Электролиз. Удивительный мир гальваники

Что такое электролиз? Почему сухая соль, а также дистиллированная вода не проводят электрический ток, а если их смешать становятся проводником?
Цель: изучить сущность процесса электролиза
Задачи: * суть катодных и анодных процессов
* примеры электролиза
* применение электролиза
* экспериментально проверить выполнение законов электролиза
* на практике познакомиться с гальванотехникой

Содержание
Понятие электролиза
Законы электролиза
Экспериментальная проверка закона Фарадея
Применение электролиза в промышленности

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные – к отрицательному – катоду. Возникает электрический ток, который характери-зуется переносом вещества. На электро-дах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы – анионы отдают свои лишние электроны (происходит окислительная реакция), а на катоде положительные ионы – катионы получают недостающие элек-троны (восстановительная реакция).
Понятие электролиза
Таким образом, электролиз – это окисли-тельно-восстановитель-ный процесс, который возникает на электродах при прохождении элек-трического тока через раствор или расплав электролита.

Явление электролиза было открыто в 1800 г. английскими учеными У. Никольсоном и А. Карлейлем, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении электродов в воду.
Законы электролиза был экспериментально установлены английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Законы электролиза
К проводникам электрического тока относятся - водные растворы солей, кислот и оснований. Вещества и растворы, которые проводят электрический ток, получили название - электролиты.
Чтобы вещество проводило ток, необходимо наличие заряженных частиц (электронов, протонов, «+» или «-» ионов). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.
Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:
СuCl2 = Cu+2 + 2 Cl-1

Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.
Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме:
СuSO4 = Cu+2 + SO4-2
Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить хими-чески чистую медь. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложе-ние меди на катоде.

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:
m = k Q = k I t.
Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:
Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:
Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея.
F = eNA = 96485 Кл / моль.
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Эксперимент:
Выполнение закона Фарадея (на практике)
Масса ключа 12,1 г. После сборки электрической цепи (см. рис) через раствор электролита пропускался ток напряжение 4 В, сила тока 1 А в течение 2 ч. Масса ключа после осаждения меди 14,3 г. Определить электрохимический коэффициент меди и сравнить с табличным значением.
Дано:
Δm= m1-m2=2.2г
I= 1А
U= 4В
t=2ч= 7200с
k - ?
Решение:
Δm= kIt ? k =Δm/It
k= 2.2*10-3кг/(1A*7200c)
k= 3.05*10-7кг/Кл
Табличное значение 3.3*10-7кг/Кл
Погрешность составляет: абс. 0,25*10-7кг/Кл
Относительная погрешность 0,075 или 7,5%
Закон Фарадея выполнился с погрешностью 7,5 %

Применение электролиза
Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.
Электролитические процессы классифицируются следующим образом:
получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.);
Электролиз раствора соли активного металла и
бескислородной кислоты. Путем электролиза
производят Н2 и О2 из воды,
С12 из водных растворов NaCl, F2 из расплава KF
очистка металлов (медь, серебро и т.д., и т.п.);
Электролиз с растворимым анодом. Например, Полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно,
а на катоде оседает чистая медь.

обработка поверхностей металлов (азотирование,
борирование, электрополировка, очистка);
получение гальванических покрытий;
Часто стальной кузов автомобиля покрывают
снизу тонким слоем цинка для защиты от коррозии

Гальванотехника, область прикладной химии, охватывающая процессы электролитического осаждения металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий. Гальванотехника включает: гальваностегию — получение на поверхности изделий прочно сцепленных с ней тонких металлических покрытий и гальванопластику — получение легко отделяющихся, относительно толстых, точных копий с различных предметов, т. н. матриц.
Открытие и техническая разработка гальванотехники принадлежат русскому учёному Б. С. Якоби, о чём он доложил 5 октября 1838 на заседании Петербургской Академии Наук. Он много сделал для ее внедрения в печатное и монетное дело, для изготовления художественных изделий

Одно из первых применений гальванопластики — создание декоративной скульптуры. Техникой гальванопластики в 30—40-х гг. XIX в. в России было изготовлено значительное число скульптуры, сохранившейся до нашего времени (например, часть скульптуры на фасаде Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, скульптура в Екатерининском парке города Пушкина и др.).
Воспроизведение скульптур в бронзе или чугуне возможно только литейным способом, к сожалению, не дающим возможности получить скульптурное произведение с абсолютной точностью: при отливке ухудшается передача мельчайших штрихов, а вместе с ними меняется манера, в которой воспроизведена лепка.

Гальваностегия
Прежде всего необходимо тщательно очистить предмет! Очищенное изделие подвешивается в гальванической ванне, где оно будет служить в качестве катода. На 1 литр воды 250 г сульфата меди (медный купорос) 50-80 г концентрированной серной кислоты. Анодом служит медная пластинка подвешенная параллельно покрываемой детали. Напряжение должно быть 3-4 В, сила тока - 0.4 А. Температура 18-30 градусов. Чем сложнее форма детали, тем меньший ток можно применить.
Положительным электродом будет медная пластинка, отрицательным - предмет, который вы хотите покрыть медью, например, железный ключ.
Эксперимент

Полоска меди и ключ должны быть опущены в раствор купороса, но не соприкасаться между собою. Ток будет разлагать медный купорос. Выделяющаяся из него чистая медь будет оседать на отрицательном электроде — на ключе. А в это же время взамен меди, извлеченной таким способом из раствора, на положительном электроде идет разрушительная работа: медная пластинка разъедается и пополняет медью раствор.
Омеднение ключа

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГЕРБАРИЕВ
Для создания металлического гербария я взяла листья королевской бегонии, дуба и березы.
К сожалению, мои эксперименты не совсем удачные, так как металлическое покрытие отстает от поверхности листа. В Интернете я нашла еще один рецепт создания металлического гербария…

Для создания металлических гербариев берут свежие листья и снимают с них отпечатки на восковой композиции. Для этого в формочку из плотной бумаги или в обечайку заливают подготовленную композицию и дают ей остыть почти до полного отвердевания с таким расчетом, чтобы поверхность восковой композиции была еще эластичной.
Листья накладывают на поверхность воска и прижимают их стеклом. После этого снимают стекло и лист, и на восковой композиции остается четкий отпечаток листа. Таким же образом делают отпечаток с обратной стороны листа.
Когда воск полностью затвердеет и станет холодным, форму с отпечатком осторожно графитируют мягкой кистью так, чтобы не повредить отпечатка. Установив проводники, на форме укрепляют груз, чтобы они не всплывали, и форму завешивают в гальванопластическую ванну
РЕЦЕПТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГЕРБАРИЕВ

Заключение
P.S. При использовании гальванотехники можно делать деньги – медные пятаки на удачу.
Имея такой брелок, выпускник или студент может быть уверен - пятерка на экзамене обеспечена…
Опыты с электричеством, с электролизом удивительны, занимательны. И чем больше я читаю, экспериментирую, тем больше меня захватывает эта тема…