (M N+) katoda (-) ve anyonlara (A) hareket eder N–) - anoda (+).

Ayrışma gerilimi Elektroliz sırasında elektrolit, elektrotlara uygulanması gereken minimum voltaj (harici emk) olarak adlandırılır. Örneğin standart koşullar altında bir çinko klorür çözeltisi için:

Zn2+ + 2 ē = Zn φ° = – 0,76 V,

Cl2+2 ē = 2Cl – φ° = + 1,36 V,

ve ayrışma voltajı her iki elektrotun standart elektrot potansiyellerinin toplamına (mutlak değer olarak) eşittir: 0,76 + 1,36 = 2,12 V, yani. ayrışma voltajı ilgili galvanik hücrenin emk'sinden daha düşük olamaz.

Ayrışma gerilimi iki elektrotun potansiyellerinden (iyon deşarj potansiyelleri) oluşur.

Vakum potansiyeli katyon bazen denir biriktirme potansiyeli maden Bu, katyonun yükünü kaybetmesi ve metal birikmesinin meydana gelmesi için elektroda uygulanması gereken minimum potansiyeldir. Bazı iyonlar için (Cu 2+, Ag +, Cd 2+) biriktirme potansiyeli elektrot potansiyeline yakındır, diğer iyonlar için (Fe 2+, Co 2+, Ni 2+) biriktirme potansiyelleri elektrot potansiyellerini önemli ölçüde aşar. metallerin - elektroliz için belirli bir aşırı gerilim gereklidir.

Ayırt etmek çözeltilerin elektrolizi Ve eriyiklerin elektrolizi. Çözeltilerin elektrolizi ikiye ayrılır inert elektrotlarla elektroliz Ve çözünür anotla elektroliz. Metal (Pt, Au) ve metalik olmayan (grafit) elektrotlar inert olabilir. Çözünür anot olarak Cr, Ni, Cd, Zn, Ag, Cu vb. malzemelerden yapılmış anotlar kullanılır.

Bazı metaller, yüksek anodik polarizasyondan dolayı pratik olarak çözünmez; örneğin alkalin bir çözeltide Ni ve Fe, H2S04'te Pb.

İnert elektrotlarla çözeltilerin elektrolizi. Elektrolitlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta genellikle metal yerine hidrojen salınır. Asidik ortamlarda hidrojen reaksiyonla oluşur:

2H + + 2 ē = H2.

Nötr ve alkali ortamlarda hidrojen, su moleküllerinin dahil olduğu bir reaksiyonla oluşur:

2H2O+2 ē = H2 + OH – .

Na+ veya K+ gibi katyonlar sulu çözeltide hiç boşaltılmaz, ancak hidrojen açığa çıkar.

Katyonlar, deşarj olma yeteneklerine göre, deşarj edilemeyenden kolay deşarj olabilene kadar gruplandırılabilir. Aynı zamanda elektroliz ürünleri de değişir. Bazı katyonlar için metal ve hidrojenin aynı anda oluşması mümkündür.

Aşağıda deşarj zorluklarını azaltan katyonlar ve elektroliz ürünleri verilmiştir:

Katyonlar Elektroliz ürünleri

Li + , K + , Na + , Mg 2+ , Al 3+ , H + (yönlendirme) H 2

Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3 + , Fe 2 + , H + (pH 7) M + H 2

Co 2+ , Ni 2+ , Sr 2+ , Pb 2+ , H + (pH 0) M + H 2

Cu 2+, Ag +, Au 3 + M

Bu serideki hidrojenin farklı konumları aşağıdaki nedenlerle açıklanmaktadır. Hidrojenin kurşun ve bakır arasındaki konumu, standart elektrot potansiyellerinin sayısal değerlerine karşılık gelir. İLE M n+ = İLE H+ = 1 mol/l, yani. pH=0'da. Hidrojenin demir ve kobalt arasındaki konumu, pH = 7'de (φ° H2 / H + = –0,414 V) sudaki hidrojenin elektrot potansiyeline karşılık gelir. Bu koşullar altında tüm metaller çözeltilerden çökeltilebilir; φ değeri ° –0,414 V'tan büyüktür. Ancak pratikte kobalt, nikel, kalay ve kurşunun yanı sıra sulu çözeltilerden çinko, krom ve demirin de çökeltilmesi mümkündür. Bu, katotta hidrojen gazı salınımının hidrojenin aşırı voltajı nedeniyle engellenmesiyle açıklanmaktadır.

