Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат

.

Работу выполнил учник 11 “Б” класса Кульпанов Андрей Иванович.

Средняя общеобразовательная школа № 35

Городское образовательное учреждение г Нижнего Новгорода

г. Нижний Новгород

2003 г.

1. Введение.

Британский физик и химик Майкл Фарадей установил законы электролиза, связавшие количество электричества, прошедшее через раствор, с массой и природой растворенного вещества. Он сделал количественную электрохимию – раздел химии Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, изучающий процессы перехода хим энергии в электронную и назад.

Исследование и практическое применение химических процессов стало вероятным после сотворения гальванических частей – хим источников неизменного электронного тока. В 1799 г. итальянский физик А. Вольт сделал 1-ый хим генератор неизменного тока (“Вольтов столб”). Возможность внедрения “Вольтова столба” для практических целей сразу заинтриговала ученых. Английские Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат исследователи У. Нильсон и А. Карлейль первыми использовали его для электролиза смесей солей, щелочей и кислот. В 1800 г. они выполнили разложение воды на кислород и водород.

Потом британский химик и физик Г. Деви, проводя электролиз солей щелочных и щелочноземельных металлов, выделил их в чистом виде: в 1807 г. он получил Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат калий и натрий, а в 1808 г. – кальций и магний. Российский исследователь В. В. Петров, который положил начало химическим исследованиям в Рф, в 1802 г. сделал наибольший в то время “Вольтов столб”, состоявший из 2100 медно-цинковых пластинок, и провел ряд важных исследовательских работ. Так, он в первый раз использовал электронный Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат ток для получения незапятнанных металлов в итоге электровосстановления их оксидов.

Исследования Фарадея процессов в смесях электролитов при пропускании через их электронного тока продолжалось недолго. В 1833 г. он начал их, а уже в 1834 г. окончил. Но за этот маленький срок Фарадей смог установить главные закономерности явления электролиза, которые стали фундаментом всех Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат современных теоретических мнений в этой области, также способов его практического использования. Вся современная терминология, применяющаяся при описании электролиза, была предложена Фарадеем в этот период. Он ввел определения “электрод”, “электролит”, “анод”, “катод”, “ион”, “анион” “катион”, “электролиз”, понятие “диэлектрическая проницаемость”.

Фарадей установил, что существует строго соотношение меж количеством прошедшем через раствор Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат электролита электричества и количеством выделившегося вещества. Установить эту зависимость стало вероятным после того, как Фарадей сделал прибор для измерения проходящего через раствор электричества, который он именовал вольтаэлектрометром.

Актуальность электролиза разъясняется тем, что многие вещества получают конкретно этим методом. К примеру, такие металлы как никель, натрий, незапятнанный водород Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат и другие, получают только при помощи этого способа. Не считая того, с его помощью электролиза относительно просто можно получить незапятнанные металлы, массовая толика самого элемента в каких стремиться к 100 процентам. В индустрии алюминий и медь почти всегда получают конкретно электролизом. Преимущество этого метода в относительной дешевизне и простоте. Но чтоб Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат создание было более прибыльным: с меньшими затратами электроэнергии и с большим выходом продукции, нужно учесть разные причины, действующие на количество и качество товаров электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, материал электродов и др.).

На сегодня большой популярностью пользуются разные предметы, покрытые драгоценными металлами, (позолоченные либо посеребренные вещи Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат).

К тому же изделия из металаа покрывают слоем другого металла электролитическим методом с целью защитить его от коррозии.

Таким макаром, исследование химических процессов, определение причин, влияющих на их, установление новых методов использования процессов электролиза в промышленных критериях сохранило свою актуальность и востребованность в наши деньки.

В реферате мной были определены последующие Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат задачки:

-- ознакомление с теоретическими основами электролитических процессов;

-- найти воздействие разных причин на высококачественный и количественный состав товаров электролиза;

-- выделить области практического внедрения электролиза;

-- экспериментально найти воздействие высококачественного состава начального электролита на состав товаров электролиза.

2. Теоретические базы электролиза. Законы Фарадея.

При прохождении электричества через железные проводники состав металла не меняется. Переносчиком Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат электричества, а лих являются «свободные» электроны наружной электрической оболочки. В электролитах свободные электроны отсутствуют, и электричество в их переносится ионами. На границе металл--раствор электрическая проводимость изменяется на ионную. Такая трансформация проводимости осуществляется химическими реакциями, протекающими на электродах. На катоде электроны перебегают на частички раствора, способные восстанавливаться. На Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат аноде такое же количество электронов освобождается при окислении частиц, содержащихся в растворе, либо при переходе вещества анода в виде катионов в раствор.

В 1833 г. М. Фарадей установил, что меж количеством прошедшего через электролит электричества и количеством выделившихся на электродах веществ существует прямо пропорциональная зависимость.

1-ый закон Фарадея устанавливает Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, что количество вещества, которое окисляется на аноде либо восстанавливается на катоде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.

