§ 3. ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОЛІЗУ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Об’єднайтеся в групи, оберіть для кожної групи одну фотографію з поданих і дізнайтеся, чому саме слово електроліз є тим словом, що об’єднує всі ці фотографії.

Слово електроліз об’єднує всі ці фотографії, оскільки кожен із зображених об’єктів створений або оброблений за допомогою цього фізико-хімічного процесу: алюмінієві заготовки отримують шляхом електролізу розплаву оксиду алюмінію, позолочення прикрас та хромування кранів здійснюють методом гальваностегії, точну копію монети виготовляють за допомогою гальванопластики, а водень для енергетики майбутнього добувають через електроліз води.

А може, ви знайдете ще кілька зображень, які мають відношення до цього процесу.

До процесів, що базуються на електролізі, також належать промислове добування хлору та лугів, процес заряджання акумуляторів, електролітичне знезараження води, а також нанесення захисного шару цинку на сталеві листи (цинкування).

1. Як отримати метали за допомогою електролізу?

Метали отримують шляхом електролізу розплавів або розчинів їхніх солей та оксидів, де під дією електричного струму позитивні йони металу відновлюються на катоді. Наприклад, для промислового отримання алюмінію використовують алюміній оксид, розчинений у розплавленому кріоліті за температури 950 °С, де алюміній виділяється на катоді, а кисень — на аноді.

2. Як отримують надчисті метали?

Надчисті метали отримують за допомогою процесу рафінування, при якому в електролітичну ванну з розчином солі відповідного металу занурюють анод із неочищеного металу та катод із тонкої пластинки чистого металу. Під час пропускання струму метал з анода розчиняється, переходить у розчин і осідає на катоді, тоді як домішки залишаються в розчині або випадають в осад.

3. Як метал захищають від корозії?

Для захисту від корозії використовують гальваностегію — електролітичне покриття виробу тонким шаром іншого металу, який є стійким до окиснення, наприклад, нікелем, хромом або цинком. Виріб, який потребує захисту, занурюють у ванну як катод, а анодом слугує пластина металу, яким виконують покриття.

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Які фотографії на початку § 3 мають відношення до гальваностегії?

До гальваностегії мають відношення фотографії із зображенням хромованого водопровідного крана та позолоченої прикраси (кулона).

Наведіть власні приклади виробів, для виготовлення яких застосовують гальваностегію.

Прикладами виробів, виготовлених із застосуванням гальваностегії, є посріблені столові прибори, нікельовані ключі від замків, хромовані деталі автомобілів (бампери, решітки радіаторів) та золочені корпуси наручних годинників.

4. Що таке гальванопластика?

Гальванопластика — це отримання за допомогою електролізу точних копій рельєфних виробів.

ЗАДАЧА

Під час нікелювання на кожній 1 дм² поверхні виробу, який нікелюють, подають силу струму 0,4 А. За який час на виріб буде нанесено шар нікелю завтовшки 0,02 мм?

Дано:

• $S = 1\text{ дм}^2 = 100\text{ см}^2$
• $I = 0{,}4\text{ А}$
• $d = 0{,}02\text{ мм} = 0{,}002\text{ см}$
• $\rho = 8{,}9\text{ г/см}^3$ (густина нікелю)
• $k = 0{,}30\text{ мг/Кл} = 0{,}0003\text{ г/Кл}$ (електрохімічний еквівалент нікелю)

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:

Згідно з першим законом Фарадея для електролізу:
$m = k \cdot I \cdot t$

Масу шару нікелю можна виразити через густину, площу поверхні та товщину шару:
$m = \rho \cdot V = \rho \cdot S \cdot d$

Прирівнюємо вирази для маси:
$k \cdot I \cdot t = \rho \cdot S \cdot d$

Виразимо час:
$t = \dfrac{\rho \cdot S \cdot d}{k \cdot I}$

$t = \dfrac{8{,}9 \cdot 100 \cdot 0{,}002}{0{,}0003 \cdot 0{,}4} = \dfrac{1{,}78}{0{,}00012} \approx 14833\text{ с}$

$t \approx 4\text{ год } 7\text{ хв}$

Відповідь: 14 833 с або приблизно 4 год 7 хв.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Наведіть приклади застосування електролізу.

Електроліз застосовують у промисловості для отримання чистих металів (алюмінію, магнію, натрію), рафінування (очищення) металів, таких як мідь, а також для нанесення захисних та декоративних металевих покриттів (гальваностегія), виготовлення точних копій предметів (гальванопластика) та промислового отримання водню.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

2. Опишіть процес отримання алюмінію.

