Электролиз определение. Электролизер его устройство. Электролиз расплавов электролитов

Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах в растворе или расплаве электролита под действием постоянного электрического тока, подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Прибор, в котором проводят электролиз, называют электролизером. На отрицательном электроде электролизера (катоде) происходит процесс восстановления – присоединения окислителем электронов, поступающих из электрической цепи, а на положительном электроде (аноде) – процесс окисления – переход электронов от восстановителя в электрическую цепь.

Таким образом, распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеется при работе гальванического элемента. Причина этого заключается в том, что процессы, протекающие при электролизе, в принципе обратны процессам, идущим при работе гальванического элемента. При электролизе процессы осуществляются за счёт энергииэлектрического тока, подводимой извне, в то время как при работе гальванического элемента энергия самопроизвольно протекающей в нём химической реакции превращается в электрическую энергию. Для процеcсов электролиза DG>0, т.е. при стандартных условиях они самопроизвольно не идут.

Электролиз расплавов. Рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия (рис. 10.2). Это простейший случай электролиза, когда электролит состоит из одного вида катионов (Na⁺) и одного вида анионов(Cl ) и никаких других частиц, могущих участвовать в электролизе, нет. Процесс электролиза расплава NaCl идёт следующим образом. С помощью внешнего источника тока электроны подводятся к одному из электродов, сообщая ему отрицательный заряд. Катионы Na⁺ под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами. Этот электрод является катодом, и на нём идёт процесс восстановления катионов Na⁺. Анионы Cl движутся к положительному электроду и, отдав электроны аноду, окисляются. Процесс электролиза наглядно изображают схемой, которая показывает диссоциацию электролита, направление движения ионов, процессы на электродах и выделяющиеся вещества. Схема электролиза расплава хлорида натрия выглядит так:

NaCl = Na⁺ + Cl

(-) Катод: Na⁺ Анод (+):Cl

Na⁺ + e^- = Na 2Cl - 2eˉ = Cl₂

Суммарное уравнение:

2Na⁺ + 2Cl ^{ЭЛЕКТРОЛИЗ} 2Na + Cl₂

или в молекулярном виде

2NaCl ^{ЭЛЕКТРОЛИЗ} 2Na + Cl₂

Эта реакция является окислительно-восстановительной: на аноде протекает процесс окисления, на катоде – процесс восстановления.

В процессах электролиза растворов электролитов могут участвовать молекулы воды и имеет место поляризация электродов.

Подаваемый в электролизер водный раствор различается в раздельных камерах на водород и кислород, чтобы исключить побочные электрохимические реакции /или значительно уменьшить их/ на аноде в катодной камере, а значит и повысить степень чистоты получаемого водорода. Проводником электрического тока между катодной и анодной камерами /пространствами/ 2 и 7 служит цельный общий для катодного и анодного пространств с раствором электрод 4, выполненный из оксидно-рутениевого материала, нереагирующего с кислородом. Значительно ослаблена и побочная реакция в объеме электролита в виду того, что катодное пространство от анодного отделено изолирующей перегородкой, непроницаемой для электролита и разрывающей электрическую цепь между этими пространствами. На чертеже перегородка показана под цифрой 5. Кроме того, отсутствие пористых асбестовых диафрагм также исключает загрязнение электролита, а значит и водорода волокнами асбеста.

При необходимости электролит может циркулировать перемещаясь между электролизером и сепараторами, в которых газообразные продукты электролиза отделяются от жидкости, присоединяясь к водородопроводу и кислородопроводу. В предлагаемом электролизере получаемый кислород так же обладает высокой степенью чистоты. Само собой разумеется, что высокая степень чистоты продуктов электролиза, получаемых в предлагаемом электролизере, исключает необходимость в сложных устройствах для очистки продуктов электролиза.

Электрод 4, выполненный из оксида рутения, сконструирован подвижным и позволяет регулировать процесс электролиза, погружая его в электролит или поднимая из него и контролируя изменения величины удельного сопротивления электролита, зависящего от температуры, а также и перенапряжения водорода и кислорода на электродах, также зависящего от температурного режима электролита.

С целью повышения производительности электролизер может быть составлен из нескольких десятков или сотен отдельных изолированных друг от друга анодных и катодных камер, проводниками электрической связи между которыми будут подвижные пары электродов из оксида рутения, в этом случае удешевится и упростится электрическая связь между камерными пространствами, так как отпадет необходимость ошиновки над электролизерами и монтажа кабельных каналов.