Böylece katyon dizisinde Li + A1'e kadar 3+ metal oluşmaz ve elektroliz sırasında suyun indirgenmesi nedeniyle hidrojen açığa çıkar. Katyonlar serisinde Mn 2+ ila Pb 2+ elektroliz sırasında metal ve hidrojen aynı anda ve son olarak seri halinde oluşur Cu 2+ - Au 3+ sadece metal oluşur.

Sonuç olarak, bir metal standart elektrot potansiyelleri serisinde (voltaj serisi) ne kadar solda (başlangıca daha yakınsa), bu metali sulu bir çözeltinin elektrolizi ile izole etmek o kadar zor olur.

Birkaç katyon içeren bir çözeltiye giderek artan bir voltaj uygulanırsa, en yüksek elektrot potansiyeline (en pozitif) sahip katyonun biriktirme potansiyeline ulaşıldığında elektroliz başlar. Çinko iyonları içeren bir çözeltinin elektrolizi sırasında (φ °= –0,76 V) ve bakır (φ ° = +0,34 V), bakır ilk olarak katotta salınır ve ancak hemen hemen tüm Cu2+ iyonları boşaltıldıktan sonra çinko salınmaya başlar. Böylece, bir çözelti aynı anda çeşitli katyonlar içeriyorsa, elektroliz sırasında elektrot potansiyellerinin değerlerine göre sırayla izole edilebilirler.. Onlar için metal salınımının aşırı voltajının yaklaşık olarak aynı (ve küçük) olduğu varsayılmaktadır.

İlişkin anyon deşarj potansiyelleri o zaman suyun elektroliz işlemine katılma yeteneğinden dolayı buradaki resim çok daha karmaşıktır. Genel olarak potansiyeli en düşük (en az pozitif) anyonların ilk önce anottan deşarj edildiğini söyleyebiliriz. Çözelti Cl - (φ° = 1,36 V), Br - (φ° = 1,09 V) ve I - (φ° = 0,54 V) iyonlarını içeriyorsa, önce iyot, sonra brom ve son olarak klor oluşacaktır. Sulu bir çözeltideki florür iyonları hiçbir şekilde deşarj edilemez (φ ° = 2,87V).

Oksijen içeren anyonların çoğu (asetat iyonu hariç) sulu bir çözelti içinde boşaltılmaz; bunun yerine su, asidik ve nötr çözeltilerde ayrışır:

2H 2 Ö – 4 ē = Ö2 + 4H +,

ve alkalin çözeltilerde - hidroksit iyonlarının deşarjı:

2OH – – 2 ē = 1/2 O2 + H2O.

Anyonlar, sulu çözeltilerin elektrolizi sırasında boşaltılma yeteneklerine göre, SO 4 2–, NO 3 gibi oksijen içeren asitlerin sulu bir çözelti içinde boşaltılmayan anyonlarından, aşağıdaki sırada yer alır. kolayca boşaltılır:

Anyonlar Elektroliz ürünleri

SO 4 2–, NO 3 – vb., OH – O 2

Cl – , Br – , I – Cl 2 (ClO – , ClO 3 –), Br 2 , I 2 (+O 2)

S 2– S, SO 2 (+ O 2)

Böylece aşağıdaki ana formülü formüle edebiliriz. elektrolitlerin sulu çözeltilerinin çözünmeyen elektrotlarla elektrolizi için kurallar:

1. Elektrolit anyonlarından oksijensiz asitlerin anyonları (Cl–, Br–, S2– vb.) ilk olarak anotta boşaltılır.

2. Oksijen içeren asitlerin anyonları (SO 4 2–, NO 3 –, CO 3 2– vb.) suyun varlığında boşaltılmaz, bunun yerine su reaksiyona göre oksitlenir:

2H 2 Ö – 4 ē = 02 + 4H + .

3. Al'a (dahil) kadar olan voltaj aralığında bulunan aktif metaller katotta indirgenmez; bunun yerine su indirgenir:

2H2O+2 ē = H2 + 2OH – .