Согласно второму закону количество веществ, выделенных на электродах равными количествами электричества, пропорционально их эквивалентным весам.

Экспериментальное доказательство законов Фарадея можно получить, если пропустить определенное количество электричества через поочередно соединенные электролизеры, к примеру Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, с смесями азотнокислых солей натрия, ртути, меди и серебра, поместив в их электроды из платины.

Рис. 1 Опыт подтверждающий закон Фарадея.

При всем этом на анодах во всех 4 ячейках выделится однообразное количество кислорода, химически эквивалентное количеству водорода, ртути, меди и серебра, выделившихся на катодах.

Схематически это можно записать в Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат последующем виде:

1-ый электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде:

4H+ + 4e ®4H0

¬ Na+ NO3 ®¬4OH- - 4e ® 2H2 O+ O2

4H ® 2 H2 ¬ H+ OH- ®

4NaNO3 + 6H2O ® 2H2 + O2 + 4NaOH + 4HNO3

2-ой электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 2Hg2+ + 4e® 2Hg¬Hg2+ NO3- ® 4OH- - 4e® 2H2O + O2

¬ H Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат+ OH- ®

2Hg(NO3)2 + 2H2O ® 2Hg + O2 + 4HNO3

3-ий электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 22 2Cu2+ + 4e® 2Cu¬Cu2+ NO3- ® 4OH- - 4e® 2H2O + O2

¬ H+ OH- ®

2Cu(NO3)2 + 2H2O ® 2Cu + O2 + 4HNO3

4-ый электролизер.

На катоде: В растворе: На аноде: 4Аg+ + 4e® 4Hg¬ Аg+ NO3- ® 4OH- - 4e® 2H Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат2O + O2

¬ H+ OH- ®

4Аg(NO3)2 + 2H2O ® 4Ag + O2 + 4HNO3

По второму закону Фарадея на химическое выделение 1 г-экв вещества требуется 96491,4 к. электричества (по углеродной шкале атомных весов), что эквивалентно протеканию 6,02296- 1023 электронов. Количество грамм-эквивалентов выделенного электролизом вещества (N) можно высчитать по формуле:

N = (I*t)/F Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат (А*сек/А*сек*г-экв-1)

где I — сила тока, A; t— время, По числу грамм-эквивалентов вещества просто высчитать его вес в граммах (g) либо концентрацию в растворе (в г-экв/л, моль/л, г/л, и.т. д.):

g=N*э = (э*I*t)/F

где Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат э — грамм-эквивалент вещества, г.

Если, к примеру, в рассматриваемом опыте выделилось 5,6 л кислорода, приведенных к обычным условиям (t=00C, Р=1 атм.), то водорода должно получиться 11,2л, ртути- 100,315 г, меди — 31,77 г, серебра - 53,90 г .

При электролизе может выделиться вещества меньше, чем это следует из закона Фарадея. Предпосылкой такового кажущегося отличия является одновременное Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат протекание на электроде 2-ух реакций. К примеру, при электровосстановлении цинка на катоде, не считая цинка, выделяется также и водород. Время от времени продукт электролиза вступает во взаимодействие с субстанциями, содержащимися в растворе, либо с веществом электрода. Так, выделяющийся на аноде хлор вступает в реакцию с водой и едким Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат натром, а кислород— с угольным анодом.

3. Электроды.

Электродами могут служить многие металлы, графит и некие окислы, владеющие электрической либо дырочной проводимостью. При прохождении неизменного тока на катоде скапливаются электроны, которые ассимилируются ионами либо молекулами, содержащимися в растворе; на аноде ионы, атомы либо молекулы отдают электроны. На катоде могут выделяться Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат газообразные, твердые нерастворимые либо растворимые в электролите вещества. Водород при электролитическом выделении способен растворяться в неких металлах (платина, палладий, железо, никель). Если катодом служат окислы железа, свинца и других металлов, то они восстанавливаются атомарным водородом до свободных металлов. При анодной реакции сначала окисляется вещества с более отрицательным окислительным Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат потенциалом. Если продукты окисления анода нерастворимы, на нем может образоваться пассивирующая окисная либо солевая пленка, в итоге чего потенциал анода сдвигается в положительную сторону и становится вероятным окисление 1-го из веществ, содержащихся в растворе.

При прохождении переменного тока через электролизер полярность электродов временами изменяется, что приводит к чередованию на одном и том Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат же электроде процессов окисления и восстановления. В данном случае продукты электролиза ведут взаимодействие меж собой либо преобразуются химическим методом а начальные вещества. Потому переменный ток в электролизе не применяется.

Выбирая материал для катода, учитывают способность металла всасывать водород, коррозионную стойкость его, также воздействие на быстроту реакции Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат восстановления.

