Используя Интернет, страница 118 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Тестовые задания. Параграф 25. Электролиз. Глава V. Электрохимические реакции - страница 118.

Условие.

Используя Интернет и дополнительную литературу, подготовьте электронную презентацию на тему «Применение электролиза».

Решение 2.

Электролиз — это совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Этот процесс нашел широкое применение в различных отраслях промышленности, науки и техники. Ниже представлены основные направления использования электролиза, которые можно включить в электронную презентацию.

1. Промышленное получение веществ (электрометаллургия и электрохимия)

Электролиз является основным или единственным промышленным способом получения многих простых и сложных веществ, особенно тех, которые обладают высокой химической активностью.

• Получение активных металлов: Щелочные (Na, K, Li), щелочноземельные (Ca, Mg) металлы и алюминий получают исключительно электролизом расплавов их солей (например, хлоридов) или оксидов. Например, промышленное получение алюминия осуществляется электролизом раствора оксида алюминия $Al_2O_3$ в расплавленном криолите $Na_3[AlF_6]$ (процесс Холла-Эру).
  На катоде (отрицательном электроде) происходит восстановление алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
  На аноде (положительном электроде) происходит окисление кислорода: $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$
  Суммарное уравнение процесса: $2Al_2O_3 \xrightarrow{электролиз} 4Al + 3O_2\uparrow$

• Получение неметаллов: Электролизом получают водород и кислород (из подкисленной воды), хлор (из растворов или расплавов хлоридов), фтор (исключительно электролизом расплавов фторидов). Например, при электролизе водного раствора хлорида натрия получают три важных продукта: хлор, водород и гидроксид натрия (каустическую соду).
  Суммарное ионное уравнение: $2Cl^- + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} Cl_2\uparrow + H_2\uparrow + 2OH^-$
  Молекулярное уравнение: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow$

• Получение сложных веществ: Электролизом водных растворов солей получают щелочи (NaOH, KOH), сильные окислители, такие как перманганат калия $KMnO_4$, хлораты и перхлораты.

Ответ: В промышленности электролиз используется для получения активных металлов (Al, Na, Mg), неметаллов (Cl₂, F₂, H₂), а также важных химических соединений (например, гидроксида натрия).

2. Рафинирование металлов

Электролитическое рафинирование (очистка) позволяет получать металлы очень высокой чистоты (99,9% и выше). Этот метод широко применяется для очистки меди, никеля, свинца, олова, а также благородных металлов — золота и серебра.

Рассмотрим процесс на примере рафинирования меди. Неочищенный металл (черновая медь) используется в качестве анода, а тонкая пластина из чистой меди — в качестве катода. Электролитом служит водный раствор сульфата меди(II) $CuSO_4$.

• На аноде (+): происходит электрохимическое растворение (окисление). Медь и все более активные металлы-примеси (железо, цинк, никель) переходят в раствор в виде ионов.
  $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$
  $Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$

• На катоде (−): происходит осаждение (восстановление). Ионы меди из раствора осаждаются на катоде, образуя слой чистого металла, в то время как ионы более активных металлов остаются в растворе.
  $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

Менее активные примеси (золото, серебро, платина) не растворяются и оседают на дно электролизера, образуя так называемый анодный шлам — ценный продукт для извлечения благородных металлов.

Ответ: Электролитическое рафинирование применяется для получения металлов высокой чистоты (например, меди) путем растворения неочищенного анода и избирательного осаждения чистого металла на катоде.

3. Гальванотехника: гальваностегия и гальванопластика

Гальванотехника — это область прикладной электрохимии, которая включает в себя два основных процесса: гальваностегию и гальванопластику.

• Гальваностегия (нанесение гальванических покрытий): Это процесс нанесения тонкого слоя одного металла (например, хрома, никеля, цинка, олова, серебра, золота) на поверхность изделия из другого материала. Изделие, которое нужно покрыть, служит катодом. Цели гальваностегии:

  • Защита от коррозии: цинкование и кадмирование стальных деталей.
  • Придание декоративного вида: хромирование, позолота, серебрение сантехники, фурнитуры, ювелирных изделий.
  • Повышение износостойкости и твердости: хромирование и никелирование трущихся деталей машин и инструментов.

• Гальванопластика: Это процесс получения точных металлических копий различных предметов. Сначала изготавливают форму-матрицу (например, из воска или пластика), ее поверхность делают электропроводной (покрывают графитом) и используют как катод в электролитической ванне. На матрице осаждается толстый слой металла (чаще всего меди). После достижения нужной толщины металлическую копию отделяют от формы. Гальванопластика применяется для изготовления печатных плат, матриц для грампластинок, клише для печати, а также для создания произведений искусства (например, скульптуры на Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге).

Ответ: Гальваностегия используется для нанесения на изделия защитных и декоративных металлических покрытий, а гальванопластика — для создания точных металлических копий предметов.

4. Другие важные применения электролиза

Сфера применения электролиза не ограничивается перечисленными выше областями.

• Электрохимическая обработка металлов: Для изготовления деталей сложной формы из очень твердых сплавов, которые трудно поддаются механической обработке, применяют электрохимическое травление (размерную обработку). Электрополировка позволяет получить идеально гладкую, зеркальную поверхность металла.

• Очистка сточных вод: Методы электрокоагуляции и электрофлотации используют для удаления из промышленных стоков ионов тяжелых металлов ( $Cu^{2+}$, $Ni^{2+}$, $Cr^{3+}$ ), фенолов, нефтепродуктов и других загрязнителей.

• Аналитическая химия: Электрогравиметрический и кулонометрический методы анализа основаны на законах Фарадея. Они позволяют с высокой точностью определять содержание веществ в растворе, измеряя массу вещества, выделившегося на электроде, или количество электричества, затраченного на реакцию.

• Медицина и биотехнология: Электрофорез — метод, основанный на движении заряженных частиц в электрическом поле. Он широко используется для разделения сложных биологических молекул (белков, ДНК, РНК) в диагностических целях, а также для введения лекарственных препаратов в организм через кожу.

• Защита от коррозии: Катодная защита — эффективный метод борьбы с коррозией крупных металлических конструкций (подземных трубопроводов, корпусов судов, морских платформ). Защищаемый объект подключают к отрицательному полюсу внешнего источника тока, делая его катодом и предотвращая его разрушение.

Ответ: Электролиз также находит применение в прецизионной обработке металлов, очистке сточных вод, химическом анализе, медицине, биотехнологии и для защиты крупных металлических объектов от коррозии.