4. Alüminyumdan sonra ancak hidrojenden önce voltaj serisinde bulunan metaller, su molekülleriyle birlikte katotta indirgenir:

K: 1) Zn 2+ + 2 ē = Zn

2) 2H20 + 2 ē = H2 + 2OH – .

5. Pozitif elektrot potansiyeline sahip metaller önce katotta indirgenir:

Cu 2+ + 2 ē = Cu

Örneğin, sülfürik asidin (grafit elektrotlar) elektrolizi sırasında aşağıdaki işlemler meydana gelir:

katotta 2H + + 2 ē = H2,

anotta 2H 2 Ö – 4 ē = O2 + H+.

Özet denklem:

2H 2 Ö = 2H 2 + Ö 2,

onlar. Sülfürik asit çözeltisinin elektrolizi sırasında, su moleküllerinin ayrışması nedeniyle hidrojen ve oksijen açığa çıkar. Elektroliz ürünleri: hidrojen ve oksijen.

Bakır sülfat çözeltisinin elektrolizi:

katottaÇu 2 + + 2 ē = Cu,

anotta 2H 2 Ö – 4 ē = O2 + 4H +

Özet denklem:

2Cu 2+ + 2H 2 Ö = 2Cu + Ö 2 + 4H +

2CuS04 + 2H20 = 2Сu + O2 + 2H2S04.

Elektroliz ürünleri: bakır, oksijen, sülfürik asit.

Anyon deşarjı olasılığı konsantrasyonuna bağlıdır. Dolayısıyla konsantre ve seyreltik NaCl çözeltilerinin elektroliz ürünleri sırasıyla klor ve oksijendir.

Seyreltik bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizi, Cl iyonları (ve buna göre Na + iyonları) boşaltılmadan gerçekleşir, yani. suyun ayrışması meydana gelir. Anottaki tuz konsantrasyonu arttıkça oksijenle birlikte klor salınımı başlar ve konsantre çözeltilerde klor (oksijen karışımıyla) oluşur:

katotta 2H2O+2 ē = H2 + 2OH –

anotta 2Сl – ​​​​– 2 ē = Cl2 .

Özet denklem:

2Cl – + 2H20 = H2 + Cl2 + 2OH –

2NaCl + 2H20 = H2 + Cl2 + 2NaOH.

Elektroliz ürünleri: hidrojen, klor ve sodyum hidroksit.

Klorür çözeltilerinin elektrolizi sırasında klorun salınması durumunda, klor oluşumunun ana süreci, klorun su ile etkileşimi (hidroliz) reaksiyonları ve elde edilen maddelerin müteakip dönüşümleri üzerine bindirilir. Klorun hidrolizi, zayıf hipokloröz asit ve klorür iyonlarının (hidroklorik asit) oluşmasıyla meydana gelir:

Cl 2 + H 2 O = H + + Cl – + HC1O.

Hipokloröz asit, elektroliz sırasında oluşan alkaliyle (daha doğrusu Na + +OH –) ürün olarak sodyum hipoklorit NaClO'yu verir. Alkali bir ortamda genel reaksiyon denklemi şu şekildedir:

Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H20.

Yüksek sıcaklıklarda (kaynayan su), klorat iyonunun oluşmasıyla birlikte klor hidrolizi meydana gelir. Olası reaksiyon denklemleri:

3Cl 2 + 3H 2 O = ClO 3 – + 5 Cl – + 6H +,

3HClO = СlO 3 – + 2Сl – ​​​​+ 3Н +,

3СlО – = СlO 3 – + 2Сl – ​​​​.

Alkali bir ortamda genel denklem şu şekildedir:

3Cl2 + 6NaOH = NaClO3 + 5NaCl + 3H20.

Diyaframlı elektroliz. Seyreltik bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizi sırasında, Na + iyonları katoda hareket eder, ancak hidrojen açığa çıkar:

2H 2 O+2 ē = H2 + OH –

ve sodyum hidroksit çözeltisi konsantre edilir.

Klorür iyonları anoda doğru hareket eder, ancak düşük konsantrasyonları nedeniyle esas olarak klor yerine oksijen oluşur:

2H 2 Ö – 4 ē = O2 + 4H +

ve hidroklorik asit çözeltisi konsantre edilir.

