Možnost 1
1. Napište reakční rovnice: a) získání zinku z oxidu zinečnatého redukcí uhlím; b) získání kobaltu z oxidu kobaltnatého redukcí vodíkem; c) získání titanu z chloridu titanitého (IV) hořečnatého tepelným způsobem. Považujte reakci za redoxní: označte oxidační stavy atomů a uspořádejte koeficienty, určete je pomocí metody elektronové rovnováhy.
2.Nakreslete diagramy a rovnice reakcí probíhajících při elektrolýze: a) roztavený chlorid draselný; b) roztok bromidu zinečnatého; c) roztok síranu železnatého. 
3.Co je podstatou koroze kovů? Jaké druhy koroze znáte?
Koroze je spontánní destrukce kovů a slitin v důsledku chemické, elektrochemické nebo fyzikálně chemické interakce s prostředím.
4. Na ocelovém krytu je měděný nýt. Co praskne jako první – víko nebo nýt? Proč?
Ocelový uzávěr, protože obsahuje železo a železo je reaktivnější kov než měď a bude pravděpodobněji korodovat. Také železo a měď tvoří galvanický pár, kde železo je anodou a spíše se zhroutí do mědi, katody, a zůstane neporušené.
Možnost 2
1. Napište reakční rovnice: a) získání železa z oxidu železitého aluminotermickou metodou; b) získání mědi z oxidu měďnatého redukcí uhlím; c) získání wolframu z jeho vyššího oxidu redukcí vodíkem. Považujte reakci za redoxní: označte oxidační stavy atomů a uspořádejte koeficienty, určete je pomocí metody elektronové rovnováhy. 
2.Nakreslete diagramy a rovnice reakcí probíhajících při elektrolýze: a) roztok bromidu měďnatého; b) roztok jodidu sodného; c) roztok dusičnanu olovnatého (II). 
3.Jaké faktory vedou ke zvýšené korozi kovů?
4. Proč se pocínovaná (pocínovaná) železná nádrž rychle zhroutí v místě poškození ochranné vrstvy?
Také železo a cín tvoří galvanický prvek, kde železo je anodou a rychleji se ničí, a cín, katoda, zůstává nedotčena.
Možnost 3
1. Napište reakční rovnice: a) výroba mědi z oxidu měďnatého redukcí vodíkem; b) získání železa z oxidu železitého (III) redukcí oxidem uhelnatým (II); c) získání vanadu z oxidu vanadičného (V) kalciovou tepelnou metodou. Považujte reakci za redoxní: označte oxidační stavy atomů a uspořádejte koeficienty, určete je pomocí metody elektronové rovnováhy. 
2.Nakreslete diagramy a rovnice reakcí probíhajících při elektrolýze: a) roztavený chlorid vápenatý; b) roztok bromidu draselného; c) roztok síranu zinečnatého. 
3.Jaké faktory pomáhají zpomalovat korozi kovů?
-Neutralizace nebo deoxygenace korozního prostředí, stejně jako použití různých typů inhibitorů koroze;
-Odstranění nečistot z kovu nebo slitiny, které urychlují proces koroze (odstranění železa ze slitin hořčíku nebo hliníku, síry ze slitin železa).
- Eliminace nepříznivých kovových kontaktů nebo jejich izolace, eliminace trhlin a mezer v konstrukci, eliminace oblastí stagnující vlhkosti.
4. Které kovy se při vzájemném kontaktu v přítomnosti elektrolytu rychleji ničí: a) měď a zinek; b) hliník a železo? Proč?
Aktivnější kov z daného páru bude degradovat rychleji
a) zinek je aktivnější kov než měď;
b) hliník je aktivnější kov než železo.
Možnost 4
1. Napište reakční rovnice: a) získání molybdenu z jeho vyššího oxidu redukcí vodíkem; b) výroba chrómu z oxidu chromitého aluminotermickou metodou; c) získání niklu z oxidu nikelnatého redukcí uhlím. Považujte reakci za redoxní: označte oxidační stavy atomů a uspořádejte koeficienty, určete je pomocí metody elektronové rovnováhy. 
2.Vytvořte diagramy a rovnice pro reakce, ke kterým dochází při elektrolýze: a) roztoku chloridu měďnatého (II); b) roztok jodidu sodného; c) roztok dusičnanu nikelnatého. 
3. Vyjmenujte způsoby boje proti korozi kovů. 
4.Proč zinek na pozinkované nádrži ničí v místě škrábance, ale železo nerezaví?
