Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №9/2008

В ПОМОЩЬ МОЛОДОМУ УЧИТЕЛЮ

 

Применение электролиза

11 класс

См. также № 13, 14, 17/2006, 14/2007.

Цели урока. Показать практическое применение электролиза для получения щелочных металлов, алюминия, очистки меди от примесей, а также для получения золота и серебра из анодного ила; решить расчетные задачи на нахождение одной из величин: времени, силы тока и количества вещества, образующегося или израсходованного в электролизной реакции.

ХОД УРОКА

Получение щелочных металлов

А.В.Вольта считал, что причиной возникновения электрического тока в гальваническом элементе является контакт двух разнородных металлов, а в них самих никаких изменений не происходит. Ясно, что в этом случае элемент должен работать вечно. На практике вечного элемента никогда не получалось, любой из них рано или поздно прекращал работу.

Другие исследователи заметили, что в работающем гальваническом элементе протекают химические процессы. В частности, поверхность цинка в соляном растворе при работе вольтова столба подвергается коррозии. Впоследствии было доказано, что химические реакции на границе проводников первого и второго рода, т.е. электродов и растворов, являются источником возникновения электрической энергии.

Таким образом, гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Закон сохранения энергии выполняется и в этом случае: после завершения химических реакций ток прекращается.

Сразу же после создания химического источника электрической энергии стала бурно развиваться новая наука – электрохимия. В лабораториях разных стран ученые собирали гальванические батареи, пропускали ток через растворы различных веществ и с интересом наблюдали, что происходит в каждом случае. На этом пути было сделано множество важных экспериментальных открытий: установлено, например, что на электродах, опущенных в обычную речную воду, выделяются водород и кислород, а водные растворы солей щелочных металлов разлагаются с выделением водорода и образованием щелочей на одном полюсе и выделением кислорода и образованием кислот – на другом.

Г.Дэви (1778–1829)
Г.Дэви
(1778–1829)

Пожалуй, самым замечательным результатом электрохимических работ того времени было проведенное английским химиком Гемфри Дэви разложение расплавов щелочей и получение новых элементов – калия и натрия. До этого никому никаким способом не удавалось разложить на элементы гидроксиды калия и натрия. Позже Дэви получил электролизом барий, кальций, стронций, магний, бор.

Кстати, открытие натрия стоило ему очень дорого: образовавшийся при электролизе металлический натрий в виде мелких шариков поднялся на поверхность расплава и воспламенился. Произошел взрыв. Осколки стекла попали ученому в глаза. Несмотря на то, что на один глаз Дэви ослеп, его энтузиазм и преданность науке не уменьшились. Он сделал еще много открытий.

Сейчас натрий получают электролизом расплава хлорида натрия в специальных электролитических устройствах – электролизерах. На рис. 1 представлен электролизер Даунса. Он сконструирован таким образом, чтобы натрий и хлор не могли вступать в контакт друг с другом и снова образовывать хлорид натрия. Предусмотрено также, чтобы натрий не вступал в контакт с воздухом и не образовывал оксид. К хлориду натрия добавляют хлорид кальция, что позволяет понизить его температуру плавления приблизительно до 600 °С (для чистого хлорида натрия она равна ~800 °С).

Рис. 1. Электролизер Даунса для промышленного получения натрия
Рис. 1. Электролизер Даунса
для промышленного получения натрия

 

История получения алюминия

Приоритет открытия и получения металлического алюминия, который одно время называли «серебром из глины», принадлежит датскому физику Хансу Кристиану Эрстеду (1777–1851), известному больше своими работами по электромагнетизму. Чтобы получить алюминий, Эрстед нагревал безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия (раствором натрия в ртути):

AlCl3 + 3Na(Hg) = Al(Hg) + 3NaCl.

Продукты реакции он обработал водой для растворения хлорида натрия, а из остатка, содержащего амальгаму алюминия, удалил нагреванием ртуть. Так в 1825 г. впервые был получен алюминий. Название «Aluminium» дал новому металлу английский химик и физик Дэви. «Alumen» на латинском языке означает квасцы (сульфат калия-алюминия), известные с давних пор и имеющие состав
KAl(SO4)2•12Н2О.