Elektroliz bir beher veya benzeri bir kapta gerçekleştirilirse, alkali ve asit çözeltileri karıştırılır ve suyun ayrışması nedeniyle elektroliz, hidrojen ve oksijen oluşumuna indirgenir. Anot ve katot boşlukları, akım taşıyan iyonların geçmesine izin veren ancak elektrota yakın çözeltilerin karışmasını önleyen bir bölme (diyafram) ile ayrılırsa, elektroliz ürünleri olarak asit ve alkali çözeltileri elde edilebilir.

Bir sodyum klorür çözeltisinin elektrolizi sırasında, reaksiyonla katotta hidroksit iyonları oluşur:

2H2O+2 ē = H2 + 2OH –

hemen elektrik transferine katılmaya başlar ve C1 iyonlarıyla birlikte her iki iyonun da boşaltıldığı ve bir oksijen ve klor karışımının oluştuğu anoda hareket eder. Bu nedenle klor verimi düşer. Anot kömürden (grafit) yapılmışsa, oksijen ile oksitlenir ve kloru kirleten karbon oksitler CO ve CO2 oluşur. Daha sonra anotta oluşan klor, hidroksit iyonlarıyla etkileşime girer:

C1 2 + OH – = H + + Cl – + OCl – .

Hipoklorit iyonlarının oluşumu da istenmeyen bir süreçtir (eğer amaç bir sodyum hipoklorit çözeltisi elde etmek değilse). Katot ve anot boşluklarını ayıran ve OH iyonlarını tutan ancak Cl iyonlarının geçişine izin veren bir diyafram kullanırsanız tüm bu istenmeyen sonuçlardan kaçınılabilir. Son olarak diyafram, gazların difüzyonunu engeller ve daha saf hidrojen üretilmesini sağlar.

Çözelti birden fazla anyon içeriyorsa, bunların anottaki deşarj sırasını tahmin etmek katyonlara göre daha zordur, ancak genel olarak konuşursak kural, anyonun en düşük potansiyel değeri (veya elektrotun en yüksek negatif değeri) ile karakterize edilmesidir. Anotta meydana gelen reaksiyonun potansiyeli ilk önce boşaltılır).

Çözünebilir bir anotla çözeltilerin elektrolizi.Çözünebilir bir anotla elektroliz, metalin elektronları Cl-, OH- iyonlarından veya su moleküllerinden daha kolay vermesi durumunda mümkündür. Örneğin, bir bakır klorür veya sülfat çözeltisindeki bir bakır anotta, klor veya oksijen salınmaz, ancak Cu2+ iyonları çözeltiye geçer. Aynı zamanda katotta aynı iyonlar boşaltılır ve metalik bakır biriktirilir. Böylece, çözünür bir anotla yapılan elektroliz, bakırın anottan katoda transferine indirgenir.

Anottaki reaksiyon çoğu durumda çok sayıda yan ve çoğu zaman istenmeyen işlemler nedeniyle karmaşık hale gelir. Örneğin, ortaya çıkan iyonlar oksitler, hidroksitler ve bunların filmlerini oluşturabilir:

M 2+ + 2OH – = MO + H 2 O.

Anotta oksijen de açığa çıkabilir:

2H 2 Ö – 4 ē = Ö2 + 4H +,

elektrolitik sistemde çok çeşitli reaksiyonlara katılabilirler.

Gazlı ürünler, özellikle oksijen oluştuğunda, çoğu durumda yüksek aşırı gerilim değerlerinden dolayı ayrışma potansiyelleri elektrot potansiyellerine karşılık gelmez . Aşırı voltaj, gerçek ayrışma voltajı ile ilgili reaksiyonun teorik olarak elektrot potansiyellerinden hesaplanan EMF'si arasındaki farktır.. Açığa çıkan maddenin doğası (klor, brom ve iyot için aşırı gerilim çok küçüktür) ve elektrotun malzemesi aşırı gerilimin büyüklüğü üzerinde özellikle güçlü bir etkiye sahiptir. Aşağıda çeşitli katot ve anotlarda hidrojen ve oksijenin oluşumu sırasında aşırı gerilime ilişkin veriler bulunmaktadır.