Zinek je aktivnější kov než železo. Také železo a zinek tvoří galvanický článek, kde zinek je anodou a rychleji se ničí, a železo, katoda, zůstává nedotčeno.
Sojuz Sovětskiz
Socialista
republiky
Automaticky závislé důkaz¹
Vyhlášeno 11Л1!.1964 (č. 886625/22-2) tř. 40c, Zoo s dodatkem přihlášky č. IPC C 22d
MDT 669.174: 669.177.035.
45 (088,8) Státní výbor pro vynálezy a objevy SSSR
Žadatel Ústřední výzkumný ústav hutnictví železa pojmenovaný po I.P. Bardinovi
ZPŮSOB ZÍSKÁVÁNÍ ŽELEZA ELEKTROlýzou
MOLTE SOLI S ROZPUSTNÝMI ANODAMI
Předmět vynálezu
Skupina předplatitelů ¹ 1bО
Jsou známé způsoby získávání železa a jiných kovů ve vodných roztocích a v roztavených solích Navrhovaný způsob získávání železa elektrolýzou roztavených solí s rozpustnými anodami z litiny nebo produktů mimopecní redukce materiálu železné rudy se liší od způsobu získávání železa. slavných tématže pro získání železa o zvýšené čistotě se elektrolýza provádí v roztaveném chloridu sodném s přídavkem chloridu železitého v množství nepřesahujícím 10 "hmotnostně, počítáno jako železo, při 850 - 900 C a anodovém a katodovém proudu hustoty do 0,4 a 10 a/cm-.
Podle navrženého způsobu se výchozí materiály obsahující železo ve formě kousků, briket, granulí, hoblin nebo desek vloží do elektrolytické nádrže, například s keramickým obložením, a podrobí se elektrické rafinaci při 850 - 900 C v atmosféra dusíku nebo jiného inertního plynu.
Práškové čisté železo usazené na katodě je periodicky vypouštěno z lázně a drceno, aby se separací vzduchem oddělila část elektrolytu vrácená do lázně. Zbytkový elektrolyt se od železa odděluje vakuovou separací při 900 - 950 C nebo hydrometalurgickým zpracováním.
Výhodou navržené metody je zvýšená čistota železa s obsahem hlavního prvku až 99,995 %. A
Způsob výroby železa elektrolýzou roztavených solí s rozpustnými anodami15 z litiny nebo produktů mimopecní redukce železnorudného materiálu, vyznačující se tím, že za účelem získání železa o zvýšené čistotě se elektrolýza provádí v roztaveném sodíku chlorid s
20 přidáním chloridu železitého v množství ne větším než 10 % hmotnostních, počítáno jako železo, s
850 - 9 C a anodové a katodové proudové hustoty do 0,4 a 10 a/sl -.
Podobné patenty:
Vynález se týká oblasti elektrochemické výroby kovových prášků platinové skupiny a lze jej použít pro katalýzu v chemickém průmyslu, elektrochemické energetice, mikroelektronice.
Průmyslové jakosti technicky čistého železa (typ Armco), získané pyrometalurgickou metodou, mají stupeň čistoty 99,75-99,85 %. Další odstranění především nekovových nečistot (C, O, S, P, N) obsažených v tomto železe je možné speciálním přetavením ve vysokém vakuu nebo žíháním v atmosféře suchého vodíku. Avšak i po takovém zpracování dosahuje obsah nečistot 2000-1500 ppm železa, přičemž hlavními nečistotami jsou C, P, S, Mn a O.
Železo vyššího stupně čistoty se získává elektrolytickými a chemickými metodami, ale vyžaduje i další komplexní čištění.
Elektrolytickými metodami se železo získává ze středně koncentrovaných nebo koncentrovaných roztoků chloridu nebo síranu železnatého při nízkých proudových hustotách a pokojových teplotách nebo vysokých hustotách a teplotách řádově 100 °C.
Podle jedné z metod se železo vysráželo z roztoku o složení g/l: 45-60 Fe2+ (ve formě FeCl2), 5-10 BaCl2 a 15 NaHCOs. Jako anody byly použity železné plechy Armco nebo Ural a jako katody čistý hliník. Elektrolýza byla provedena při pokojová teplota a proudová hustota 0,1 A/dm2. Byla získána sraženina s hrubokrystalickou strukturou, obsahující asi 0,01 % C, stopy fosforu a bez síry.
