ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Электролиз имеет ряд важных промышленных применений. Они включают извлечение и очистку металлов, нанесение гальванических покрытий, а также анодирование и получение различных химических веществ.

Извлечение металлов

Извлечение металлов первой и второй групп периодической системы осуществляется с помощью электролиза из расплавленных галогенидов этих металлов. Например, натрий получают электролизом расплавленного хлорида натрия в электролизере Даунса. Магний получают электролизом хлорида магния, который в свою очередь получают из доломита и морской воды. Подробное описание этих и других способов получения металлов приведены в других местах книги, которые указаны в табл. 10.4.

Таблица 10.4. Способы электролитического получения металлов

Очистка металлов

Очистка таких металлов, как медь и цинк, может осуществляться с помощью электролиза. Очистка металлов называется рафинированием (см. разд. 10.5). На рис. 10.7 схематически изображен процесс очистки меди. Неочищенная медь играет в этом процессе роль анода, а очищенная медь - роль катода; в качестве электролита может использоваться раствор сульфата .

На аноде протекает полуреакция

Примеси, высвобождаемые при растворении неочищенной меди на аноде, опускаются на дно электролизера, образуя так называемый анодный ил. Этот ил может содержать драгоценные металлы, например золото и серебро. Переходящие в раствор ионы меди разряжаются и осаждаются на чистом медном катоде. Эта полуреакция описывается уравнением

Рис. 10.7. Рафинирование меди.

Нанесение гальванических покрытий

В этом процессе нанесение покрытия (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод погружают в электролит, который содержит ионы электроосаждаемого металла. В качестве анода используется пластина или стержень из того металла, которым наносят покрытие. Для успешного проведения электроосаждения следует тщательно контролировать силу электрического тока, концентрацию электролита и температуру. Кроме того, необходимо предварительно подвергнуть очистке катод.

Нанесение гальванического покрытия может включать целый ряд стадий. Например, покрытие железа хромом включает четыре стадии:

1. Очистка железного предмета, играющего роль катода, при помощи серной кислоты с последующей промывкой деионизированной водой.

2. Покрытие железного катода медью.

3. Последующее покрытие катода никелем с целью предотвращения коррозии.

4. Окончательное покрытие предмета хромом.

Анодирование

Так называется процесс покрытия алюминиевых предметов оксидом алюминия. В этом процессе покрываемый предмет играет роль анода, а в качестве электролита используется разбавленная серная кислота. Покрытие из оксида алюминия предохраняет предмет от коррозии.

Получение химических веществ

Важнейшим примером подобного применения электролиза является получение гидроксида натрия, водорода и хлора в электролизере с ртутным катодом. Подробное описание этого процесса приводится в разд. 13.3.

Электрофорез

На поверхности коллоидных частиц, взвешенных в растворе, часто имеются электрические заряды из-за адсорбции ионов или электронов. Например, частицы золота в водном золе золота адсорбируют на своей поверхности гидроксидные ионы. При

Рис. 10.8. Электрофорез, а - адсорбция ионов на поверхности коллоидной частицы; б - схема электрофореза.

Рис. 10.9. Электроосадитель Коттрелла.

пропускании электрического тока через золь отрицательно заряженные частицы золя мигрируют к аноду (рис. 10.8). Миграция заряженных коллоидных частиц к какому-либо электроду называется электрофорез. (Другое название электрофореза - катафорез.)

Электрофорез находит важные применения в технике, медицине и биохимии. Он может использоваться для разделения, идентификации и количественного определения белков и жиров (см. разд. 20.3) в крови.

