ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ПРИ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗЕ

Электродиализ дает уникальную возможность проведения реакций, которые в обычных условиях протекают только в противоположном направлении. Простейшей из них является реакция гидролиза хлорида натрия, который, как известно, в равновесных условиях не гидролизуется. Для получения хлора и щелочи из хлорида натрия используют двухсекционный аппарат, секции которого разделены катионообменной мембраной. При протекании постоянного электрического тока ионы хлора разряжаются на аноде и выделяются в виде газообразного хлора из анодной секции, а ионы натрия мигрируют в катодную секцию. В катодной секции при протекании катодной реакции водород выделяется из раствора секции, а оставшиеся гидроксильные ионы с катионами натрия образуют щелочь. Суммарная реакция выражается уравнением

2NaCl + 2H₂O = Cl₂↑ + 2NaOH + H₂↑ (7)

Эта реакция находит применение в промышленности для получения хлора и щелочи из хлорида натрия, медленно вытесняя опасный для здоровья ртутный метод электролиза. Учитывая исключительно большие потребности промышленности в хлоре и щелочи, этот процесс может стать особенно актуальным. В качестве катионообменной мембраны в данном процессе используют перфторированные мембраны, имеющие высокую химическую стойкость и специфическую структуру.

Если ученик напишет на уроке реакцию гидролиза сульфата натрия или хлорида натрия, то, возможно, учитель поставит ему неудовлетворительную оценку, так как трудно представить, что из раствора дешевой глауберовой соли можно получить серную кислоту и едкий натр

Na₂SO₄ + 2H₂O = 2NaOH + H₂SO₄ (8)

Между тем такая реакция проходит, но не самопроизвольно, а при затратах электрической энергии. На аноде протекает реакция, которая позволяет получить водородные ионы

2H₂O = 4H+ + O₂↑ + 4e^-,

а катодная реакция приводит к получению гидроксильных ионов

4H₂O + 4e^- = 4OH^- + 2H₂↑

Это дает возможность при электромиграции натрия через катионообменную и хлоридных ионов через анионообменную мембраны провести реакцию (8).

Для того чтобы осуществить рентабельный процесс получения кислот и оснований из их солей, применяют биполярные мембраны. Биполярные мембраны состоят из двух спрессованных частей. Одной частью является анионообменная, а другой - катионообменная мембраны. При протекании через биполярную мембрану даже малого постоянного тока на внутренней границе, разделяющей анионообменную и катионообменную части мембраны, происходит необратимая диссоциация молекул воды. Ее причина - отвод продуктов диссоциации из зоны реакции при миграции водородных ионов через катионообменную, а гидроксильных ионов через анионообменную части биполярной мембраны. На рис. 5 показан фрагмент, включающий одну биполярную мембрану. Реально процесс может включать десятки биполярных мембран, позволяющих получать кислоты и основания из их солей.

Часто в лаборатории возникает потребность в проведении реакций обмена, которые имеют константы равновесия, близкие к единице. Например, если в лаборатории имеется нитрат натрия и хлорид калия, то реакция между ними

NaNO₃ + KCl = KNO₃ + NaCl (9)

не проходит до конца и нельзя получить, по крайней мере при одностадийном процессе, калиевую селитру (нитрат калия). Однако электродиализ дает возможность провести такую реакцию до конца, если поместить растворы этих солей в соседние секции обессоливания.

Миллионы лет эволюции создали биологические мембраны в качестве самого эффективного инструмента транспорта, разделения и синтеза веществ. Первые попытки заимствования у природы этих функций еще очень далеки от оригинала, однако можно уверенно сказать, что использование синтетических мембран уже сейчас дает возможность решить некоторые проблемы разделения и синтеза веществ с более высокими экологическими и экономическими характеристиками в сравнении с традиционными методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шапошник В.А. // Журн. аналит. химии. 1992. Т. 47, № 1. С. 152-158.

2. Гнусин Н.П., Гребенюк В.Д., Певницкая М.В. Электрохимия ионитов. Новосибирск: Наука, 1972. 200 с.

3. Заболоцкий В.И., Никоненко В.В. Перенос ионов в мембранах. М.: Наука, 1996. 388 с.

4. Тимашев С.Ф. Физикохимия мембранных процессов. М.: Химия, 1988. 237 с.

5. Шапошник В.А. Кинетика электродиализа. Воронеж: ВГУ, 1989. 176 с.

6. Шапошник В.А., Мазо А.А., Фрёлих П. // Успехи химии. 1991. Т. 60, № 11. С. 2469-2483.

7. Shaposhnik V.A., Kuzminykh V.A., Grigorchuk O.V., Vasil'eva V.I. // J. Membrane Sci. 1997. Vol. 133. P. 27-37.