Алюміній отримують шляхом електролізу алюміній оксиду, розчиненого у розплавленому кріоліті за температури 950 °С. Електролітична ванна має графітові стінки та дно, що виконують роль катода, а анодом є занурені в електроліт вугільні блоки. Під дією електричного струму алюміній осідає на катоді, а на аноді виділяється кисень.

3. Як можна очистити метали від домішок?

Метали очищують від домішок за допомогою електролізу, який називають рафінуванням. Для цього анод виготовляють із неочищеного металу, а катод — із тонкого листа чистого металу, після чого їх занурюють у ванну з розчином солі цього металу. Під час пропускання струму чистий метал із пластини-анода переходить у розчин і осідає на катоді, тоді як домішки залишаються в розчині або випадають в осад.

4. Для чого поверхню металів покривають тонким шаром іншого металу?

Поверхню металів покривають тонким шаром іншого металу для захисту виробів від корозії, підвищення їхньої зносостійкості та міцності або з декоративною метою для надання привабливого вигляду.

5. Що таке гальваностегія? гальванопластика?

Гальваностегія — це електролітичний спосіб нанесення тонкого шару металу на поверхню виробу. Гальванопластика — це процес отримання точних копій рельєфних виробів за допомогою електролізу.

ВПРАВА № 3

1. Установіть відповідність між зображеним експериментом (1–3) і назвою відповідного виробничого процесу (А–Г).

1) Назвіть основні складники кола.

Основними складниками кола, зображеного на рисунку 1, є джерело постійного струму, амперметр, електролітична ванна з розчином аргентум(I) нітрату ($AgNO_3$), два електроди та з’єднувальні проводи.

2) Який електрод слугує катодом, а який — анодом?

Електрод, під’єднаний до негативного полюса джерела струму (лівий на схемі), слугує катодом, а електрод, під’єднаний до позитивного полюса (правий на схемі), слугує анодом.

3) На якому електроді виділяється срібло?

Срібло виділяється на негативно зарядженому електроді — катоді.

4) Якою є сила струму в колі?

Відповідно до показів амперметра, наведених на рисунку 1, сила струму в колі становить 2 А.

5) За який час на електроді утвориться шар срібла масою 784 мг?

Дано:

• $m = 784\text{ мг}$
• $I = 2\text{ А}$
• $k = 1{,}118\text{ мг/Кл} \approx 1{,}12\text{ мг/Кл}$ (електрохімічний еквівалент срібла)

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:

За першим законом Фарадея для електролізу:
$m = k \cdot I \cdot t$

Звідси час електролізу:
$t = \dfrac{m}{k \cdot I}$

$t = \dfrac{784}{1{,}12 \cdot 2} = 350\text{ с}$

$350\text{ с} = 5\text{ хв } 50\text{ с}$

Відповідь: 350 с (або 5 хв 50 с).

ВПРАВА № 3

6) Яку енергію буде витрачено під час сріблення, якщо напруга на електродах становить 11 В?

Дано:

• $U = 11\text{ В}$
• $m = 784\text{ мг} = 784 \cdot 10^{-6}\text{ кг}$
• $k = 1{,}118\text{ мг/Кл} = 1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$

Знайти:

• $W - ?$

Розв’язання:

Робота електричного струму (енергія) визначається за формулою:
$W = U \cdot q$

Згідно з першим законом Фарадея для електролізу:
$m = k \cdot q \implies q = \dfrac{m}{k}$

Підставивши вираз для заряду у формулу енергії, отримаємо:
$W = U \cdot \dfrac{m}{k}$

$W = 11 \cdot \dfrac{784 \cdot 10^{-6}}{1{,}118 \cdot 10^{-6}} \approx 11 \cdot 701{,}25 \approx 7713{,}75\text{ Дж}$

Відповідь: 7713,75 Дж.

3. На рис. 2 наведено схематичне зображення електричного кола, до складу якого входить посудина з водним розчином цинк(II) сульфату. За даними рисунка обчисліть товщину шару цинку, що утвориться на катоді в результаті електролізу.

