ЭЛЕКТРО́ЛИЗ

ЭЛЕКТРО́ЛИЗ (от элек­тро… и …лиз), про­цесс об­ра­зо­ва­ния хи­мич. про­дук­тов на элек­тро­дах, кон­так­ти­рую­щих со сре­дой с ион­ной про­во­ди­мо­стью, при про­те­ка­нии элек­трич. то­ка. Пер­вые на­уч. опы­ты по Э. от­но­сят­ся к нач. 19 в.: Э. во­ды (англ. врач А. Кар­лейль и англ. хи­мик У. Ни­кол­сон, 1800), вы­де­ле­ние свин­ца, ме­ди, оло­ва Э. сме­сей ок­си­дов этих ме­тал­лов (В. В. Пет­ров, 1803), по­лу­че­ние ме­тал­лич. на­трия и ка­лия (Г. Дэ­ви, 1807). В пром. мас­шта­бах Э. стал воз­мо­жен по­сле изо­бре­те­ния ди­на­мо-ма­ши­ны.

В ре­зуль­та­те Э. на ка­то­де про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние, на ано­де – окис­ле­ние ком­по­нен­тов. Ком­по­нен­та­ми сре­ды мо­гут яв­лять­ся рас­тво­ри­тель, ио­ны элек­тро­ли­та, рас­тво­рён­ные га­зы или ма­те­ри­ал элек­тро­да. При Э. не­об­хо­ди­мо про­стран­ст­вен­ное раз­де­ле­ние ка­то­да и ано­да. Сре­дой с ион­ной про­во­ди­мо­стью мо­гут слу­жить вод­ные и не­вод­ные элек­тро­ли­тов рас­тво­ры, элек­тро­ли­ты рас­плав­лен­ные, элек­тро­ли­ты твёр­дые.

Рас­смот­рим Э. вод­но­го рас­тво­ра суль­фа­та ме­ди, в ко­то­ром при­сут­ст­ву­ют ио­ны $\ce{Cu^2+}$, $\ce{SO4^2-}$ и мо­ле­ку­лы $\ce{H2O}$. На ка­то­де про­ис­хо­дит ре­ак­ция $\ce{Cu^2+ + 2e→Cu^0}$. Ио­ны ме­ди, при­сое­ди­няя элек­тро­ны, пре­вра­ща­ют­ся в ме­тал­лич. медь. На не­рас­тво­ри­мом ано­де (напр., свин­це) про­ис­хо­дит окис­ле­ние во­ды с вы­де­ле­ни­ем ки­сло­ро­да: $\ce{H2O - 2e→0,5O2 + 2H+}$. Ио­ны $\ce{SO4^2-}$ пе­ре­но­сят за­ряд, но в элек­трод­ной ре­ак­ции не уча­ст­ву­ют. Ес­ли ис­поль­зу­ют рас­тво­ри­мый мед­ный анод, то про­те­ка­ет ре­ак­ция $\ce{Cu^0 - 2e→Cu^2+}$. Этот про­цесс при­ме­ня­ют при ра­фи­ни­ро­ва­нии ме­тал­лов, а так­же в галь­ва­но­тех­ни­ке. Э. про­во­дят в спец. ап­па­ра­тах – элек­тро­ли­зё­рах или элек­тро­лиз­ных ван­нах. Про­из­во­ди­тель­ность элек­тро­ли­зё­ра за­ви­сит от си­лы то­ка ($I$, А), при­ро­да про­дук­тов оп­ре­де­ля­ет­ся мн. фак­то­ра­ми: со­ста­вом рас­тво­ра, плот­но­стью то­ка ($i$, А/м²), по­тен­циа­лом элек­тро­да ($E$, В), его ма­те­риа­лом и ря­дом др. па­ра­мет­ров.