Труднее обстоит дело с выбором материала для анода, так как он способен окисляться. Анод не будет растворяться, если его окислительный потенциал больше, чем у веществ, содержащихся в растворе; вещество анода должно сложнее окисляться, чем вещество, которое лучше окис* лить. Более тяжело окисляются платина, золото, серебро, графит.

При электрорафинировке, электрополирсвке, гальванопластике и Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат гальваностегии аноды изготавливают из такого же металла, какой восстанавливается на катоде. Тогда вещество анода окисляется и в виде катионов перебегает в раствор. Катионы, достигая катода, восстанавливаются на нем опять до металла.

Окислительные потенциалы фтора, марганцовокислого калия, двуокиси свинца, перекиси водорода, надсерной кислоты более положительны, чем потенциалы Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат других веществ, из которых можно было бы сделать аноды. Казалось бы, что эти вещества электролизом получить нельзя. Но вероятны случаи, когда па поверхности анода при электролизе образуются нерастворимые соединения, которые пассивируют анод и делают его инертным (образование окислых пленок на нержавеющих сталях, хроме, никеле, также пленки из хлористого серебра на серебре Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат при электролизе, смесей хлоридов).

4. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ.

На электродах как под действием тока, так и в его отсутствие, протекают химические реакции, приводящие к установлению определенного скачка потенциала на границе электрод — раствор (так именуемого электродного потенциала— ф). При отсутствии наружного тока на границе электрод — раствор устанавливается равновесие меж окисленной и восстановленной Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат формами вещества:

[Ox]+nе[Red],

где [0х] и [Red]—концентрации окисленной и соответственно восстановленной формы вещества;

ne – количество электронов, участвующих в химической реакции.

химической реакции.

Если металл электрода способен окисляться и посылать катионы в раствор, то на электроде стремительно устанавливается равновесие.

Потенциал электрода будет отрицательным, если катионов металла перейдет в Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат раствор больше, чем за это время их восстановится. Если же процесс восстановления превалирует над процессом окисления, то потенциал будет положительным. Потенциал активных металлов, погруженных в смеси, содержащие катионы тех же металлов, отрицателен. Металлы, стоящие в ряду активности правее водорода, имеют положительное значение потенциала. Последовательность расположения металлов в ряду активности Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат как раз и определяется величиной их металлов в ряду активности как раз и определяется величиной их электродных потенциалов. Чем легче окисляется металл, тем отрицательнее его электродный потенциал, тем огромную электродвижущую силу (э.д.с.) будет иметь гальванический элемент, составленный из электрода данного металла и второго электрода Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат с известным значением потенциала (электрода сопоставления). Потому ряд активности металлов вернее именовать рядом напряжений.

Если вещество электрода инертно (не растворяется в электролите), а в растворе содержатся вещества, способные окисляться--восстанавливаться, то они могут отымать у электрода либо отдавать ему электроны. Инертный электрод в данном случае зарядится либо негативно (если растворенное Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат вещество легче дает электроны, чем воспринимает), либо положительно (если оно отбирает электроны от электрода легче, чем дает). При всем этом на границе инертный электрод— раствор устанавливается равновесие.

Скачек потенциала, возникающий на границе инертный электрод – раствор, именуют окислительно-восстановительным либо редокс-потенциалом. Примерами таких электродов могут служить: платина, погруженная в Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат раствор солей ионов двух- и трехвалентного железа либо раствор, содержащий ионы хлора и свободный хлор, нержавеющая сталь в растворе, содержащем кислород.

Если одна из форм окислителя – восстановителя находиться в газообразном состоянии, то электроды именуют газовыми: водородный, кислородный, хлорный.

Во всех случаях электродный потенциал будет тем отрицательнее, чем легче вещества окисляются Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, и тем положительнее, чем легче они восстанавливаются. Таким макаром, электродный потенциал служит мерой окислительно-восстановительной возможности веществ.

В связи с тем, что потенциал электрода зависит еще от температуры и от концентрации окислителя-восстановителя в растворе, было введено понятие о стандартных электродных потенциалах (о потенциалах, измеренных при равных Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат критериях). Это позволяет ассоциировать окислительно-восстановительную способность разных веществ. Стандартные потенциалы измерены при температуре 250 С в смесях, содержащих 1 г-ион (в случае неэлектролитов по одному молю) и 1000 г. воды окисленной и восстановленной форм веществ, принимающих роль в электродной реакции. Если одна из форм вещества является газом, то раствор насыщают Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат им под давлением 1 атм.

Так, к примеру, стандартный редокс-потенциал химической реакции Fe3+ -e Fe2+ равен потенциалу платиновой пластинки при 250 С в растворе, содержащем по одному г-иону ионов Fe3+ и Fe2+ в 1000 г. воды. Стандартный потенциал медного электрода равен потенциалу медной пластинки в растворе ионов Cu2+ на 1000 г Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат. воды.