В 1827 г. немецкому химику Ф.Велеру (1800–1882) также удалось выделить алюминий, используя реакцию восстановления гексафтороалюмината натрия металлическим калием:

3[АlF6] + 3K = Аl + 3NaF + 3KF.

Алюминий в этом случае легко отделяется от фторидов калия и натрия, легко растворимых в воде.

Все это были лабораторные способы получения очень небольших количеств алюминия.

В 1845 г. два химика независимо друг от друга – немец Р.В.Бунзен (1811–1899) и француз А.Э.Сент-Клер Девилль (1818–1881) – разработали первый промышленный метод получения алюминия, основанный на восстановлении расплава тетрахлороалюмината натрия:

Nа[АlCl4] + 3Na = Аl + 4NaCl.

На Парижской всемирной выставке в 1855 г. демонстрировалось «серебро Девилля» – слиток алюминия ценой 2400 марок за 1 кг (90 долларов за фунт – по другим источникам). Алюминий стоил дороже, чем золото и серебро. Известно, что богатые люди того времени щеголяли алюминиевой столовой посудой.

Наполеон III (племянник Наполеона I), узнав об алюминии, задумал снабдить своих солдат нагрудниками и касками, сделанными из этого металла. По его приказу Сент-Клер Девиллю были выделены большие средства для получения нужного количества алюминия. Однако Наполеону III пришлось ограничить свое желание изготовлением алюминиевых кирас только для небольшой группы его личной охраны.

Способ Сент-Клер Девилля все же имел лабораторные масштабы. Современный промышленный метод получения алюминия, основанный на электролизе расплава Nа3[АlF6], был разработан американцем Ч.М.Холлом.

Ч.М.Холл (1863–1914)
Ч.М.Холл (1863–1914)

Холл приступил к исследованию проблемы восстановления алюминия примерно в 1885 г., после того как узнал от одного профессора о трудностях, связанных с восстановлением руд. Когда Холл начал свои исследования, ему шел всего 21-й год. В дровяном сарае неподалеку от своего дома он оснастил лабораторию самодельным и взятым напрокат оборудованием. Приблизительно через год ему удалось решить проблему. «Профессор, я получил его!» – с таким криком вбежал к американскому химику Иветту в 1886 г. молодой инженер Холл, держа на протянутой ладони 12 маленьких шариков алюминия – первого алюминия, полученного электрохимическим методом.

Почти одновременно аналогичное открытие сделал во Франции Поль Эру, которому в то время было столько же лет, сколько и Холлу. Суть открытия заключалась в том, что Al2O3 растворяется в криолите (редком минерале, который добывали из небольших залежей в Гренландии), образуя проводящий раствор.

 

Схема из патента Ч.М.Холла на получение алюминия
Схема из патента Ч.М.Холла
на получение алюминия

Открытия Холла и Эру сделали возможным промышленное получение алюминия в больших масштабах. Алюминий стал широко распространенным и всем известным металлом. Цена на него в конце концов упала до 15 центов за фунт. Даже сейчас алюминий стоит не дороже 80 центов за фунт.

Суть метода Холла

Сырьем служит оксид алюминия, добываемый в виде минерала боксита. После предварительной очистки Al2O3 растворяют в расплавленном криолите Nа3[АlF6], в результате чего образуется раствор, проводящий электрический ток. Расплавленную смесь электролизуют при помощи угольных электродов, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Обычный электролизер для получения алюминия по методу Холла. Поскольку расплав алюминия имеет бо'льшую плотность, чем расплав смеси Nа3[АlF6] и Al2O3, металл скапливается в нижней части электролизера
Рис. 2.
Обычный электролизер для получения алюминия по методу Холла.
Поскольку расплав алюминия имеет бо'льшую плотность,
чем расплав смеси Nа3[АlF6] и Al2O3, металл скапливается
в нижней части электролизера

На электродах происходят реакции:

на аноде: С (тв.) + 2О2– = СO2 (г.) + 4e,

на катоде: 3е + Al3+ Al (ж.).

 

Электролиз с активными электродами

В электролитическом процессе получения алюминия по методу Холла анод вступает в реакцию:

С (тв.) + 2O2– = CO2 (г.) + 4e.

Следовательно, электродные реакции включают окисление и восстановление не только растворителя и растворенных веществ, но и самих электродов.

