Меню

Электролиз раствора сульфата меди с нерастворимым анодом

Электролиз меди с нерастворимыми анодами

Для этого процесса пригодны растворы сульфата меди, получаемые разными способами, однако содержащие не менее 30 г/л меди обычно после выщелачивания богатых окисленных руд и концентратов в мешалках.

Электролиз проводят в бетонных ваннах, футерованных асфальтом, керамической плиткой, пластмассами, либо листовым свинцом. Длина их до 10 м, ширина и глубина 1,2 — 1,4 м. Катодных основ их чистой меди около 80, анодов из сплава свинца с 8—15% сурьмы и 1% серебра на один больше. Раствор подают в каждую ванну со скоростью около 1 м 3 /мин. От тепла, выделяемого током, он нагревается до 35° С:

Dк=2004÷230 А/м 2 , V =24÷2,4 В, Kт = 70ч÷90%, W=20004÷3000 кВт. ч/т.

Химизм электролиза был описан выше. Здесь надо отметить, что на выход по току значительно влияет примесь железа, которое восстанавливается на катоде и окисляется на аноде. Перед электролизом железо, если его мало, осаждают известью, окисляя воздухом, по реакции. Большие осадки трудно промыть и с ними теряется медь. Когда концентрация железа (III) слишком высока, его восстанавливают при нагревании цементной медью в мешалках:

либо в башнях с насадкой — скрубберах сернистым газом (газами от обжига):

Оставшееся в электролите железо (II) окисляется на аноде вместо воды при меньшем потенциале и это выгодно: однако одновременно возникающие ионы Fe+ 3 достигают катода и, восстанавливаясь здесь, снижают выход меди по току.

По мере истощения электролита на катоде вместе с медью осаждается СuО и выделяется водород, осадок становится черным, губчатым, он отрывается от катода и выпадает в шлам. Вследствие концентрационной поляризации ухудшается и чистота осадка. Чтобы избежать этого, электролиз заканчивают после снижения концентрации меди до 15—20 г/л, и отработанный электролит, в котором накопилась серная кислота, направляют в оборот на выщелачивание, частично подвергая цементации.

Статья на тему Электролиз меди с нерастворимыми анодами

Источник

Электролиз раствора сульфата меди с нерастворимым анодом

4. Электролиз водных растворов с нерастворимыми анодами

lascheggia Дата: Четверг, 15.11.2012, 12:07 | Сообщение # 1

Задание
Определить какие вещества и в каких количествах выделяются на электродах при электролизе водных растворов CuSO4 и CuCl2 с нерастворимыми (графитовыми) анодами при пропускании через электроды тока силой в 5 А в течение получаса.

Решение
Рассмотрим расположение металла в электрохимическом ряду напряжений:

Металлы с потенциалами отрицательнее марганца не выделяются на катоде из водных растворов своих солей, на катоде выделяется в таких случаях только водород по реакции 2H2O + 2e = H2 + 2OH — . Марганец и металлы с большими потенциалами выделяются из водных растворов на катоде по реакции Me z+ + z • e = Me (z – валентность металла).

Анионы кислородосодержащих кислот SO4 2- , NO3 — , PO4 3- , ClO4 — и гидроксид-анионы OH — обычно не окисляются на инертном аноде, на аноде в таких случаях происходит окисление воды с выделением кислорода по реакции 2H2O = O2 + 4H + + 4e. Галоген-анионы кроме фторид-анионов F — окисляются на инертных анодах по реакции 2Hal — = Hal2 + 2e.

Медь – выделяется из водных растворов. На инертном аноде в первом случае (сульфат-анион) – выделение кислорода, во втором (хлорид-анион) – выделение хлора.

Электролиз сульфата меди с инертными анодами:
на катоде Cu 2+ + 2e = Cu
на аноде 2H2O = O2 + 4H + + 4e

Электролиз хлорида меди с инертными анодами:
на катоде Cu 2+ + 2e = Cu
на аноде 2Сl — = Cl2 + 2e

Количества выделяющихся веществ в граммах или литрах определяют по закону Фарадея:
m = I • M • t • Вт / (z • F) или V = I • Vm • t • Вт / (z • F),
где I – ток, А
M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль
Vm – молярный объем газа, л/моль
t – время, с
Вт – выход по току (обычно принимают равным 1)
z – число электронов, принимающих участие в электродной реакции
F – число Фарадея, Кл/моль
Масса выделившейся на катоде меди (убыль массы медного анода):
m = 5 • 63,55 • (0,5 • 3600) • 1 / (2 • 96500) = 2,96 г.
Объем выделившегося на инертном аноде кислорода:
V = 5 • 22,4 • (0,5 • 3600) • 1 / (4 • 96500) = 0,52 л.
Объем выделившегося на инертном аноде хлора:
V = 5 • 22,4 • (0,5 • 3600) • 1 / (2 • 96500) = 1,04 л.

Источник

Электролиз

Электролиз

Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну .

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды .

Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы . Положительно заряженный электрод ( анод ) притягивает отрицательно заряженные частицы ( анионы ). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины , или графита .

Электролиз растворов

Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений :

Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал , тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H + .

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный ( до Al 3+ включительно в ряду напряжений ), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород , т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH — , среда возле катода — щелочная:

2H2O +2ē → H2 + 2OH —

Например , при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли – средней активности (между Al 3+ и Н + ) , то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл , и водород , так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Me n+ + nē → Me 0

2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —

Например , при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов) , то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Me n+ + nē → Me 0

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Если на катод попадают катионы водорода H + , то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H + + 2ē → H2 0

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H 2 O -2 ).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток , то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):

неМе n- – nē = неМе 0

Например : при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl — – 2ē = Cl2 0

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение . Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы :

2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион , то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.

Например , при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2 CH3 C +3 OO – –2ē → 2 C +4 O2+ CH3-CH3

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например , электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 + 4H +

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2 Cu 2+ SO4 + 2H2 O -2 → 2 Cu 0 + 2H2SO4 + O2 0

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия :

2 H + 2O +2Na Cl – → H2 0 + 2NaOH + Cl2 0

Следующий пример : электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0

Еще один пример : электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu 2+ Cl2 – → Cu 0 + Cl2 0

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0

Электролиз расплавов

При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2 Na + Cl → 2 Na 0 + Cl2 0

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4 OH – – 4ē → O2 0 + 2H2O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4 Na + OH → 4 Na 0 + O2 0 + 2H2O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например , алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100 о С), чем оксид алюминия (2050 о С). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al 3+ + 3ē → Al 0

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4Al O 3 3 – – 12ē → 2Al2O3 + 3 O2 0

Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2 Al 2 О 3 = 4 Al 0 + 3 О 2 0

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C 0 + О2 0 = C +4 O2 -2

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например , рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются частицы меди из электрода :

Анод (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+

Источник

Читайте также:  Как вернуть блеск меди после обжига
Adblock
detector