Čistota elektrolytického železa závisí na čistotě elektrolytu a čistotě kovu anody. Během srážení lze odstranit nečistoty ušlechtilejší než železo, jako je cín, zinek a měď. Nikl, kobalt a mangan nelze odstranit. Celkový obsah nečistot v elektrolytickém železe je přibližně stejný jako v komerčně čistém železe. Obvykle obsahuje značné množství kyslíku (až 0,1-0 2 %) a také síry (0,015-0,05 %), pokud se srážení provádělo ze síranových lázní.
Odstraňování kyslíku z elektrolytického železa se provádí redukčními procesy: zpracováním kapalného popř tvrdý kov vodíkem nebo deoxidací taveniny ve vakuu uhlíkem. Žíháním v proudu suchého vodíku při 900-1400° je možné snížit obsah kyslíku na 0,003 %.
Pro získání vysoce čistého železa v poloprůmyslovém měřítku se používá metoda redukce vodíkem ve vakuové taviči. Elektrolytické železo se nejprve odsíří přidáním manganu ve vápeno-kazivovém kelímku pod atmosférou oxidu uhelnatého (obsah síry snížen z 0,01 na 0,004 %), poté se tavenina redukuje vodíkem foukáním nebo proplachováním v hliníkovém kelímku. Současně bylo možné snížit obsah kyslíku na 0,004-0,001 %. Odsiřování kovů lze provádět i ve vysokém vakuu za použití přísad do taveniny kovů (cín, antimon, vizmut), které tvoří těkavé sulfidy. Dezoxidací taveniny uhlíkem ve vysokovakuových pecích je možné získat železo s obsahem kyslíku a uhlíku vždy až 0,002 %.
Výroba železa s nižším obsahem kyslíku dezoxidací ve vysokém vakuu je komplikována interakcí kovu s materiálem kelímku, která je doprovázena přechodem kyslíku do kovu. Nejlepší materiál kelímky, které poskytují minimální přechod kyslíku, jsou ZrO2 a ThO2.
Vysoce čisté železo se také získává karbonylovou metodou z pentakarbonylu Fe(CO)5 rozkladem při 200-300°. Karbonylové železo neobsahuje nečistoty, které obvykle železo doprovázejí – síru, fosfor, měď, mangan, nikl, kobalt, chrom, molybden, zinek, křemík. Specifickými nečistotami v něm jsou uhlík a kyslík. Přítomnost kyslíku je způsobena sekundárními reakcemi mezi vznikajícím oxidem uhličitým a železem. Obsah uhlíku dosahuje 1 %; lze jej snížit na 0,03 %, pokud nepřidáte páry karbonylu železa velký početčpavku nebo upravovat železný prášek ve vodíku. Odstranění uhlíku a kyslíku je dosaženo stejnými metodami vakuového tavení, jaké se používají pro elektrolytické železo.
Nejčistší železo lze získat chemicky, ale tato metoda je velmi komplikovaná a umožňuje získat kov v malých množstvích. V chemické metody K čištění solí železa od nečistot Co, Ni, Cu, Cr, Mn se používá rekrystalizace, srážecí reakce nebo extrakce nečistot srážením.
Jedna z chemických metod, která umožňuje získat železo s velmi vysokým stupněm čistoty (méně než 30-60 dílů na milion nečistot), zahrnuje následující postupné stupně:
1) extrakce komplexu FeCl3 etherem z 6N roztoku HC1 s regenerací vodného roztoku a následnou extrakcí etheru;
2) redukce FeCls na FeCl2 pomocí vysoce čistého železa;
3) další čištění FeCl2 z mědi zpracováním sirným činidlem a poté etherem;
4) elektrolytická depozice kovu z roztoku FeCl2;
5) žíhání kovových zrn ve vodíku (k odstranění kyslíku a uhlíku);
6) výroba kompaktního železa pomocí práškové metalurgie (lisování do tyčí a slinování ve vodíku)
Poslední stupeň může být proveden bezkelímkovým zónovým tavením, což eliminuje nevýhodu vakuové zpracování- přenos kyslíku z kelímku na kov.
14.06.2019
Ohýbačka na armování od Avangardu. Princip činnosti, konstrukční vlastnosti a přehledová data přístrojů, jednotek, přístrojů a dalších zařízení pro ohýbání...
14.06.2019
Při výměně dřezu v kuchyňském prostoru, při instalaci baterie, vany, oken a dveří je zajištěno použití tmelů. Jedná se o speciální kompozitní látky...
13.06.2019
Hlavní účel stříkací kabina tzv. vysoce kvalitní a jednotné zbarvení vozidlo. Takovou metodu samozřejmě nelze nazvat...
13.06.2019
Důlní a hutní podnik Almalyk zahájil realizaci druhé etapy programu výstavby železničních...