Зависимость потенциала электродной реакции

Ox + pA + ne«Red + mB

От температуры и концентрации, участвующих в ней веществ выражается формулой Нернста:

ф =ф0 + (R*T/n*F)* ln([0х]*[A]p/[Red]*[B]m)

где ф0 - стандартный электродный потенциал, в;

R – универсальная газовая неизменная Менделеева – Клапейрона, равная

8,314 Дж;

T – абсолютная температура, К;

F Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат – число Фарадея, к;

n – число электронов, участвующих в электродной реакции;

ln – натуральный логарифм (ln х = 2,303 lgx);

[0х] и [Red] — исходные концентрации окислительной и

соответственно восстановительной формы вещества, для

которых рассчитывается окислительно-восстановительный

потенциал;

[A] и [B] – исходные концентрации других веществ, участвующих

в электродной реакции (обычно вода Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, ионы Н+ либо ОН-);

m и p – стехиометрические коэффициенты в уравнении электродной

реакции.

По уравнению электродной реакции просто высчитать окислительный потенциал системы.

Пример 1.

Высчитать окислительный потенциал электродной реакции

PbO2 + 4H+ +SO42- +2e « PbSO4 2H2O

Если концентрация ионов водорода в растворе серной кислоты равна

3 г-иона/л при 250С.

Решение.

Найдем в таблице Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат стандартных электродных потенциалов значение ф0 для электродной реакции.

ф0 = PbO2, H+/PbSO4 = 1,685 в,

ф PbO2

H+/PbSO4 = ф0 + (2,303*8,314/2*96491,4) lg ([PbO2]*[H+]4/[PbSO4]*[H2O]2) =

ф0(0,0591/2)*lg[H+]4 = 1.685 + 0.0295*lg34 = 1.713 (в).

Двуокись свинца и сернокислый свинец – твердые вещества, концентрация их принимается равной единице. Количество воды в растворе велико по сопоставлению Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат с тем, которое появляется в рассматриваемой реакции, а потому ее концентрация в расчет не принимается.

Пример 2.

Высчитать значение потенциала меди, находящегося в растворе, содержащем 0,1 г-ион/л катионов Cu2+ при температуре 250 С.

Решение.

ф Cu2+/ Cu = 0,34+(0,0591/2)*lg (0.1/1) =0.31(в).

Стандартные электродные потенциалы неких окислительно-восстановительных систем при 250 С

Окисленная форма Восстановленная форма Уравнение Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат реакции В
1. Li+ Li Li+ + 1ē↔Li -3,05
2. K+ K K+ + 1ē↔K -2,92
3. Ba2+ Ba Ba2+ + 2ē ↔Ba -2,90
4. Ca2+ Ca Ca2+ + 2ē ↔Ca -2,87
5. Na+ Na Na+ + 1ē↔Na -2,71
6. Mg2+ Mg Mg2+ + 2ē↔Mg -2,36
7. Al3+ Al Al3+ + 3ē↔Al -1,66
8. Mn2+ Mn Mn2+ + 2ē↔Mn -1,05
9. SO32- S SO32- + 4ē + 3H2O ↔ S + 6OH- -0,90
10. SO42- SO32- SO42- + 2ē + H2O ↔ SO32- + 2OH- -0,90
11. NO3- NO2 NO3- + ē + H2O ↔ NO2 + 2OH- -0,85
12. H2O H2 H2O + 2ē↔ H2 + 2OH- -0,83
13. Zn2+ Zn Zn2+ + 2ē ↔Zn -0,76
14. Cr3+ Cr Cr3+ + 3ē↔Cr -0,74
15. Fe2+ Fe Fe2+ + 2ē↔Fe -0,44
16. Ni Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат2+ Ni Ni2+ + 2ē↔Ni -0,25
17. Sn2+ Sn Sn2+ + 2ē↔Sn -0,14
18. Pb2+ Pb Pb2+ + 2ē↔Pb -0,13
19. 2H+ H2 2H+ + 2ē↔H2 0,00
20. Cu2+ Cu Cu2+ + 2ē↔Cu 0,34
21. Ag+ Ag Ag+ + 1ē↔Ag 0,80
22. NO3- NO2 NO3- + ē + 2H+↔ NO2 + H2O 0,81
23. Br2 2Br- Br2 + 2ē↔2Br- 1,07
24. O2 H2O O2 + 4ē + 4H+↔2H2O 1,23
25. Cl2 2Cl- Cl2 + 2ē↔2Cl- 1,36
26. Au3+ Au Au3+ + 3ē↔Au 1,50
27. F2 2F- F2 + 2ē↔2F- 2,87

Таблица 1.

5. Напряжение разложения электролита.