Elektrot Aşırı Gerilimi, V

Hidrojen Oksijen

Pt kararmış 0,00 0,2–0,3

Pt parlak 0,1 0,4–0,5

Fe 0,1–0,2 0,2–0,3

Ni 0,1–0,2 0,1–0,3

Сu 0,2 0,2–0,3

Pb 0,4–0,6 0,2–0,3

Aşırı voltaj aynı zamanda elektrotların şekline, yüzeylerinin durumuna, akım yoğunluğuna, çözelti sıcaklığına, çözelti karıştırma yoğunluğuna ve diğer faktörlere de bağlıdır.

Hidrojenin demir üzerindeki aşırı gerilimi ~0,1 V, oksijenin ise aynı malzeme üzerindeki aşırı gerilimi ~0,3 V'dir. Dolayısıyla demir elektrotlar üzerinde elektroliz sırasında oluşan aşırı gerilim 0,1 + 0,3 = 0,4 V olacaktır. Bu değerin toplamı ve teorik olarak hesaplanması şu şekilde olacaktır: karşılık gelen elektrolitin deşarj voltajının minimum değeri.

Aşırı gerilime karşı tutum kararsızdır. Aşırı gerilim bir yandan enerji tüketiminin artmasına yol açarken diğer yandan aşırı gerilim sayesinde standart elektrot potansiyellerinin değerlerine göre çökelmemesi gereken birçok metalin sulu çözeltilerden çökeltilmesi mümkündür. Bunlar Fe, Pb, Sn, Ni, Co, Zn'dir. , CR. Aşırı gerilim ve çözelti konsantrasyonunun elektrot potansiyeli üzerindeki etkisi sayesinde, demir ürünlerinin elektrolitik krom ve nikel kaplaması mümkündür ve hatta bir cıva elektrotu üzerindeki sulu bir çözeltiden sodyum bile elde edilebilir.

Yüksek elektrolit konsantrasyonlarına sahip çözeltilerde Cl iyonlarının OH yerine sulu çözeltide deşarjı da oksijen aşırı voltajıyla açıklanır. Ancak bu aşırı gerilim F – iyonlarının deşarjına ve serbest florin salınımına neden olacak kadar yeterli değildir.

Aşırı voltajın büyüklüğü diğer birçok kinetik faktörden etkilenir - parçacıkların elektrotlara aktarım hızı ve elektroliz ürünlerinin uzaklaştırılması, hidrasyonun ve boşaltılan iyonların diğer kabuklarının yok edilme hızı, atomların diatomik gaz halinde birleşme hızı. moleküller vb.

Seçenek 1

1. Reaksiyon denklemlerini yazın: a) çinko oksitten kömürle indirgenerek çinko elde edilmesi; b) hidrojen ile indirgeme yoluyla kobalt (II) oksitten kobaltın elde edilmesi; c) titanyum (IV) magnezyum klorürden termal yöntemle titanyum elde edilmesi. Reaksiyonu bir redoks reaksiyonu olarak düşünün: atomların oksidasyon durumlarını belirleyin ve katsayıları düzenleyerek bunları elektron dengesi yöntemini kullanarak belirleyin.

2.Elektroliz sırasında meydana gelen reaksiyonların diyagramlarını ve denklemlerini çizin: a) erimiş potasyum klorür; b) çinko bromür çözeltisi; c) demir (II) sülfat çözeltisi.

3. Metal korozyonunun özü nedir? Hangi korozyon türlerini biliyorsunuz?
Korozyon, çevre ile kimyasal, elektrokimyasal veya fizikokimyasal etkileşim sonucu metallerin ve alaşımların kendiliğinden tahrip olmasıdır.

4. Çelik kapak üzerinde bakır perçin bulunmaktadır. İlk önce ne kırılacak; kapak mı yoksa perçin mi? Neden?
Çelik kapak demir içerdiğinden ve demir bakırdan daha reaktif bir metal olduğundan paslanma olasılığı daha yüksektir. Ayrıca demir ve bakır, demirin anot olduğu galvanik bir çift oluşturur ve bakırın, yani katotun içine çöker ve bozulmadan kalır.