13.06.2019
Soustružení je jedním z druhů zpracování výrobku, při kterém se standardní kovový polotovar přemění na požadovaný konstrukční prvek. Pro dokončení...
13.06.2019
V průběhu let byla v tomto světě patrná tendence ke zvyšování produkce kovové konstrukce. Značná poptávka po takových strukturách je spojena s jejich výhodami v...
12.06.2019
Brazilská korporace Vale učinila prohlášení, že plánuje vyčlenit jednu miliardu devět set milionů amerických dolarů na odstranění a zvýšení...
12.06.2019
Terasa, nebo jak tomu lidé rádi říkají, veranda, je tím nejdůležitějším atributem venkovský dům Dnes. Málokdo by argumentoval tím, že má skvělé...
12.06.2019
V tuto chvíli jsou výrobky z nerezové oceli připraveny nabídnout spotřebitelům velké množství produktů jako jsou nerezové tvarovky, úhelníky, šestihrany,...
Vytváření železa (čti litiny a oceli) elektrolýzou spíše než konvenčním tavením by mohlo zabránit uvolňování miliardy tun oxidu uhličitého do atmosféry ročně. Tak říká Donald Sadoway z Massachusettského technologického institutu (MIT), který vyvinul a otestoval „zelenou“ metodu výroby železa elektrolýzou jeho oxidů.
Pokud by byl proces demonstrovaný v laboratoři rozšířen, mohlo by to eliminovat potřebu konvenčního tavení, které uvolňuje do atmosféry téměř tunu oxidu uhličitého na každou tunu vyrobené oceli.
Na konvenční technologieželezná ruda se kombinuje s koksem. Koks reaguje se železem za vzniku CO2 a oxid uhelnatý, a ponechání slitiny železa a uhlíku - litiny, kterou lze následně přetavit na ocel.
V Sadowayově metodě se železná ruda smíchá s rozpouštědlem - oxidem křemičitým a nehašeným vápnem - při teplotě 1600 stupňů Celsia - a směsí prochází elektrický proud.
Záporně nabité ionty kyslíku migrují na kladně nabitou anodu, odkud kyslík uniká. Kladně nabité ionty železa migrují na záporně nabitou katodu, kde se redukují na železo, které se shromažďuje na základně článku a odčerpává.
Podobný proces se používá při výrobě hliníku (a vyžaduje značné množství elektřiny), jehož oxid je tak stabilní, že jej ve skutečnosti nelze redukovat uhlíkem. vysoká pec, ve kterém se vyrábí např. litina. A je jasné, že ocelářský průmysl nikdy neměl důvod přejít na elektrolýzu železné rudy, protože se snadno redukuje uhlíkem.
Ale pokud vlády různé země začnou uvalovat vysoké daně na emise skleníkových plynů – zejména pak oxidu uhličitého nová metoda Výroba železa by se mohla stát atraktivnější. Je pravda, že od laboratorních zařízení tohoto druhu k průmyslovým zařízením, jak odhadují vědci, to bude trvat 10–15 let.
Autor článku říká, že největší překážkou je nalezení praktického materiálu pro anodu. Ve svých experimentech používal anodu vyrobenou z grafitu. Ale bohužel uhlík reaguje s kyslíkem a uvolňuje do vzduchu tolik oxidu uhličitého jako při normální tavbě železa.
Ideální platinové anody jsou například pro velkosériovou výrobu příliš drahé. Ale může existovat východisko - ve výběru některých odolných kovových slitin, které na svém vnějším povrchu vytvářejí oxidový film, ale přesto vedou elektrický proud. Lze použít i vodivou keramiku.
Dalším problémem je, že nový proces spotřebovává hodně elektřiny – přibližně 2 tisíce kilowatthodin na tunu vyrobeného železa. Ekonomický a dokonce ekologický smysl nového způsobu výroby litiny se tedy projeví pouze za předpokladu, že tato elektřina bude vyráběna nějakým ekologickým a zároveň levným způsobem, bez emisí oxidu uhličitého. Sám autor metody to přiznává.
Při míjení elektrický proud Prostřednictvím kovů (vodiče 1. druhu) nedochází k chemickým reakcím a kovy zůstávají nezměněny. Prochází-li elektrický proud taveninou nebo roztokem elektrolytu (vodiče 2. typu), dochází na rozhraní elektrolytu a kovového vodiče (elektrody) k různým chemickým reakcím (elektrolýze) a vznikají nové sloučeniny.
