Номер 1, страница 134 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 32. Электрический ток в различных средах. Темы докладов - номер 1, страница 134.

Условие.

1. Использование электролиза в промышленности.

Решение.

Электролиз — это физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Этот процесс нашёл широчайшее применение в современной промышленности для получения и очистки веществ, а также для защиты и декорирования поверхностей.

Электрометаллургия — получение и очистка металлов

Одной из важнейших областей применения электролиза является металлургия. С его помощью получают металлы, которые трудно или невозможно выделить химическими методами, а также проводят их очистку до высокой степени чистоты.

1. Получение активных и тугоплавких металлов. Многие активные металлы, такие как алюминий, натрий, магний, кальций, получают электролизом расплавов их солей или оксидов. Например, мировое производство алюминия основано на электролизе раствора оксида алюминия ($Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$) при температуре около $950 \text{ °C}$.
На катоде происходит восстановление алюминия:
$Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
На угольном аноде происходит окисление кислорода, который реагирует с материалом анода:
$2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$
$C + O_2 \rightarrow CO_2$
Суммарное уравнение процесса:
$2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$

2. Электрорафинирование (электролитическая очистка). Этот метод используется для получения металлов высокой чистоты, например, меди, никеля, свинца. При рафинировании меди неочищенный (черновой) металл служит анодом, а тонкий лист чистой меди — катодом. Электролитом является водный раствор сульфата меди ($CuSO_4$). При пропускании тока анод растворяется, ионы меди переходят в раствор, а затем осаждаются на катоде, образуя слой чистой меди. Примеси либо остаются в растворе, либо выпадают в осадок (анодный шлам), который содержит ценные металлы (золото, серебро, платину).
Процессы на электродах:
Анод (неочищенная медь): $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$
Катод (чистая медь): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

Ответ: В электрометаллургии электролиз используется для промышленного получения активных металлов (алюминий, натрий, магний) из расплавов их соединений и для рафинирования (очистки) металлов, таких как медь, до высокой степени чистоты.

Гальванотехника — нанесение металлических покрытий

Гальванотехника объединяет два больших направления: гальваностегию и гальванопластику. Оба основаны на осаждении металла на поверхности изделия (катода) в процессе электролиза.

1. Гальваностегия. Это процесс нанесения на поверхность изделия тонкого слоя другого металла для защиты от коррозии, придания декоративного вида или специальных свойств (например, износостойкости, электропроводности). Примерами являются хромирование, никелирование, цинкование, позолота, серебрение. Изделие, которое нужно покрыть, погружают в ванну с раствором соли металла покрытия и подключают к отрицательному полюсу источника тока (катод). В качестве анода используется пластина из металла покрытия.
Например, при серебрении ложки:
Анод (серебряная пластина): $Ag - e^- \rightarrow Ag^+$
Катод (ложка): $Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$

2. Гальванопластика. Это процесс получения точных металлических копий предметов. С предмета-оригинала снимают слепок (матрицу), его поверхность делают электропроводной (например, покрывают графитом) и используют в качестве катода. В процессе электролиза на матрице нарастает толстый слой металла, который после отделения от формы является точной копией оригинала. Этот метод применяется для изготовления печатных плат, клише, матриц для грампластинок и компакт-дисков, произведений искусства.

Ответ: В гальванотехнике электролиз применяется для нанесения защитных и декоративных металлических покрытий на изделия (гальваностегия) и для создания точных металлических копий предметов (гальванопластика).

Химическая промышленность — синтез веществ

Электролиз является основой для производства многих важных химических продуктов.

1. Производство хлора, водорода и гидроксида натрия (щелочи). Эти вещества в огромных количествах получают электролизом водного раствора поваренной соли ($NaCl$). Этот процесс известен как хлор-щелочной электролиз.
При пропускании тока через раствор $NaCl$ на аноде выделяется хлор, а на катоде — водород. В прикатодной области накапливаются гидроксид-ионы, которые с ионами натрия образуют гидроксид натрия ($NaOH$).
Процессы на электродах:
Анод: $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$
Катод: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-$
Суммарное ионное уравнение:
$2Cl^- + 2H_2O \rightarrow H_2 + Cl_2 + 2OH^-$

2. Получение водорода и кислорода. Электролиз воды (подкисленной или подщелоченной для увеличения электропроводности) является одним из способов получения химически чистого водорода и кислорода.
Катод: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-$
Анод: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 + 4H^+$

3. Синтез других соединений. Электролизом получают фтор, перманганат калия, диоксид марганца, надсерную кислоту и ее соли (персульфаты) и многие другие органические и неорганические соединения.

Ответ: В химической промышленности электролиз является ключевым методом для крупнотоннажного производства хлора, гидроксида натрия, водорода, а также для синтеза множества других неорганических и органических веществ.

Очистка воды и другие применения

Электролиз также используется в менее масштабных, но важных областях. В частности, методы электрохимической очистки воды позволяют удалять из нее ионы тяжелых металлов, органические загрязнители, а также проводить обеззараживание. Электролиз применяется в электрохимической обработке металлов, для заточки режущих инструментов и в аналитической химии (кулонометрия).

Ответ: Дополнительные применения электролиза в промышленности включают очистку промышленных сточных вод, электрохимическую обработку материалов и использование в аналитических методах контроля.