Ко­ли­че­ст­во про­дук­та Э. (ме­тал­ла, га­за, разл. хи­мич. со­еди­не­ний) мож­но рас­счи­тать по за­ко­ну Фа­ра­дея: $m_F=Mq/(Fn)$, где $m_F$ – мас­са ве­ще­ст­ва, вы­де­лив­ше­го­ся на элек­тро­де (кг); $M$ – атом­ная или мо­ле­ку­ляр­ная мас­са про­дук­та (кг/моль); $n$ – чис­ло элек­тро­нов, уча­ст­вую­щих в ре­ак­ции; $F$ – по­сто­ян­ная Фа­ра­дея (96485 Кл/моль); $q=It$ – ко­ли­че­ст­во про­шед­ше­го элек­три­че­ст­ва (Кл); $t$ – про­дол­жи­тель­ность Э. (с). Ве­ли­чи­на $M/(Fn)=k$ – т. н. элек­тро­хи­мич. эк­ви­ва­лент ве­ще­ст­ва (кг/Кл). Напр., ко­ли­че­ст­во оса­ж­дён­ной ме­ди при си­ле то­ка 5 А и про­дол­жи­тель­но­сти элек­тро­ли­за 120 мин рав­но: $m_F$=[0,064/(96485·2)]·5·120·60=0,012 кг. Ес­ли на по­лу­че­ние осн. про­дук­та рас­хо­ду­ет­ся толь­ко часть элек­три­че­ст­ва, то вво­дит­ся ко­эф. вы­хо­да по то­ку ($B_т$), ко­то­рый рас­счи­ты­ва­ют из со­от­но­ше­ния $B_т=m_{пр}/m_F$, где $m_{пр}$ – мас­са ве­ще­ст­ва, по­лу­чен­но­го прак­ти­че­ски. Важ­ный тех­ни­ко-эко­но­мич. по­ка­за­тель Э. – удель­ный рас­ход элек­троэнер­гии ($W_{yд}$, Дж/кг), его ве­ли­чи­на рас­счи­ты­ва­ет­ся по фор­му­ле: $W_{yд}=U_Э/(kB_т)$, где $U_Э$ – на­пря­же­ние на элек­тро­ли­зё­ре (В), ко­то­рое скла­ды­ва­ет­ся из раз­но­сти по­тен­циа­лов ано­да, ка­то­да и па­де­ния на­пря­же­ния в элек­тро­ли­те ме­ж­ду элек­тро­да­ми. В тех­ни­ке $W_{yд}$ из­ме­ря­ют в кВт·ч/кг.

С по­мо­щью Э. про­из­во­дят (элек­троме­тал­лур­гия) и ра­фи­ни­ру­ют (элек­тро­ра­фи­ни­ро­ва­ние) прак­ти­че­ски все ме­тал­лы. Алю­ми­ний, маг­ний, ще­лоч­ные, щё­лоч­но­зе­мель­ные и ред­кие ме­тал­лы по­лу­ча­ют из рас­пла­вов; медь, ни­кель, цинк и ряд дру­гих – из вод­ных рас­тво­ров. Э. при­ме­ня­ет­ся в галь­ва­но­тех­ни­ке, при элек­тро­хи­ми­че­ской об­ра­бот­ке ме­тал­лов, из­го­тов­ле­нии пе­чат­ных плат и др. В хи­мич. пром-сти Э. ис­поль­зу­ет­ся в про­из-ве хло­ра, ще­ло­чей, во­до­ро­да, ки­сло­ро­да, пе­рок­си­да во­до­ро­да и др. окис­ли­те­лей, в элек­тро­син­те­зе ор­га­нич. соеди­не­ний. Э. на­хо­дит при­ме­не­ние в са­мых разл. об­лас­тях че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­сти: нау­ке (напр., для ана­ли­тич. це­лей – элек­тро­хи­ми­че­ские ме­то­ды ана­ли­за), ме­ди­ци­не (элек­тро­фо­рез ле­кар­ст­вен­ный), изо­бра­зит. иск-ве (галь­ва­но­пла­сти­ка, на­не­се­ние за­щит­но-де­ко­ра­тив­ных по­кры­тий – зо­ло­че­ние и др. спо­со­бы ме­тал­ли­за­ции).