Elektrolýza je soubor procesů, ke kterým dochází, když elektrický proud prochází elektrochemickým systémem sestávajícím ze dvou elektrod a taveniny nebo roztoku elektrolytu.
Během elektrolýzy se kationty přesunou na zápornou elektrodu (katodu) a anionty se přesunou na kladnou elektrodu (anodu). V tomto případě však kationty a anionty elektrolytu nejsou vždy vybity, přijímají nebo darují elektrony. Elektrolytické reakce často zahrnují rozpouštědlo-elektrolyt, jako je voda.
Zásadní rozdíl mezi reakcemi v galvanickém článku a elektrolyzéru spočívá pouze v jejich směru a spontaneitě. V uzavřeném okruhu galvanického článku dochází k elektrochemické reakci samovolně, ale v elektrolyzéru k ní dochází pouze vlivem elektrického proudu z vnějšího zdroje.
Měli byste věnovat pozornost názvu elektrod: v galvanickém článku je záporná elektroda anoda a kladná elektroda je katoda; v elektrolyzéru je naopak záporná elektroda katoda a kladná elektroda je anoda.
Je třeba mít na paměti, že termíny „negativní“ a „pozitivní“ se vždy vztahují k pólům zdroje proudu, tedy k elektrodám elektrolyzéru. Tyto procesy mají společné to, že jak v galvanickém článku, tak v elektrolyzéru vzniká nadbytek elektronů na záporné elektrodě a nedostatek elektronů na kladné elektrodě. Na katodě jsou ionty nebo molekuly redukovány působením elektronů na anodě, částice jsou oxidovány a odevzdávají své elektrony elektrodě.
V kationtech elektrolyzéru (M n+) přejděte na katodu (–) a anionty (A n–) - k anodě (+).
Rozkladné napětí elektrolytu během elektrolýzy se nazývá minimální napětí (externí emf), které musí být aplikováno na elektrody. Například pro roztok chloridu zinečnatého za standardních podmínek:
Zn 2+ + 2 ē = Zn φ° = – 0,76 V,
Cl2+2 ē = 2Cl – φ° = + 1,36 V,
a rozkladné napětí je rovno (v absolutní hodnotě) součtu standardních elektrodových potenciálů obou elektrod: 0,76 + 1,36 = 2,12 V, tzn. rozkladné napětí nemůže být nižší než emf odpovídajícího galvanického článku.
Rozkladné napětí je tvořena potenciály dvou elektrod - potenciály iontového výboje.
Vakuový potenciál někdy se nazývá kation depoziční potenciál kov Toto je minimální potenciál, který musí být aplikován na elektrodu, aby kation ztratil náboj a došlo k usazování kovu. U některých iontů (Cu 2+, Ag +, Cd 2+) se depoziční potenciál blíží elektrodovému potenciálu, zatímco u jiných iontů (Fe 2+, Co 2+, Ni 2+) depoziční potenciály výrazně převyšují elektrodové potenciály. kovů - pro elektrolýzu je nutné určité přepětí.
Rozlišovat elektrolýza roztoků A elektrolýza tavenin. Elektrolýza roztoků se dělí na elektrolýza inertními elektrodami A elektrolýza s rozpustnou anodou. Kovové (Pt, Au) a nekovové (grafitové) elektrody mohou být inertní. Jako rozpustné anody se používají anody z Cr, Ni, Cd, Zn, Ag, Cu atd.
Některé kovy jsou díky vysoké anodické polarizaci prakticky nerozpustné, například Ni a Fe v alkalickém roztoku, Pb v H 2 SO 4.
Elektrolýza roztoků inertními elektrodami. Během elektrolýzy vodných roztoků elektrolytů se na katodě místo kovu často uvolňuje spíše vodík než kov. V kyselém prostředí vzniká vodík reakcí:
2H++ 2 ē = H2.
V neutrálním a alkalickém prostředí vzniká vodík reakcí molekul vody:
2H20+2 ē = H2 + OH-.
Kationty jako Na+ nebo K+, in vodný roztok se vůbec nevybíjejí, ale uvolňuje se vodík.
Kationty lze seskupit podle jejich schopnosti vybíjet, od nevybíjecích po snadno vybíjecí. Současně se mění i produkty elektrolýzy. U některých kationtů je možná současná tvorba kovu a vodíku.
