Номер 18, страница 230 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.18. С какой целью при получении натрия электролизом расплава хлорида натрия в электролизёр вводят хлорид кальция?

Решение

Промышленное получение натрия осуществляется электролизом расплава его хлорида ($NaCl$), известным как процесс Даунса. Основная проблема при использовании чистого хлорида натрия заключается в его высокой температуре плавления, которая составляет 801 °C. Поддержание такой высокой температуры требует значительных затрат энергии, что делает процесс экономически невыгодным. Кроме того, при такой температуре жидкий натрий становится очень активным и летучим (температура кипения натрия 883 °C), что создает технические трудности и угрозу безопасности, а также приводит к потерям продукта.

Для решения этой проблемы в электролизёр добавляют хлорид кальция ($CaCl_2$). Хлорид натрия и хлорид кальция образуют эвтектическую смесь, которая имеет гораздо более низкую температуру плавления. Обычно используется смесь, содержащая около 40% $NaCl$ и 60% $CaCl_2$, температура плавления которой составляет примерно 600 °C.

Снижение рабочей температуры электролиза с ~800 °C до ~600 °C дает несколько ключевых преимуществ. Во-первых, это приводит к значительной экономии энергии, так как сокращаются расходы на поддержание электролита в расплавленном состоянии. Во-вторых, повышается безопасность и эффективность процесса: при более низкой температуре уменьшается испарение металлического натрия, снижается его реакционная способность и коррозионное воздействие расплава на материалы электролизёра.

Несмотря на наличие ионов кальция ($Ca^{2+}$) в расплаве, на катоде преимущественно восстанавливается натрий, так как его потенциал восстановления в данных условиях более положителен, чем у кальция. Небольшое количество кальция, которое может образоваться, как правило, вступает в реакцию с расплавленным $NaCl$, снова образуя натрий: $Ca + 2NaCl \rightarrow CaCl_2 + 2Na$. Таким образом, основной целью добавления хлорида кальция является снижение температуры плавления электролита для удешевления и повышения безопасности процесса получения натрия.

Ответ: Хлорид кальция вводят в электролизёр с целью снижения температуры плавления хлорида натрия. Это позволяет проводить электролиз при более низкой температуре (около 600 °C вместо 801 °C), что значительно сокращает затраты энергии, уменьшает испарение и реакционную способность получаемого натрия, и в целом делает процесс более экономичным и безопасным.