Seçenek 2

1. Reaksiyon denklemlerini yazın: a) alüminotermik yöntemle demir (III) oksitten demir elde etmek; b) kömürle indirgeme yoluyla bakır (II) oksitten bakır elde edilmesi; c) hidrojen ile indirgeme yoluyla yüksek oksitinden tungstenin elde edilmesi. Reaksiyonu bir redoks reaksiyonu olarak düşünün: atomların oksidasyon durumlarını belirleyin ve katsayıları düzenleyerek bunları elektron dengesi yöntemini kullanarak belirleyin.

2.Elektroliz sırasında meydana gelen reaksiyonların diyagramlarını ve denklemlerini çizin: a) bakır (II) bromür çözeltisi; b) sodyum iyodür çözeltisi; c) kurşun (II) nitrat çözeltisi.

3. Hangi faktörler metallerin korozyonunun artmasına neden olur?

4. Kalaylı (kalay kaplı) bir demir tank neden koruyucu tabakanın hasar gördüğü yerde hızla çöküyor?
Ayrıca demir ve kalay galvanik bir element oluşturur; burada demir anottur ve daha hızlı yok edilir, katot olan kalay ise bozulmadan kalır.

Seçenek 3

1. Reaksiyon denklemlerini yazın: a) bakır (II) oksitten hidrojen ile indirgenerek bakır elde edilmesi; b) demir oksitten (III) karbon monoksit (II) ile indirgeme yoluyla demir elde edilmesi; c) Kalsiyum termal yöntemiyle vanadyum (V) oksitten vanadyumun elde edilmesi. Reaksiyonu bir redoks reaksiyonu olarak düşünün: atomların oksidasyon durumlarını belirleyin ve katsayıları düzenleyerek bunları elektron dengesi yöntemini kullanarak belirleyin.

2.Elektroliz sırasında meydana gelen reaksiyonların diyagramlarını ve denklemlerini çizin: a) erimiş kalsiyum klorür; b) potasyum bromür çözeltisi; c) çinko sülfat çözeltisi.

3. Hangi faktörler metallerin korozyonunu yavaşlatmaya yardımcı olur?
-Aşındırıcı ortamların nötralizasyonu veya deoksijenasyonunun yanı sıra çeşitli korozyon önleyicilerin kullanılması;
-Metal veya alaşımdan korozyon sürecini hızlandıran yabancı maddelerin uzaklaştırılması (magnezyum veya alüminyum alaşımlarından demirin, demir alaşımlarından kükürtün uzaklaştırılması).
- Uygun olmayan metal temas noktalarının veya izolasyonlarının ortadan kaldırılması, yapıdaki çatlak ve boşlukların giderilmesi, durgun nem alanlarının ortadan kaldırılması.

4. Bir elektrolitin varlığında karşılıklı temas halinde hangi metaller daha hızlı yok edilir: a) bakır ve çinko; b) alüminyum ve demir? Neden?
Belirli bir çiftteki daha aktif metal daha hızlı bozunacaktır
a) çinko bakırdan daha aktif bir metaldir;
b) alüminyum demirden daha aktif bir metaldir.

Seçenek 4

1. Reaksiyon denklemlerini yazın: a) hidrojen ile indirgenerek yüksek oksitinden molibdenin elde edilmesi; b) alüminotermik bir yöntemle krom (III) oksitten krom üretmek; c) Nikel (II) oksitten kömürle indirgeme yoluyla nikel elde edilmesi. Reaksiyonu bir redoks reaksiyonu olarak düşünün: atomların oksidasyon durumlarını belirleyin ve katsayıları düzenleyerek bunları elektron dengesi yöntemini kullanarak belirleyin.

2. Aşağıdakilerin elektrolizi sırasında meydana gelen reaksiyonlar için diyagramlar ve denklemler yapın: a) bir bakır (II) klorür çözeltisi; b) sodyum iyodür çözeltisi; c) nikel(II) nitrat çözeltisi.

3. Metal korozyonuyla mücadele yollarını listeleyin.

4. Galvanizli bir tanktaki çinko neden çizik yerinde tahrip oluyor ama demir paslanmıyor?
Çinko demirden daha aktif bir metaldir. Ayrıca demir ve çinko, çinkonun anot olduğu ve daha hızlı yok edildiği ve katot olan demirin bozulmadan kaldığı galvanik bir hücre oluşturur.