Níže jsou uvedeny kationty v pořadí podle klesající obtížnosti jejich vybíjení a produkty elektrolýzy:
Kationty Produkty elektrolýzy
Li+, K+, Na+, Mg2+, Al3+, H+ (přesměrování) H2
Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, H+ (pH 7) M + H2
Co2+, Ni2+, Sr2+, Pb2+, H+ (pH 0) M + H2
Cu2+, Ag+, Au3+M
Různé polohy vodíku v této řadě jsou vysvětleny následujícími důvody. Poloha vodíku mezi olovem a mědí odpovídá číselným hodnotám standardních elektrodových potenciálů at S M n+ = S H+ = 1 mol/l, tzn. při pH=0. Poloha vodíku mezi železem a kobaltem odpovídá elektrodovému potenciálu vodíku ve vodě při pH = 7 (φº H 2 / H + = –0,414 V). Za těchto podmínek lze z roztoků vysrážet všechny kovy, hodnota φ ° které jsou větší než –0,414 V. V praxi je však možné z vodných roztoků vysrážet kromě kobaltu, niklu, cínu a olova také zinek, chrom a železo. To je vysvětleno skutečností, že uvolňování vodíkového plynu na katodě je ztíženo vodíkovým přepětím.
Tedy v řadě kationtů z Li + až A1 3+ nevzniká žádný kov a během elektrolýzy se uvolňuje vodík v důsledku redukce vody. V řadě kationtů z Mn 2+ až Pb 2+ během elektrolýzy se kov a vodík tvoří současně a nakonec v sérii Cu 2+ - Au 3+ vzniká pouze kov.
V důsledku toho, čím více vlevo (blíže k začátku) je kov v sérii standardních elektrodových potenciálů (napěťová řada), tím obtížnější je izolovat tento kov elektrolýzou vodného roztoku.
Je-li na roztok obsahující několik kationtů aplikováno postupně se zvyšující napětí, elektrolýza začíná, když je dosaženo depozičního potenciálu kationtu s nejvyšším elektrodovým potenciálem (nejpozitivnějším). Při elektrolýze roztoku obsahujícího ionty zinku (φ °= –0,76 V) a měď (φ ° = +0,34 V), nejprve se na katodě uvolní měď a teprve po vybití téměř všech iontů Cu 2+ se začne uvolňovat zinek. Tedy, pokud roztok současně obsahuje různé kationty, pak mohou být během elektrolýzy izolovány postupně v souladu s hodnotami jejich elektrodových potenciálů. Předpokládá se, že přepětí kovové spouště je pro ně přibližně stejné (a malé).
Ohledně potenciál aniontového výboje, pak je zde obrázek mnohem komplikovanější kvůli schopnosti vody účastnit se procesu elektrolýzy. Obecně lze říci, že anionty s nejnižším potenciálem (nejméně kladné) jsou na anodě vybíjeny jako první. Pokud roztok obsahuje ionty Cl - (φº = 1,36 V), Br - (φ° = 1,09 V) a I - (φº = 0,54 V), vytvoří se nejprve jód, poté brom a nakonec chlor. Fluoridové ionty ve vodném roztoku nelze vůbec vybít (φ ° = 2,87 V).
Většina aniontů obsahujících kyslík (kromě acetátového iontu) se nevypouští ve vodném roztoku, místo toho se voda rozkládá v kyselých a neutrálních roztocích:
2H20 - 4 ē = 02 + 4H+,
a v alkalických roztocích - vypouštění hydroxidových iontů:
2OH – – 2 ē = 1/202 + H20.
Anionty podle své schopnosti vybíjet se při elektrolýze vodných roztoků jsou umístěny v následující řadě od aniontů kyselin obsahujících kyslík jako SO 4 2–, NO 3 – nevypouštěných ve vodném roztoku po ty, které snadno se vybijí:
Anionty Produkty elektrolýzy
SO 4 2–, NO 3 – atd., OH – O 2
Cl –, Br –, I – Cl 2 (ClO –, ClO 3 –), Br 2, I 2 (+O 2)
S 2 – S, SO 2 (+ O 2)
Můžeme tedy formulovat následující hlavní pravidla pro elektrolýzu vodných roztoků elektrolytů s nerozpustnými elektrodami:
1. Z aniontů elektrolytů se na anodě nejprve vybijí anionty bezkyslíkatých kyselin (Cl–, Br–, S2– aj.).
2. Anionty kyselin obsahujících kyslík (SO 4 2–, NO 3 –, CO 3 2– atd.) se za přítomnosti vody nevypouštějí, voda se oxiduje podle reakce:
2H20 - 4 ē = 02 + 4H+.
3. Aktivní kovy nacházející se v rozsahu napětí do Al (včetně) nejsou na katodě redukovány;
2H20+2 ē = H2 + 2OH-.