При наложении на электроды наружного тока Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат равновесие электродных реакций [Ох]+nе [Red] нарушается. На электроде, присоединенном к отрицательному полюсу источника тока, оно сместится на право, а потенциал — до значения, при котором быстроту реакции восстановления окислителя будет превосходить скорость оборотной реакции на величину наружного тока. На электроде, присоединенном к положительному полюсу источника тока, будут происходить подобные Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат электродные процессы, но обратно направленные. В итоге смещения потенциалов в электролизере появляется э. д. с, равная напряжению, приложенному снаружи, и обратная по направлению. Но, как указывает опыт, ток приметной величины начинает проходить через электролитическую ячейку только при достижении напряжения на электролизере до определенной величины. Зависимость силы тока от приложенного напряжения Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат при электролизе показана на графике (рис. 2). На кривой виден излом. Продолжение прямого участка кривой до скрещения с ось абсцисс отсекает на ней отрезок, равный наименьшему напряжению, необходимому для разложения электролита инертных электродах, при котором происходит электролиз с приметной скоростью. Это малое напряжение именуют напряжением (э.д.с.) разложения электролита Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат.

Сбалансированные потенциалы электродных реакций, протекающих при электролизе, рассчитывают по формуле Нернста. Для этого в таблице стандартных электродных потенциалов находят значения потенциалов реакций, подставляют в формулу концентрации веществ, участвующих в электродных реакциях и решают уравнение с одним неведомым. Разность отысканных по формуле Нернста сбалансированных потенциалов катода и анода равна э Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат. д. с, при которой скорости прямых и оборотных реакций на электродах равны. Как следует, при отысканном значении э. д. с. ток в цепи равен нулю. Электролиз будет протекать только при напряжении, превосходящем разность сбалансированных потенциалов электродных реакций. Только при таком условии может быть прохождение тока. К примеру Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, при электролизе воды катод можно рассматривать как водородный, а анод как кислородный электроды. Э. д. с. таковой пары электродов при отсутствии тока в цепи и рН—7 равна 1,23 в.

Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения при электролизе.

При получении кислорода и водорода электролизом, раствора серной кислоты на платиновых электродах Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат требуется напряжение на 0,5 в большее, чем 1,23 в, а конкретно более 1,7 в. Эта часть напряжения нужна для преодоления сопротивления протеканию тока, связанного с перенапряжением (затруднением) химических реакций, и сопротивления электролита.

V=фа - фк +na +nk + фраств

Где V – напряжение на электродах ванны;

фа и фк – потенциалы катода и анода, рассчитанные по формуле Нернста,

с Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат учетом конфигурации концентрации веществ при электролизе;

фраств – падение напряжения на сопротивлении раствора

na и nk – перенапряжение анодной и катодной реакций.

При всем этом часть электродной энергии преобразуется в хим, а часть – в термическую.

A = n*F*v = n*F*(фа - фк +na +nk + фраств ) = An + Ah + Aраств

Где n*F Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат – число Фарадеев электричества, нужное для восстановления

на катоде и окисления на аноде 1 моля вещества.

An - Нужная работа (An = n*F*(фа - фк));

Aраств - теплота освобождающаяся на сопротивление электролита

(Араств = n*F*фраств);

Ah - теплота освобождающаяся на сопротивление перенапряжения

(Ап = n*F*(na +nk));

Из этих уравнений следует Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, что перенапряжение электродных реакций и сопротивление раствора понижают к. п. д. электролитической ванны.

Напряжение разложения электролита равно разности меж напряжением, подаваемым на ванну, и падением напряжения на сопротивлении раствора. Оно складывается из сбалансированных электродных потенциалов и соответственных перенапряжений катодной и анодной реакций:

Ep = v - фраств = фа - фк +na +nk

Напряжение разложения зависит как Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат от природы электролита, так и от природы электродов.

6. Поляризация электродов.

При электролизе потенциалы электродов смещаются в обратные стороны до значений, при которых становится вероятным протекание катодной и анодной реакций. Это явление носит заглавие поляризации. Электроды при электролизе поляризуются в следствии последующих обстоятельств:

конфигурации хим природы поверхности электродов при накоплении Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат на их товаров электролиза (хим поляризация);

замедленности стадии разряда (ионизации) участвующих в реакции веществ при следующих неэлектрохимических стадий (перенапряжение);

неспешного подвода (отвода) к электроду веществ, участвующих в электродном процессе, по сопоставлению со скоростью самой реакции (концентрационная либо диффузионная поляризация).

Хим поляризация электродов наблюдается в тех случаях Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, когда на их адсорбируют либо отлагаются продукты окисления-восстановления. Так, к примеру, на платиновом катоде при электролизе воды адсорбируется водород и катод из платинового вроде бы преобразуется в водородный, для которого свойственна электродная реакция 2Н+ + 2е « Н2 и соответственное значение потенциала. При выделении хлора на платиновом электроде платиновый электрод преобразуется в Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат хлорный. Точно так же при гальваническом покрытии меди никелем медный электрод преобразуется в никелевый, и потенциал сдвигается в негативную черту до значения, соответственного никелевому электроду.

