Явление электролиза в водных растворах

Без перенапряжения все было бы просто. Представьте себе, что в одном растворе содержатся ионы разных элементов. Хочу задать вам вопрос: при прохождении электрического тока через раствор, при проведении электролиза, какие ионы выделятся раньше всего, при самом низком потенциале? Вы, конечно, скажете: ионы того вида, который характеризуется самым низким потенциалом разряжения. И так как эти потенциалы по значению должны были бы точно равняться электродным потенциалам и отличаться от них только знаком, из этого следует, что отделятся прежде всего те ионы, которые обладают наибольшим электродным потенциалом и расположены в конце ряда относительной активности, т. е. самые сильные окислители. Среди металлов это будут ионы золота, серебра, ртути, меди... Далее идут водород, железо и цинк и в самом конце, при максимальном напряжении, выделятся ионы щелочных металлов. Нельзя забывать и о перенапряжении, особенно когда речь идет о выделении водорода. А его нельзя недооценивать. В водных растворах вещества всегда присутствуют ионы водорода.

Давайте решим, например, вопрос: можно ли получать щелочные металлы путем электролиза водных растворов их солей? Посмотрим на ряд потенциалов разложения ионов. В нем водород стоит далеко впереди щелочных металлов. Это означает, что в водных растворах солей щелочных металлов ионы водорода выделятся раньше ионов металла.

– До каких же пор будет выделяться водород, а не натрий или калий?

– До тех пор, пока имеются ионы водорода, пока речь идет о водном растворе.

– Выходит, чтобы получить щелочные металлы, приходится подвергнуть электролизу растворы их солей.

– Так поступают и на практике. Получение не только щелочных и щелочноземельных металлов, но и алюминия, магния возможно путем электролиза растворов их солей или гидроксидов.

– И так обстоят дела со всеми металлами, расположенными после водорода в ряду потенциалов разложения?

– К счастью, нет. В уравнении Нернста, как вы знаете, есть слагаемое, характеризующее зависимость электродного потенциала от концентрации ионов. В водных нейтральных, щелочных или слабокислых растворах концентрация ионов водорода настолько мала, что на процесс, электролиза они не оказывают существенного влияния. Отделяются они при гораздо более высоком напряжении, чем в сильнокислых растворах – после большей части ионов металлов. Это понятно. Здесь противоречия между теорией и практикой нет. Удивительно то, что ионы некоторых металлов могут выделяться раньше ионов водорода в сильнокислых растворах тогда, когда потенциал разряда ионов водорода достаточно мал. Вот, к примеру, цинк; его можно получить из растворов его солей, но только из кислых растворов. Дело здесь в перенапряжении. Перенапряжение водорода по отношению к цинку настолько велико, что в действительности ионы водорода перемещаются назад и располагаются даже после ионов цинка в ряду потенциалов разложения. Это имеет непосредственное практическое значение. Случай с цинком не единственный. Например, при работе свинцового аккумулятора трудностей нет. А при его зарядке? Ведь раствор сильнокислый. Нужно было бы, чтобы при прохождении электрического тока через сернокислый раствор, выделялся водород, а валентное состояние свинца не менялось бы. Нужно было бы..., если не было бы перенапряжения водорода по отношению к свинцу. А это перенапряжение достаточно велико, чтобы заставить ионы водорода терпеливо ожидать своей очереди в ячейке аккумулятора.

А нельзя ли найти такой электрод, металл, перенапряжение водорода по отношению к которому будет значительным? Настолько значительным, что ионы водорода окажутся в ряду потенциалов разряда ионов после щелочных металлов. Действительно ли невозможно выделить путем электролиза щелочные металлы из водных растворов их солей? Возможно. Такой электродный материал существует. Это ртуть.

Перенапряжение водорода по отношению к ртути настолько велико, что при электролизе она выделяется после щелочных металлов. При этом образуются амальгамы – сплавы металла с ртутью – из которых можно выделить чистый металл. Находит применение и сама амальгама.

Давайте обобщим наши знания об электролизе. Итак, при электролизе окислительно-восстановительный процесс вызывается электрической энергией. (На катоде происходит восстановление, а на аноде – окисление.) А это уже интересует непосредственно нас, химиков. Нам важно проводить окислительно-восстановительные процессы без значительных затрат топлива и энергии, без огромных реакторов и мешалок – в электролизных ваннах. А кроме того, некоторые металлы можно получить только электролизом, и пришло время обсудить, как применяют электролиз. Для начала поговорим

Вакансия руководителя склада готовой продукции в Санкт Петербурге


Полезное чтиво:
Об электрометаллургии
Где используется явление электролиза
Выделение примеси металлов
Коррозия и гальванические покрытия
Как сохранить покрытие корпуса
Электролиз воды