Номер 3, страница 48, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 5. Электрический ток. Параграф 58. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 3, страница 48.

Условие.

• Использование электролиза в промышленности.

Решение.

Электролиз — это совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Этот процесс нашёл широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своей способности получать вещества высокой чистоты и осуществлять уникальные химические превращения.

Электрометаллургия — получение и рафинирование металлов

Это одна из наиболее масштабных областей применения электролиза. С его помощью получают и очищают множество металлов.

1. Получение активных и других металлов. Многие активные металлы (щелочные, щелочноземельные), а также алюминий и некоторые другие, невозможно получить восстановлением из их оксидов углем. Их получают электролизом расплавов солей или оксидов.
Пример: Получение алюминия (процесс Холла-Эру). Алюминий получают электролизом раствора глинозёма ($Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$) при температуре около $950 \text{°C}$.
- На катоде (дно и стенки ванны) происходит восстановление алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
- На аноде (угольные блоки) происходит окисление кислорода, который затем реагирует с углеродом анода: $2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$, затем $C + O_2 \rightarrow CO_2$.
Аналогично получают натрий, магний, кальций электролизом расплавов их хлоридов.

2. Электролитическое рафинирование (очистка) металлов. Этот метод используется для получения металлов высокой чистоты (например, меди, никеля, серебра).
Пример: Рафинирование меди. В качестве анода используют пластины из неочищенной (черновой) меди, а в качестве катода — тонкие листы из чистой меди. Электролитом служит раствор сульфата меди ($CuSO_4$).
- На аноде медь и более активные металлы-примеси (Fe, Zn) окисляются и переходят в раствор в виде ионов: $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$
- На катоде восстанавливаются только ионы меди, осаждаясь в виде чистого металла: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$
Более активные примеси остаются в растворе, а менее активные (Au, Ag, Pt) не окисляются и оседают на дно ванны, образуя ценный анодный шлам.
Ответ: В электрометаллургии электролиз используется для промышленного производства активных металлов (алюминий, натрий, магний) из расплавов их соединений и для глубокой очистки (рафинирования) менее активных металлов, таких как медь.

Получение химических продуктов

Электролиз является основой для производства многих важных неорганических и органических веществ.

1. Производство хлора и щелочей (хлор-щелочной процесс). Электролиз водного раствора поваренной соли ($NaCl$) — один из самых крупнотоннажных промышленных процессов. В результате получают три ценных продукта: хлор, гидроксид натрия (едкий натр) и водород.
- На катоде: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$
- На аноде: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2 \uparrow$
Ионы натрия ($Na^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$) образуют в прикатодной области раствор щёлочи ($NaOH$).

2. Получение водорода и кислорода. Электролиз воды (часто подкисленной или подщелоченной для увеличения электропроводности) используется для получения особо чистого водорода и кислорода. Этот метод важен для "зеленой" водородной энергетики, если электричество получают из возобновляемых источников.

3. Получение фтора и других веществ. Фтор, самый активный неметалл, получают исключительно электролизом расплава гидрофторида калия ($KHF_2$) или раствора $KF$ в безводном $HF$. Также электролизом получают перманганаты, перхлораты и другие окислители.
Ответ: Электролиз применяется для крупномасштабного производства хлора, гидроксида натрия, водорода, кислорода, фтора и многих других неорганических и органических соединений.

Гальванотехника — нанесение металлических покрытий

Гальванотехника объединяет два процесса: гальваностегию и гальванопластику.

1. Гальваностегия (электроосаждение, electroplating). Это процесс нанесения на поверхность изделия тонкого слоя другого металла для придания ему защитных (защита от коррозии), защитно-декоративных или декоративных свойств. Изделие, на которое наносится покрытие, служит катодом, а электролитом — раствор соли металла, которым покрывают изделие. Анодом может быть пластина из того же металла (растворимый анод) или инертный материал (нерастворимый анод).
Примеры: хромирование, никелирование, цинкование (оцинковка), позолота, серебрение деталей машин, инструментов, ювелирных изделий.

2. Гальванопластика (electroforming). Это процесс получения точных металлических копий предметов. На поверхность исходного предмета (матрицы) наносят токопроводящий слой (например, графита), а затем в электролитической ванне на этом слое осаждают толстый слой металла. Полученную металлическую копию затем отделяют от матрицы.
Примеры: изготовление печатных плат, клише для полиграфии, матриц для грампластинок и компакт-дисков, сложных полых изделий.
Ответ: В гальванотехнике электролиз используется для нанесения защитных и декоративных металлических покрытий на изделия (гальваностегия) и для создания точных металлических копий предметов (гальванопластика).

Другие области применения

1. Электрохимическая обработка металлов. Используется для обработки очень твёрдых металлов и сплавов, которые трудно поддаются механической обработке. Деталь является анодом и растворяется под действием тока, принимая форму катода-инструмента.

2. Очистка сточных вод. Методы электрокоагуляции и электрофлотации используют для удаления из воды взвешенных частиц, ионов тяжёлых металлов, органических загрязнителей.

3. Электрохимические сенсоры. Работа многих датчиков для определения концентрации веществ (например, алкотестеров, глюкометров) основана на электролитических процессах.
Ответ: К прочим важным промышленным применениям электролиза относятся точная обработка металлов, очистка сточных вод и создание аналитических приборов.