В ряде всевозможных случаев прохождению электронного тока препятствует замедленность перехода электронов с катода на восстанавливающиеся частички либо с частиц восстановителя на анод. Для Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат того чтоб электролиз протекал с довольно высочайшей скоростью, потенциал катода должен быть сдвинут от сбалансированного значения в негативную черту, а потенциал анода соответственно в положительную. Затрудненной возможно окажется и какая – или другая стадия электродной реакции, к примеру десорбция газообразных товаров электролиза, образование новейшей фазы на поверхности электрода (кристаллов металла либо пузырьков Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат газа), соединение атомов в молекулы, адсорбция разряжающихся ионов и.т.д.

Перенапряжение электродных реакций можно вычислить по разности меж напряжением разложения и э.д.с. хим поляризации:

na + nk = Ер - фа + фк

Оно находится в зависимости от плотности тока, проходящего через электроды, и эта зависимость выражается уравнением Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат Тафеля:

nk = a + b * lg ik

na = a, + b, * lg ia

где ia и ik – плотность тока на аноде и соответственно на катоде, а/ см2

a(a’) и b(b’) – константы.

При повышении температуры на 10 С перенапряжение миниатюризируется на

2-3 мв. Оно зависит также от природы вещества, из которого сделан электрод. К Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат примеру, при выделении водорода из соляной кислоты на катоде из платины при плотности тока 1 А/см2 требуется напряжение всего 0,1 в, в то время как на катоде из свинца – 1,5 в, а из ртути – 1,4 в.

Перенапряжение выделения водорода и кислорода на неких электродах при 200 С.

Электроды Перенапряжение, в
водорода кислорода
ik = 1 А/см2 ik Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат = 1мА/см2 iа = 1мА/см2
Платина гладкая 0,1 0,02 0,7
Никель 0,64 0,34 1,09
Железо 0,7 0,33 1,07
Серебро 0,95 0,4 0,97
Медь 0,8 0,455 1,05
Олово 1,24 0,86 1,21
Цинк 1,24 0,89 1,75
Кадмий 1,4 1,04 ¾
Ртуть 1,406 1,06 1,62
Свинец 1,56 1,23 1,44
Графит ¾ 0,6 1,17

Таблица 2.

Таким макаром, при выборе электродов не считая окислительно-восстановительного потенциала системы, нужно учесть и перенапряжение реакций. Так, высочайшее перенапряжение разряда ионов водорода на цинке делает вероятным восстановление ионов цинка из аква раствора, невзирая на то, что сбалансированный потенциал Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат цинкового электрода более отрицателен, чем водородного.

Пользуясь формулой Нернста, можно отыскать, что потенциал водородного электрода находится в линейной зависимости от рН раствора.

В тех случаях, когда перенапряжение электродной реакции невелико (что типично для реакций восстановления многих металлов), скорость электролиза (сила тока) определяется диффузией, миграцией ионов в электронном поле и смешиванием Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат раствора. Потому что частички, принимающие роль в реакциях, при достижении электрода одномоментно разряжаются, то их концентрация на поверхности электрода фактически равна нулю. Из формулы же Нернста следует, что уменьшение концентрации окислителя приводит к смещению потенциала электрода в негативную черту, а восстановителя в положительную. Если скорость электролиза ограничивается концентрационной поляризацией, то Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат при увеличении напряжения стремительно достигается предельное значение силы тока и ускорить химическую реакцию увеличением напряжения уже не удается. Предстоящее увеличение напряжения делает вероятным протекание других электродных реакций, к примеру разложение воды с выделением водорода и кислорода.

Концентрационная поляризация наращивает напряжение в ванне. Ее можно уменьшить смешиванием раствора Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат. Но смешивание раствора по условиям электролиза нередко неприменимо.

7. Падение напряжения на электролите.

Переносчиком электричества в растворе являются ионы. При проведении электролиза приходится учесть сопротивление раствора, потому что на нем падает часть напряжения, и расход энергии растет.

I = V/r

а для электролитов

I = V- Ер /r

где I — сила тока;

V Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат — напряжение;

r - сопротивление;

Ер — напряжение разложения.

Из закона Ома следует, что при неизменной силе тока требуется тем большее напряжение, чем выше напряжений разложения раствора. Сопротивление раствора при увеличении концентрации электролита понижается до малой величины, а при огромных концентрациях опять растет. Оно связано с подвижностью ионов в растворе. Подвижность ионов находится Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат в зависимости от их радиуса, заряда и вязкости среды (табл. 3).

В таблице 4 приведены значения удельного сопротивления (q) для неких смесей.

Удельное сопротивление электролита просто понизить, если увеличивать концентрацию раствора. Нередко для увеличения электропроводности в раствор вводят вещество, отлично диссоциировонное на ионы, но не способное восстанавливаться и окисляться из Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат аква смесей, к примеру, сернокислый натрий.

При продолжительном электролизе в определенных критериях может наблюдаться эффект разделения зарядов.

