IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЭЛЕКТРОЛИЗ, ПЕРВЫЕ ШАГИ
Перетятько В.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны.

Ток необходим для осуществления такого явления, как электролиза.

Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита.

Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, меди, водорода, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование). Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока.

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации). Применяется при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика).

  1. Что такое электролиз?

 

Рис. 1 Схема электролиза

Электролиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита.

 

Этот окислительно-восстановительный процесс протекает на электродах при прохождении постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов (см. рис. 1).

На отрицательно заряженном электроде - катоде происходит электрохимическое восстановление частиц (атомов, молекул, катионов), а на положительно заряженном электроде - аноде идет электрохимическое окисление частиц (атомов, молекул, анионов).

Электролиз получил широкое распространение в металлургии цветных металлов и в ряде химических производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают главным образом путем электролиза. Кроме того, электролиз используется для рафинирования (очистки) меди, никеля, свинца.

Электролиз является одним из лучших способов золочения или покрытия металла медью, золотом и т.д.

Я решил подробнее изучить данный вопрос.

Цель моих исследований: изучить явление электролиза.

  1. С чем будем работать?

Для проведения процесса электролиза необходим мощный источник тока. Компьютерный блок питания (см. рис. 2) обеспечивал до 25А по линии 12В (см. )

 

Рис. 2 Блок питания

Характеристики: 25А, 12В или 0,5А, 24В.

 

Из дополнительно оборудования для проведения экспериментов мне потребовался одножильный провод 2,5 мм2.

А также бельевые прищепки и зажимы типа «крокодил» для фиксации.

Электроды из подручных средств.

В ходе работы мне было необходимо помнить о технике безопасности.

Я следил за состоянием проводов (надежное соединение, изоляция, они не должны быть горячими).

Также необходимо обеспечить вентиляцию рабочего места.

  1. Начинаем эксперимент
  1.  
    1. Очистка гаечного ключа

Используемые приборы: блок питания, алюминиевая банка, гаечный ключ, провода, водопроводная вода, поваренная соль, зажимы и прищепки, тестер.

Цель: очистить гаечный ключ путем электролиза от ржавчины и налета.

Подготовка: в контейнер налили водопроводную воду комнатной температуры.

 

Рис. 3 Гаечный ключ до очистки

В воду (около 500 мл) добавили 100 грамм соли. Получили соляной раствор – электролит.

 

В воду поместили с одной стороны гаечный ключ (см. рис. 3), с другой разрезанную алюминиевую банку, прицепив ключ и банку к стенкам контейнера прищепками.

«Плюс» подключили к электроду из банки (анод), «минус» к ключу (катод).

К проводу, зачистив изоляцию с двух концов, присоединили зажимы «крокодильчик».

Подключили блок питания к подготовленному проводу.

Для измерения силы тока последовательно подключили тестер (переводя его в режим измерения силы тока (амперметр)) к блоку питания и банке.

Включили блок питания.

 

Рис. 4 Пена на электролите

Ход эксперимента: в ходе эксперимента сила тока постепенно увеличивалась.

 

На гаечном ключе (катод) начали появляться пузырьки газа.

Интенсивность с течением времени возрастала, процесс напомнил кипение воды.

На поверхности воды образовалась густая плотная пена (см. рис. 4), серого цвета. С гаечного ключа выделялось большое количество хлора. Эксперимент продолжался около 3 часов.

Сила тока возросла более 12 мА, дальнейшие измерение было невозможным из-за ограничения возможности тестера (мультиметра).

Провода блока питания начали греться.

Эксперимент был остановлен в целях безопасности. Ключ был очищен (см. рис. 5).

 

Рис. 5 Краска с растворившейся банки

Рис. 6 Очищенный ключ

 

Итог: гаечный ключ частично очистился

Алюминиевая банка полностью растворилась (см. рис. 6), осталась только краска, которая была нанесена на банку.

  1.  
    1. Покрытие сверла медным налетом

Используемые приборы: блок питания, сверло, провода, водопроводная вода, медны купорос, зажимы и прищепки.

Цель: покрыть сверло слоем металла.

Подготовка: кристаллы медного купороса растворили в водопроводной воде (см. рис. 7). В этот водный раствор поместили сверло, подключили блок питания.

Анодом выступил медный провод, катодом сверло.

Ход работы.

  1. После подключения питания процесс меднения занял около 15 минут. Сверло покрылось медным налетом, приобрело характерный оранжевый оттенок (см. рис. 8).

    Рис. 7 Раствор купороса

  2. Второй гвоздь поместили в раствор купороса, оставили его в растворе на сутки, без подключения электрического тока. За этот период гвоздь покрылся рыжим налетом, как и в случае меднения электролизом. На вторые сутки слой визуально не увеличился, но выросли красивые кристаллы купороса (см. рис. 9)

 

Рис. 9 Кристаллы на гвозде

Рис. 8 Гвоздь после меднения электролизом

 

Итог: сверло покрылось тонким рыжим налетом.

  1.  

      1. Техника безопасности
    1. Получение водорода и кислорода

Прежде, чем переходить к следующему опыту, я бы хотел остановиться мерах безопасности, которые необходимо соблюсти, при следующем эксперименте.