Электроосадитель Коттрелла

Электрофорез может использоваться также для удаления электрически заряженных частиц из различных аэрозолей, например из тумана, пыльного воздуха или дыма. С этой целью используется специальное устройство — электроосадитель (электрофильтр) Коттрелла (рис. 10.9). Сначала аэрозоль пропускают через отрицательно заряженное поле, в результате чего содержащиеся в нем частицы сильно электризуются, приобретая значительные электрические заряды. Затем аэрозоль пропускают через положительно заряженное поле, в котором происходит осаждение отрицательно заряженных коллоидных частиц. Электроосадитель Коттрелла используется в промышленности для удаления частиц дыма из дымовых газов и для извлечения из отходов ценных продуктов, которые иначе могут быть потеряны. Электроосадители используются также в системах кондиционирования воздуха на промышленных предприятиях и в учреждениях.

Электродиализ

Диализ - это отделение коллоидных частиц от электролитов или молекулярных частиц от дисперсионной среды, в которой они растворены. Простейшая установка для диализа представляет собой мешочек из полупроницаемого материала (например,

Рис. 10.10. а - гидратированные частицы золя стабилизируются в результате адсорбции на их поверхности ионов б - удаление избыточных ионов из электролита помощью диализа.

целлофана или пергаментной бумаги), погруженный в дисперсионную среду. Ионные и молекулярные частицы способны диффундировать через стенки мешочка в дисперсионную среду. Коллоидные частицы остаются внутри мешочка.

Диализ может использоваться, например, для удаления избыточных ионов из золя, содержащего коллоидные частицы оксида который стабилизирован этими ионами (рис. 10.10).

Диализ - довольно медленный процесс. Чтобы добиться достаточно полного удаления неколлоидного вещества, приходится часто менять дисперсионную среду. Но если неколлоидное вещество представляет собой электролит, диализ можно ускорить, применяя вариант этой методики, который называется электродиализ (рис. 10.11). Элсктродиализ одно время использовали для промышленного получения пресной воды из засоленных грунтовых вод или из морской воды. Однако впоследствии были предложены более экономичные методы обессоливания воды.

Рис. 10.11. Электродиализ.

Искусственная почка

Диализ находит применение в медицине для поддержания больных, почки которых не справляются со своей функцией. Процесс, основанный на использовании диализа для удаления токсичных продуктов обмена веществ из крови, называется гемодиализ. Этот процесс проводитси в специальном диализере, который и представляет собой искусственную почку. Поток крови, отведенный из артерии пациента, пропускают через искусственную почку, где он циркулирует по одну сторону полупроницаемой мембраны. По другую ее сторону циркулирует раствор электролита, который по своему составу близок к составу электролита в крови пациента. Токсичные продукты диффундируют через мембрану из крови в этот раствор. Поры мембраны настолько малы, что не пропускают кровяные тельца и белки в раствор. Очищенная кровь возвращается в тело пациента через вену.

Итак, повторим еще раз!

1. Электролиз происходит при пропускании электрического тока через электролит, когда на электродах осуществляются химические реакции.

2. Анод - это электрод, на котором происходит окисление.

3. Катод - это электрод, на котором происходит восстановление.

4. Последовательность, в которой различные ионы, содержащиеся в электролите, разряжаются на электродах при электролизе, зависит

а) от химической природы электрода,

б) от состояния электролита,

в) от электродного потенциала каждого конкретного иона.

5. Первый закон электролиза (первый закон Фарадея) гласит, что масса вещества, образующегося на электроде при электролизе, пропорциональна количеству электричества, пропущенному через электролит.

6. Второй закон электролиза (второй закон Фарадея) гласит, что для разряда одного моля какого-либо иона на электроде необходимо пропустить через электролит такое число фарадеев заряда, которое равно числу элементарных зарядов на этом ионе.

7. Электролиз используется:

а) дли извлечения металлов,

б) для очистки металлов,

в) для нанесения гальванических покрытий на металлы.

8. Электрофорез - это миграция заряженных коллоидных частиц к электроду.

9. Диализ - это отделение коллоидных частиц от электролитов или молекулярных частиц от дисперсионной среды, в которой они растворены.

10. Методика, основанная на ускорении диализа с помощью электрического поля, приложенного между электродами, называется электродиализом.