Дано:

• $I = 0{,}4\text{ А}$ (згідно з показом амперметра на рис. 2)
• $t = 15\text{ хв} = 900\text{ с}$
• $S = 0{,}01\text{ м}^2$
• $k = 0{,}34\text{ мг/Кл} = 0{,}34 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
• $\rho = 7130\text{ кг/м}^3$ (густина цинку)

Знайти:

• $d - ?$

Розв’язання:

Маса речовини, що виділилася на катоді:
$m = k \cdot I \cdot t$

Також маса пов’язана з об’ємом та густиною:
$m = \rho \cdot V = \rho \cdot S \cdot d$

Прирівняємо праві частини рівнянь:
$\rho \cdot S \cdot d = k \cdot I \cdot t$

Звідси товщина шару:
$d = \dfrac{k \cdot I \cdot t}{\rho \cdot S}$

$d = \dfrac{0{,}34 \cdot 10^{-6} \cdot 0{,}4 \cdot 900}{7130 \cdot 0{,}01} = \dfrac{0{,}0001224}{71{,}3} \approx 1{,}7167 \cdot 10^{-6}\text{ м}$

Відповідь: $\approx 1{,}72\text{ мкм}$.

4. Для сріблення ложок через розчин аргентум нітрату пропускали струм силою 1,8 А. Катодом слугували 12 ложок, кожна з яких мала площу поверхні 50 см². Скільки часу тривав електроліз, якщо на ложках утворився шар срібла завтовшки 58 мкм?

Дано:

• $I = 1{,}8\text{ А}$
• $n = 12$
• $S_1 = 50\text{ см}^2 = 50 \cdot 10^{-4}\text{ м}^2$
• $d = 58\text{ мкм} = 58 \cdot 10^{-6}\text{ м}$
• $k = 1{,}118\text{ мг/Кл} = 1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
• $\rho = 10500\text{ кг/м}^3$ (густина срібла)

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:

Загальна площа поверхні всіх ложок:
$S = n \cdot S_1 = 12 \cdot 50 \cdot 10^{-4} = 0{,}06\text{ м}^2$

Маса срібла, що осіло на ложках:
$m = \rho \cdot S \cdot d$

Згідно із законом Фарадея:
$m = k \cdot I \cdot t \implies t = \dfrac{m}{k \cdot I}$

Отже:
$t = \dfrac{\rho \cdot S \cdot d}{k \cdot I}$

$t = \dfrac{10500 \cdot 0{,}06 \cdot 58 \cdot 10^{-6}}{1{,}118 \cdot 10^{-6} \cdot 1{,}8} = \dfrac{0{,}03654}{0{,}0000020124} \approx 18157\text{ с}$

$t \approx 5\text{ год } 2\text{ хв}$

Відповідь: $\approx 5\text{ год } 2\text{ хв}$.

5. Під час рафінування міді анодом слугує пластина неочищеної міді (Cu²⁺) масою 2 кг, яка має 12 % домішок. Яку корисну роботу має виконати струм для очищення цієї міді, якщо процес відбувається за напруги 6 В?

Дано:

• $m_{заг} = 2\text{ кг}$
• $\omega = 12\% = 0{,}12$ (вміст домішок)
• $U = 6\text{ В}$
• $k = 0{,}329\text{ мг/Кл} = 0{,}329 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$

Знайти:

• $A - ?$

Розв’язання:

Маса чистої міді, яку необхідно перенести на катод:
$m = m_{заг} \cdot (1 - \omega)$
$m = 2 \cdot (1 - 0{,}12) = 1{,}76\text{ кг}$

Робота струму:
$A = U \cdot q$

З першого закону Фарадея:
$q = \dfrac{m}{k}$

Остаточна формула:
$A = U \cdot \dfrac{m}{k}$

$A = 6 \cdot \dfrac{1{,}76}{0{,}329 \cdot 10^{-6}} \approx 6 \cdot 5349544 \approx 32097264\text{ Дж}$

Відповідь: $\approx 32{,}1\text{ МДж}$.

6. Дізнайтеся про застосування електролізу для очищення води. Підготуйте стисле повідомлення.

Електроліз використовується для очищення стічних та природних вод за допомогою методів електрокоагуляції та електродезінфекції. Під час електрокоагуляції використовуються металеві аноди (зазвичай алюмінієві або залізні), які розчиняються під дією струму, утворюючи пластівці гідроксидів, що поглинають забруднювачі та важкі метали. Електродезінфекція забезпечує знищення мікроорганізмів завдяки утворенню сильних окисників, таких як хлор або озон, безпосередньо у воді. Цей метод дозволяє уникати використання рідкого хлору, що підвищує екологічну безпеку процесу. Перевагами електролітичного очищення є компактність обладнання та можливість автоматизації процесу.