Водород – взрывоопасен. Большое количество водорода нельзя взрывать в закрытом помещении, в открытом тоже опасно. Т.к. эффект возгорания будет подобен взрыву.

Во время опыта присутствовали родители.

Поджог водорода осуществляли с помощью «автоматической зажигалки»: самодельное приспособление, состоящее из длинной палки, зажигалки и веревки. Активация зажигалки происходит с помощью натяжения нити, таким образом, ты максимально удален от источника огня.

  1.  
    1.  
      1. Попытка первая, с моющим средством

Используемые приборы: блок питания, алюминиевая банка, гаечный ключ, провода, водопроводная вода, зажимы и прищепки, тестер, моющее средство для посуды (см.рис 10).

Цель: получить водород.

Подготовка: в контейнер налили водопроводную воду комнатной температуры и добавили немного моющего средства.

 

Рис. 10 Подготовка оборудования

В раствор поместили с одной стороны гаечный ключ (как второй контакт), с другой разрезанную алюминиевую банку, прицепив ключ и банку к стенкам контейнера прищепками.

 

К многожильному проводу, зачистив изоляцию с двух концов, присоединили зажимы «крокодильчик».

 

Рис. 11 Пена и хлопья в растворе

Подключили блок питания к подготовленному проводу.

 

Для измерения силы тока подключили тестер к блоку питания и банке. Изначальная сила тока 0,5мА, максимальная 20мА.

Включили блок питания.

Ход работы: на поверхности воды образовалось большое количество пены. Вода стала мутной, рыжего цвета, с хлопьями на дне (см. рис. 11).

Я попытался поднести открытый огонь к поверхности воды, ожидая, что произойдет возгорание водорода в пузырьках пены. Ничего не произошло.

Итог: неудача. Эксперимент решил повторить, внеся некоторые изменения (не использовать моющее средство, использовать дистиллят).

  1.  
    1.  
      1. Вторая попытка получить водород (без мыла)

 

Рис. 12 Вторая попытка получения водорода

 

Используемые приборы: блок питания, алюминиевая банка, гаечный ключ, провода, дистиллированная вода, зажимы и прищепки, тестер.

Цель: получить водород.

Ход работы: повторили все действия, описанные в пункте 3.3.1. На поверхности воды пены почти не было, на дне осели рыжие хлопья. Вода приобрела рыжеватый оттенок, но осталась прозрачной (см.рис.12).

При поднесении открытого огня к поверхности воды возгорания водорода не произошло.

Итог: неудача. Возникла идея - необходимо собрать водород. Эксперимент решил повторить, внеся некоторые изменения.

  1.  
    1.  
      1. Третья попытка получить водород и кислород

Используемые приборы: блок питания, алюминиевая банка, гаечный ключ, провода, дистиллированная вода, зажимы и прищепки, тестер.

Цель: получить водород и кислород.

 

Рис. 13 Банки для сбора газов

Ход работы: в контейнер налили дистиллированную воду комнатной температуры.

 

В воду поместили оголенный медный провод, скрученный пружиной.

Для сбора газов электроды были накрыты баночками (см.рис.13).

В ходе протекания реакции жидкость из баночек постепенно вытеснялась, выделявшимся газом.

На одном из электродов, газа выделялось в два раза больше, чем на другом.

Попробовали вместе с родителями осторожно поджечь.

Большая баночка вспыхнула, в меньшей потухшая лучина ярко разгорелась.

Итог: цель достигнута!

Заключение

Процесс электролиза применяется очень широко в разных областях современной промышленности и технике.

Это электрометаллургия. Электролитическим путём в промышленности получают многие металлы: алюминий, медь, магний, хром, титан и др.

На заводах производят рафинирование (очистка) меди. Медь, применяемая в электро- и радиотехнике для изготовления проводников, должна быть чистой, поскольку примеси уменьшают электропроводность.

Гальваностегия. Для придания изделиям красивого внешнего вида, прочности или для предохранения от коррозии, их покрывают тонким слоем какого-либо металла: никеля, хрома и др.

Гальванопластика. Это электролитическое осаждение металла на поверхности какого-либо предмета для воспроизведения его формы.

Всем нам известна процедура электрофореза! Это лечебная процедура. Электроды накладывают на тело человека. Между телом и электродом помещают бумагу или ткань, пропитанную электропроводящим лекарственным препаратом. При включении тока начинается движение заряженных частиц из бумаги или ткани в кожу, а затем в тело человека. Так происходит процесс ввода лекарств, скорость которого можно регулировать, изменяя силу тока.

Электролиз применяют также и для синтеза различных неорганических и органических веществ; это изучается в отдельной науке – электрохимии.

В ходе моей работы я познакомился с электричеством, электролизом, попробовал реализовать свои собственные идеи для экспериментов. Что то у меня получилось, что то нет, но получил бесценный опыт. Мои исследования не закончены, работа будет продолжена.

Список использованных источников
  1. Большая книга экспериментов для школьников. -М.:ЗАО «РОСМЭН ПРЕСС», 2011.

  2. Применение электролиза [Электронный ресурс] http://electrik.info/main/school/1262-prakticheskoe-primenenie-elektroliza.html

  3. Физика электронно-ионная теория [Электронный ресурс] http://www.fizika.ru/fakultat/index.php?theme=8&id=8246

  4. Электролиз /Википедия [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/электролиз .