Если через загущенный агар-агаром раствор хлорной меди пропускать долгое время неизменный ток, то катодное место соединится анионами, а анодное – катионами. В итоге катодное место зарядится положительно, а анодное – негативно. Появляется э.д.с Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат. обратно направленная напряжению, приложенному к ванне. Дальше может наступить момент полного разделения зарядов в растворе, а меж анионами и катионами появляется “запорный слой” из незапятанной воды с огромным сопротивлением. Электролиз при всем этом закончится, а электролизер уподобится конденсатору. Движение ионов можно созидать только, когда катионы и анионы покрашены.

Удельное сопротивление Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат смесей неких электролитов при 180 С.

Электролит Концентрация (в процентах) Удельное Сопротивление
Соляная кислота 10 1,58
Серная кислота 10 2,55
Азотная кислота 12,4 1,84
Едкое кали 8,4 3,67
Едкий натр 10 3,23
сернокислая медь 10 31,25
Хлористый калий 10 7,38
Сернокислый калий 10 11,62
Уксуснокислый калий 9,33 16

Таблица 4.

При напряжении, достигающем напряжение разложения воды, электролизу подвергается и вода. В данном случае также происходит разделение зарядов в ванне с загущенным электролитом. Катодное место Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат при продолжительном электролизе зарядится негативно, а анодное – положительно.

8. Кулонометрия.

По количеству выделившегося при электролизе вещества можно установить суммарное количество электричества. И напротив, по количеству протекшего электричества представляется вероятным найти содержание веществ в растворе, толщину гальванических покрытий, окислых пленок и др. Если принять во внимание, что потенциалы большинства электродных реакций известны Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, то по величине потенциала, при котором протекает та либо другая реакция, определяют также, какие вещества содержатся в растворе (высококачественный анализ). Из химических способов анализа в текущее время используют полярографию, потенциометрию и кулонометрию.

Способ количественного анализа, основанный на законе Фарадея, именуется кулонометрией.

Кулонометры.

Приборы, используемые для измерения количества электричества, именуют кулонометрами. Обширно Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат используются весовые (серебряный, медный) и большие (ртутный, газовый) кулонометры. В серебряном кулонометре (рис. 3) анод делают из платины либо серебра. Диафрагмой служит пористый сосуд, препятствующий попаданию кислорода на катод. В кулонометр наливают немного подкисленный раствор азотнокислого серебра. Процесс ведут при катодной плотности тока, не превосходящей 0,02 А/см Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат2, и анодной плотности тока менее 0,2 А/см2. По повышению веса катода определяют количество восстановившегося серебра и рассчитывают количество электричества, прошедшего через раствор. Серебряный кулонометр более четкий. Ошибка составляет менее 0,005 процента.

Рис. 3 Весовой кулонометр.

1 – пористый сосуд. 2 – катод.

3 – анод.

В медном кулонометре катод и анод изготавливают из меди. Раствор содержит 50 г Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат/л серной кислоты (уд. в. 1,84), 150 г/л медного купороса и 50 г/л сахара. Сахар нужен для предотвращения реакции, происходящей в электролите:

Сu+ ®Cu2+ +Cu¯

Процесс ведут при плотности тока в электродах 0,002 – 0,02 А/см2. Медный кулонометр не обеспечивает высочайшей точности (ошибка ~0,2 процента), потому что в электродах образуются ионы Cu+ и Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат на катоде восстанавливается кислород, попадающий в раствор из воздуха.

В ртутном кулонометре анодом служит ртуть, катодом – графит, электролитом – раствор, содержащий 225 г/л йодистой ртути и750 г/л йодистого калия. При электролизе металл анода окисляется и перебегает в раствор в виде ионов Hg2+. На катоде происходит их восстановление и скапливается Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат железная ртуть, которая стекает в градуированную (в кулонах) трубку. Ртутный кулонометр дает огромную ошибку (около 1 процента), но комфортен при измерении огромных количеств вещества и позволяет работать с большенными плотностями тока (I < 0.1 А/см2).

В газовом кулонометре электродами служат никелевые пластинки. Электровводы, проходящие через стеклянную стену кулонометра вовнутрь ячейки Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат, делают из молибденовой проволоки, которая отлично впаивается в стекло. Электролитом служит 15-процентный раствор сернокислого натрия либо 20-процентный раствор едкого натра. Электролиз ведут при катодной плотности тока не выше 0,04 А/см2. Количество электричества рассчитывают по объёму водорода и кислорода в эвдиометре. Подставив значение g из уравнения Менделеева – Клапейрона в уравнение

g Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат=N*э = (э*I*t)/F, получим

Q = I*t = (g*F)/э = (P*v*M)/R*T * (F/э) * 2/3 =

= 2.064074*(P –PH2O)*v/T (k)

В этом уравнении расчет ведется на водород. Потому в уравнении введен коэффициент 2/3, потому что водород составляет 2/3 от объёма газовой консистенции.