4. Kovy nacházející se v napěťové řadě po hliníku, ale před vodíkem, se redukují na katodě spolu s molekulami vody:
K: 1) Zn 2+ + 2 ē = Zn
2) 2H20 + 2 ē = H2 + 2OH-.
5. Kovy s kladným elektrodovým potenciálem se nejprve redukují na katodě:
Cu 2+ + 2 ē = Cu
Například při elektrolýze kyseliny sírové (grafitové elektrody) dochází k následujícím procesům:
na katodě 2H++ 2 ē = H 2,
na anodě 2H20 - 4 ē = 02 + H+.
Souhrnná rovnice:
2H20 = 2H2 + 02,
těch. Při elektrolýze roztoku kyseliny sírové se v důsledku rozkladu molekul vody uvolňuje vodík a kyslík. Produkty elektrolýzy: vodík a kyslík.
Elektrolýza roztoku síranu měďnatého:
na katoděСu 2 + + 2 ē = Cu,
na anodě 2H20 - 4 ē = 02 + 4H+
Souhrnná rovnice:
2Cu2+ + 2H20 = 2Cu + O2 + 4H+
2CuS04 + 2H20 = 2Сu + 02 + 2H2S04.
Produkty elektrolýzy: měď, kyslík, kyselina sírová.
Možnost výboje aniontu závisí na jeho koncentraci. Produkty elektrolýzy koncentrovaných a zředěných roztoků NaCl jsou tedy chlor a kyslík.
Elektrolýza zředěného roztoku chloridu sodného probíhá bez vybití iontů Cl – (a podle toho i iontů Na +), tzn. dochází k rozkladu vody. Se zvyšující se koncentrací soli na anodě se spolu s kyslíkem začíná uvolňovat chlor a chlor (s příměsí kyslíku) vzniká v koncentrovaných roztocích:
na katodě 2H20+2 ē = H2 + 2OH –
na anodě 2 l – 2 ē = Cl2 .
Souhrnná rovnice:
2Cl – + 2H20 = H2 + Cl2 + 2OH –
2NaCl + 2H20 = H2 + Cl2 + 2NaOH.
Produkty elektrolýzy: vodík, chlór a hydroxid sodný.
V případě uvolňování chloru při elektrolýze roztoků chloridů je hlavní proces tvorby chloru superponován na reakce interakce chloru s vodou (hydrolýza) a následné přeměny vzniklých látek. K hydrolýze chloru dochází za vzniku slabé kyseliny chlorné a chloridových iontů (kyselina chlorovodíková):
Cl2 + H20 = H + + Cl - + HC10.
Kyselina chlorná s alkálií vznikající při elektrolýze (přesněji Na + +OH –) dává jako produkt chlornan sodný NaClO. V alkalickém prostředí má celková reakční rovnice tvar:
Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H20.
Při zvýšených teplotách (vroucí voda) dochází k hydrolýze chloru za vzniku chlorečnanového iontu. Možné reakční rovnice:
3Cl2 + 3H20 = ClO3 – + 5 Cl – + 6H+,
3HClO = СlO 3 – + 2Сl – + 3Н +,
3СlО – = СlO 3 – + 2Сl – .
V alkalickém prostředí má celková rovnice tvar
3Cl2 + 6NaOH = NaCl03 + 5NaCl + 3H20.
Elektrolýza s membránou. Během elektrolýzy zředěného roztoku chloridu sodného se ionty Na + pohybují ke katodě, ale uvolňuje se vodík:
2H20+2 ē = H2 + OH –
a roztok hydroxidu sodného se zahustí.
Chloridové ionty se pohybují k anodě, ale kvůli jejich nízké koncentraci se tvoří hlavně kyslík, nikoli chlór:
2H20 - 4 ē = 02 + 4H+
a roztok kyseliny chlorovodíkové se zahustí.
Pokud se elektrolýza provádí v kádince nebo jiné podobné nádobě, roztoky zásad a kyselin se smísí a elektrolýza se redukuje na tvorbu vodíku a kyslíku v důsledku rozkladu vody. Pokud jsou anodové a katodové prostory odděleny přepážkou (membránou), která umožňuje průchod iontů s proudem, ale brání míšení roztoků blízkých elektrodě, pak lze jako produkty elektrolýzy získat roztoky kyselin a zásad.
