Номер 12, страница 159 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

12. Приведите примеры использования электролиза в технике.

Электролиз, как окислительно-восстановительный процесс, протекающий под действием электрического тока, нашел широкое применение в различных отраслях техники и промышленности. Ниже приведены основные примеры его использования.

Электрометаллургия

Это область металлургии, занимающаяся получением и очисткой (рафинированием) металлов с помощью электролиза. Ее можно разделить на два направления:

• Получение металлов из руд и концентратов. Электролиз расплавов солей или оксидов является единственным промышленным способом получения наиболее активных металлов. Классический пример — производство алюминия электролизом раствора оксида алюминия $Al_2O_3$ в расплавленном криолите $Na_3[AlF_6]$. Также электролизом расплавов солей получают натрий, калий, магний, кальций.
• Рафинирование металлов. Этот метод используется для получения металлов высокой чистоты. Например, при электролитическом рафинировании меди неочищенная (черновая) медь служит анодом, а тонкая пластина из чистой меди — катодом. В процессе электролиза анод растворяется, а на катоде осаждается чистая медь ($99.95\%$ и выше). Примеси либо остаются в растворе, либо выпадают в осадок (анодный шлам), который часто содержит ценные металлы, такие как золото и серебро.

Ответ: Электрометаллургия используется для промышленного получения активных металлов (алюминий, натрий, магний) и для очистки других металлов (медь, никель, свинец) до высокой степени чистоты.

Гальванотехника

Это совокупность электрохимических методов нанесения металлических и химических покрытий на поверхность изделий. Основные направления:

• Гальваностегия. Это процесс нанесения тонкого слоя одного металла на поверхность другого для придания защитных, декоративных или специальных свойств. Изделие, которое нужно покрыть, служит катодом в ванне с раствором соли металла, который наносится. Примеры: хромирование (для защиты от коррозии и придания блеска), никелирование, цинкование (для защиты стали от ржавчины), позолота и серебрение (в ювелирном деле и электронике).
• Гальванопластика. Этот процесс используется для создания точных металлических копий предметов. На исходную модель (матрицу), сделанную, например, из воска или пластика и покрытую токопроводящим слоем, в электролитической ванне наращивается толстый слой металла. После этого металлическая копия отделяется от матрицы. Таким способом изготавливают печатные формы для полиграфии, матрицы для грампластинок, сложные полые детали (например, волноводы), ювелирные изделия и скульптуры.

Ответ: Гальванотехника применяется для нанесения на поверхность изделий тонких металлических пленок (гальваностегия) и для создания точных металлических копий предметов (гальванопластика).

Производство химических веществ

Электролиз является основой для промышленного производства ряда важнейших химических продуктов.

• Хлор-щелочная промышленность. Электролиз водного раствора поваренной соли ($NaCl$) позволяет получать сразу три ценных продукта: газообразный хлор ($Cl_2$), водород ($H_2$) и гидроксид натрия ($NaOH$). Эти вещества являются сырьем для множества других химических производств. Суммарное уравнение процесса: $2NaCl + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow$.
• Получение водорода и кислорода. Электролиз воды (часто с добавлением щелочи для увеличения электропроводности) используется для получения химически чистых водорода и кислорода. Этот метод особенно важен для так называемой "зеленой" энергетики, где водород, полученный с помощью энергии из возобновляемых источников (солнечной, ветровой), рассматривается как экологически чистое топливо. Уравнение реакции: $2H_2O \rightarrow 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$.
• Получение фтора. Фтор, самый активный неметалл, получают исключительно электролизом расплава гидрофторида калия $KHF_2$.

Ответ: Электролиз применяется для крупнотоннажного производства важных химических веществ, таких как хлор, водород и гидроксид натрия, а также для получения чистых газов — водорода, кислорода и фтора.

Электрохимическая обработка и защита металлов

Электролиз используется не только для нанесения покрытий, но и для обработки самой поверхности металла.

• Электрохимическая размерная обработка. Этот метод позволяет обрабатывать очень твердые и прочные металлы и сплавы, которые трудно поддаются механической обработке. Деталь является анодом и растворяется под действием тока, принимая форму катода-инструмента.
• Электрополировка. Процесс, обратный гальваностегии, при котором изделие выступает в роли анода и подвергается растворению. При этом в первую очередь растворяются микровыступы на поверхности, что приводит к ее сглаживанию и появлению зеркального блеска.
• Анодирование. Метод создания прочной оксидной пленки на поверхности некоторых металлов, чаще всего алюминия и его сплавов. Изделие служит анодом в электролитической ванне. Образующаяся оксидная пленка значительно повышает коррозионную стойкость и износостойкость, а также позволяет окрашивать изделие в различные цвета.

Ответ: Электрохимические методы используются для точной обработки твердых сплавов, полировки поверхностей до зеркального блеска и для создания защитных оксидных пленок на металлах (анодирование) с целью защиты от коррозии.