По количеству электричества, пошедшего Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат через кулонометр (Qk), включенного поочередно в цепь с электролизёром, можно найти выход по току (g), если понятно количество вещества (g), выделившегося на катоде либо аноде электролизера. Для этого из уравнения g=N*э = (э*I*t)/F рассчитывают количество электричества, пошедшего на данную электродную реакцию (Qэ).

Qэ = g*F/э Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат.

И дальше находят выход по току в процентах:

g = Qэ / Qk*100%

При помощи кулонометра по количеству электричества, которое нужно для полного выделения вещества, для электродной реакции

Ох + ne®Red

либо

Red - ne®Ox,

Можно найти концентрацию этого вещества в растворе (если известна n) либо величину n (если известна концентрация).

При проведении Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат кулонометрического анализа побочные электродные реакции в электролизёре, снижающие выход по току, должны быть исключены.

Потому что окислительно-восстановительные потенциалы для большинства веществ известны, то побочных реакций реально избежать, если процесс вести при строго определенном потенциале, при котором другие вещества ещё не выделяются. Обязательным условием аналитического определения является Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат обнаружение конца реакции. Если реакция ведется при неизменном потенциале, то на её окончание показывает падение силы тока в цепи до нуля.

А Б

рис. 4 Графики зависимости силы тока и потенциала от времени:

а – изменение силы тока при неизменном потенциале.

б – изменение потенциала при неизменной силе тока.

Но для Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат заслуги полного выделения вещества требуется много времени, потому что сила тока во времени миниатюризируется плавненько (рис. 4-а).

При неизменной силе тока на окончание реакции показывает резкое изменение потенциала, к примеру при анодном растворении цинкового покрытия с стального изделия (рис. 4-б).

9. Кулонометрический анализ при неизменном потенциале.

Схема электронной цепи для кулонометрического анализа Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат при неизменном потенциале приведена на рисунке 5. Для поддержания потенциала электрода нужно чтоб сила тока проходящего через сопротивление r1и r2 была в 10 – 100 раз больше, чем в боковой цепи. Этого можно добиться, если сопротивление r1 будет в 10 – 100 раз меньше суммарного сопротивления в боковой цепи, что устанавливается в каждом Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат случае опытным методом.

В качестве источника неизменного тока можно взять батарею аккумов на 12 в либо селеновые выпрямители, чтоб ёмкость источника тока была большой. Зарядный потенциал поддерживается при помощи сопротивлений R1 и R2 и контролируется потенциометром. Лучше воспользоваться показывающим потенциометром ЛПУ – 01. Можно воспользоваться также и другими потенциометрами с высокоомным входом. Электродом сопоставления Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат может служить насыщенный каломельный электрод fкалом = 0,243 в. В тех случаях, когда перенос товаров анодной реакции на катод либо товаров катодной реакции на анод понижает выход по току и недопустим, электрод, по которому не ведут расчет, помещают в пористый сосуд либо стеклянную трубку, со стеклянным фильтром, заполненным смесями сернокислого Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат натрия, азотнокислого калия либо серной кислоты.

Воздействие кислорода по катодному току исключают барбатированием водорода, азота либо инертного газа. Мешалка нужна для выравнивания концентрации вещества в полном объеме. Тип кулонометра, включаемого в измерительную цепь, определяется допустимой погрешностью измерений.

рис. 5 Схема электронной цепи для кулонометрического анализа при неизменном потенциале.

П – потенциометр

1 – электрод сопоставления Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат 5 - миллиамперметр

2 – мешалка R1 и R2 – переменные

3 – электроды сопротивления

4 - кулонометр

Работа сводится к наложению на электрод потенциала (при котором вероятна только одна реакция), к его поддержанию на данном уровне, к установлению конца реакции и к определению количества протекшего электричества. Потому что для заслуги 100-процентного выделения вещества из раствора требуется много времени, то Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат электролиз прекращают, когда сила тока уменьшится в 100 – 500 раз. Процесс завершается тем резвее, чем больше площадь электрода, на котором происходит разряд вещества, и чем меньше объём электролита.

Катодное восстановление веществ с аналитической целью нередко проводят на ртути. В данном случае перенапряжение водорода так высоко, что оно не Зависимость изменения скорости протекания электролиза от концентрации электролита - реферат мешает определению.

10. Заключение.

Теоретическое значение открытых закономерностей было очень велико. Они подтвердили атомистическую природу электричества. Законы, установленные Фарадеем, дали возможность использовать процессы электролиза па практике и позволили делать количественные расчеты. Оказалось, что законы Фарадея полностью применимы к электродным процессам, происходящим в гальванических элементах при их работе.



zatrati-na-prirodoohrannie-meropriyatiya.html
zatrati-na-proizvodstvo-i-realizaciyu-produkcii-referat.html
zatrati-na-proizvodstvo-produkcii.html