Během elektrolýzy roztoku chloridu sodného vznikají na katodě reakcí hydroxidové ionty:
2H20+2 ē = H2 + 2OH –
se okamžitě začnou podílet na přenosu elektřiny a spolu s ionty C1 se přesunou na anodu, kde se oba ionty vybijí a vznikne směs kyslíku a chlóru. Proto se snižuje výtěžek chloru. Pokud je anoda z uhlí (grafitu), pak se oxiduje kyslíkem a vznikají oxidy uhlíku CO a CO 2, které znečišťují chlor. Dále chlor vytvořený na anodě interaguje s hydroxidovými ionty:
C12 + OH – = H + + Cl – + OCl – .
Nežádoucím procesem je také tvorba chlornanových iontů (pokud není cílem získání roztoku chlornanu sodného). Všem těmto nežádoucím důsledkům se lze vyhnout, pokud použijete membránu, která odděluje katodový a anodový prostor a zadržuje OH - ionty, ale umožňuje průchod Cl - iontů. Konečně membrána zabraňuje difúzi plynů a umožňuje výrobu čistšího vodíku.
Pokud roztok obsahuje více aniontů, je obtížnější předpovědět sled jejich výbojů na anodě než kationty, ale obecně platí, že anion vyznačující se nejnižší hodnotou potenciálu (nebo nejvyšší zápornou hodnotou elektrody potenciál reakce probíhající na anodě) se vybije jako první.
Elektrolýza roztoků s rozpustnou anodou. Elektrolýza s rozpustnou anodou je možná, když kov odevzdá elektrony snadněji než ionty Cl–, OH– nebo molekuly vody. Například na měděné anodě v roztoku chloridu nebo síranu měďnatého se neuvolňuje chlór ani kyslík, ale do roztoku přecházejí ionty Cu 2+. Na katodě se přitom vybíjejí stejné ionty a dochází k vylučování kovové mědi. Elektrolýza s rozpustnou anodou se tedy redukuje na přenos mědi z anody na katodu.
Reakce na anodě je ve většině případů komplikována četnými vedlejšími a často nežádoucími procesy. Výsledné ionty mohou například tvořit oxidy, hydroxidy a jejich filmy:
M2+ + 2OH- = MO + H20.
Na anodě může být také uvolněn kyslík:
2H20 - 4 ē = 02 + 4H+,
které se mohou účastnit široké škály reakcí v elektrolytickém systému.
Při tvorbě plynných produktů, zejména kyslíku, ve většině případů neodpovídají potenciály rozkladu potenciálům elektrod v důsledku vysokých hodnot přepětí . Přepětí je rozdíl mezi skutečným rozkladným napětím a EMF odpovídající reakce teoreticky vypočítané z potenciálů elektrod. Zvláště silný vliv na velikost přepětí má charakter uvolňované látky (u chloru, bromu a jódu je přepětí velmi malé) a materiál elektrody. Níže jsou uvedeny údaje o přepětí během vývoje vodíku a kyslíku na různých katodách a anodách.
Přepětí elektrod, V
Vodík Kyslík
Pt černěná 0,00 0,2–0,3
Pt lesklý 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
Přepětí závisí také na tvaru elektrod, stavu jejich povrchu, proudové hustotě, teplotě roztoku, intenzitě míchání roztoku a dalších faktorech.
Přepětí vodíku na železe je ~ 0,1 V a kyslíku na stejném materiálu ~ 0,3 V. Proto bude přepětí při elektrolýze na železných elektrodách 0,1 + 0,3 = 0,4 V. Součet této hodnoty a teoreticky vypočítaný bude minimální hodnota vybíjecího napětí odpovídajícího elektrolytu.
Postoj k přepětí je ambivalentní. Na jedné straně přepětí vede ke zvýšené spotřebě energie, na druhé straně je možné díky přepětí vysrážet z vodných roztoků mnoho kovů, které by se podle hodnot jejich standardních elektrodových potenciálů srážet neměly. Jedná se o Fe, Pb, Sn, Ni, Co, Zn , Cr. Právě díky přepětí, ale i vlivu koncentrace roztoku na potenciál elektrody je možné elektrolytické chromování a niklování železných produktů a dokonce i sodík lze získat z vodného roztoku na rtuťové elektrodě.
Vybíjení Cl – iontů ve vodném roztoku spíše než OH – v roztocích s vysokou koncentrací elektrolytu je také vysvětleno přepětím kyslíku. Toto přepětí však nestačí k vybití iontů F – a uvolnění volného fluoru.
Velikost přepětí je ovlivněna mnoha dalšími kinetickými faktory - rychlostí přenosu částic k elektrodám a odstraňování produktů elektrolýzy, rychlostí destrukce hydratačních a dalších slupek vybitých iontů, rychlostí slučování atomů do dvouatomového plynu molekuly atd.