При электролизе водных растворов на металлических электродах происходит окисление электрода, если его окислительный потенциал выше потенциала воды. Например, медь окисляется легче, чем вода:

Cu (тв.) = Cu2+ (водн.) + 2е,

E°окисл = –0,34 В,

2O (ж.) = 4Н+ (водн.) + O2 + 4е,

Е°восст = –1,23 В.

К одному из многих интересных применений таких электролизных процессов относится рафинирование, или очистка, металлической меди. В промышленности соединения меди восстанавливают с помощью химических восстановителей. Например, для восстановления сульфида меди Сu2S через расплавленную руду продувают воздух:

Cu2S (ж.) + O2 = 2Cu (ж.) + SO2 (г.).

Полученная таким способом медь называется губчатой; она имеет чистоту приблизительно 99% и содержит примеси железа, цинка, золота, серебра и других веществ. Некоторые примеси значительно снижают электропроводность металлической меди. Поэтому медь, идущую на изготовление электрических проводов, подвергают дальнейшей очистке.

Такую очистку проводят путем электролиза. Губчатую медь помещают в электролизер и делают анодом (рис. 3).

Рис. 3. Рафинирование металлической меди
Рис. 3. Рафинирование металлической меди

Тонкие листы чистой меди играют роль катода. Электролитом служит водная смесь серной кислоты и сульфата меди. При пропускании электрического тока медь растворяется на аноде и осаждается на катоде:

на аноде: Cu (тв.) = Cu2+ (водн.) + 2е,

на катоде: Cu2+ (водн.) + 2е = Cu (тв.).

Такие металлы, как цинк и железо, которые окисляются легче, чем медь, вместе с ней растворяются на аноде. Поскольку они восстанавливаются труднее, чем медь, тщательно регулируя напряжение электролитической ячейки, можно предотвратить их осаждение на катоде.

Такие металлы, как серебро и золото, которые окисляются труднее, чем медь, не растворяются на аноде. По мере растворения меди они падают с анода и скапливаются под ним на дне ванны в виде ила. Анодный ил периодически извлекают из электролитической ванны в процессе ее чистки. Он служит важным источником получения золота и серебра. Таким способом в США получают бо'льшую часть золота.

Другим интересным применением электролиза является покрытие металлов. Если, например, в только что описанной ванне вместо меди сделать катодом какой-либо другой металл, то в процессе электролиза на нем будет образовываться медное покрытие. Металл, который наносят на другие поверхности, делают анодом (рис. 4) (см. с. 44). Электропокрытие защищает различные предметы от коррозии и улучшает их внешний вид. Многие наружные части автомобилей, например бамперы и дверные ручки, электролитически покрывают хромом.

Рис. 4. Электролитическое покрытие изделия серебром. Покрываемое изделие – катод, а металл, наносимый в качестве покрытия, – анод
Рис. 4.
Электролитическое
покрытие изделия серебром.
Покрываемое изделие – катод, а металл,
наносимый в качестве покрытия, – анод

 

Решение расчетных задач по теме «Электролиз»

Задача 1. Вычислите массу алюминия, полученного за 1 ч при электролизе расплавленного AlCl3 током силой 10А.

Решение

По закону Фарадея:

где m – масса образовавшегося вещества (г),

M – молярная масса вещества (г/моль),

n – количество принимаемых или отдаваемых электронов,

I – сила тока (А),

t – продолжительность процесса (с),

F – постоянная Фарадея (F = 96 500 Kл/моль = 26,8 А ч/моль).

Al3+ + 3e Al0 (n = 3).

Ответ. m(Al) = 3,36 г.

Задача 2. Через раствор, содержащий Cu2+, в течение 5 мин пропускают ток постоянной силы. За это время масса катода увеличивается на 1,24 г.

Какова сила пропускаемого тока?

Решение

В данном случае нас интересует полуреакция:

Cu2+ + 2e = Cu (n = 2).

Ответ. I = 12,6 А.

Домашнее задание. Решить задачи.

1. Сколько минут потребуется для осаждения 10 г металлического никеля из раствора сульфата никеля(II) при силе тока 1,5 А?

2. Сколько литров газообразного Cl2 (н.у.) выделится при электролизе водного раствора NaCl током силой 2 А за время 1 ч?

Л и т е р а т у р а

Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995; Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. М.: Аванта +, 2003.

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)