XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Электролиз – физико-химический процесс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Открытия в области электрохимии представляют собой
одну из самых больших революций в химии
и открывают эру новых открытий.
Джон Фредерик Даниэль, англ. электрохимик
Введение
Жизнь человека немыслима без физических и химических явлений. Электролиз является физико-химическим процессом, состоящим в выделении на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита. Электролиз широко применяется в современной промышленности для получения металлов, водорода, щелочей, защитных и декоративных покрытий. Актуальность темы заключается в необходимости изучения условий протекания электролиза - теоретической основы для его проведения и применения.
Меня заинтересовал вопрос: «А можно ли осуществить нанесение металлического покрытия одного металла на другой в условиях школьной лаборатории, используя электролиз?» Осенью 2021 года в Челябинске состоялась VI Международная научно-практическая конференция «Инновационные процессы в химическом образовании в контексте современной образовательной политики», где ООО «НПО «УНИТЕХ» представлял учебно-лабораторный комплекс «Химия в школе». Было решено провести электролиз с использованием современного оборудования. Цель работы: изучить и провести электролиз растворов сульфата меди и сульфата никеля.
Для достижения цели были поставлены задачи:
Изучить и проанализировать литературу по проблеме исследования.
Ознакомиться с закономерностями процесса электролиза.
Изучить методику электролитического покрытия объектов.
Путем проведения электролиза растворов сульфата меди и сульфата никеля создать медное и никелевое покрытие металлических предметов. Методы исследования: изучение литературы, химический и физико-химический эксперимент, обработка результатов, наблюдение.
Объект исследования: растворы сульфата меди и сульфата никеля.
Предмет исследования: электролиз растворов сульфата меди и сульфата никеля.
Практическая значимость заключается в использовании основных законов естественнонаучных дисциплин в практической деятельности, применения методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования. Результаты нашей работы могут быть использованы на уроках химии и физики.
Гипотеза исследования: в лабораторных условиях с использованием учебно-лабораторного комплекса «Химия в школе» можно получить стойкое медное и никелевое покрытие изделий из металлов.
Ожидаемый результат (продукт): получение устойчивого покрытия одного металла другим.
Мы изучили литературу (учебники Глинка Н.Л. Общая химия, Смолова Л. М. Руководство к практическим занятиям по общей химии, методические указания по электролизу и правилам работы с источником тока Кагирова А.Г. и другие) по темам «Электролиз. Законы электролиза».
Глава 1. Электролиз – как окислительно-восстановительный процесс
Сущность электролиза
Электролиз – это окислительно — восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита. Электролиз – дословно: «лизис» – разложение, «электро» – электрическим током.[7] Сущность электролиза состоит в том, что за счёт электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая не может протекать самопроизвольно. [1,5]
Электролизер состоит из двух электродов, погруженных в расплав или водный раствор электролита (приложение 1). При пропускании электрического тока, вещество раствора будет претерпевать химические изменения, т.е. будут образовываться новые химические вещества.
Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создаётся электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом — положительный. Положительные ионы – катионы (ионы металлов, водорода, ионы аммония и др.) – движутся к катоду, отрицательные ионы – анионы (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) – движутся к аноду.
Реакции, происходящие при электролизе на электродах, называются вторичными. Первичными являются реакции диссоциации в электролите. Разделение реакций на первичные и вторичные помогло Майклу Фарадею установить законы электролиза.
С точки зрения химии, электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита.
Особенности процессов, происходящих на катоде, заключаются в том, что здесь восстанавливаются обычно сильные окислители. Таким образом, с помощью двух пластинок с разницей потенциалов, помещённых в электролит, можно получать новые вещества, менять состояние электродов и раствора.
1.2. Правила электролиза водных растворов
Электролиз на катоде зависит только от положения металла в электрохимическом ряду напряжений.
Если катион электролита стоит левее алюминия (включительно), на катоде восстанавливается вода с выделением водорода, а катионы металла остаются в растворе: 2H2O+2e–= H2↑+2OH– (Li…Al)
Если катион электролита стоит между алюминием и водородом, на катоде восстанавливаются и вода, и катионы металла:
Men++ne–= Me; 2H2O+2e– = H2↑+2OH– (Mn…Pb)
Если катион электролита стоит правее водорода, на катоде восстанавливается только катионы металла: Men++ne–= Me (Cu…Au)
Если в растворе электролита находится несколько металлов, первыми восстанавливаются катионы металла, который в ряду напряжений стоит правее остальных.
Электролиз на аноде зависит только от материала, из которого изготовлен анод.
В случае растворимого анода (металлы, которые окисляются в процессе электролиза – железо, медь, цинк, серебро) – всегда идет процесс окисления металла анода: Me - ne– = Men+
В случае нерастворимого анода (золото, платина, графит):
- идет процесс окисления аниона при электролизе растворов солей бескислородных кислот, за исключением фторидов: Acm-me–= Ac
- идет процесс окисления воды в остальных случаях (электролиз оксикислот и фторидов) – анион остается в растворе: 2H2O-4e–= 4H++O2↑
- при электролизе растворов щелочей окисляются гидроксид-ионы:
4OH–-4e–= 2H2O+O2↑
Восстановительная активность анионов уменьшается в ряду (соответственно увеличивается способность окисляться):
I–; Br–; S2-; Cl–; OH–; SO42-; NO3–; F–
1.3. Применение электролиза
Электролиз широко используется в различных сферах промышленности (приложение 2).
Выделение и очистка металлов. Этот процесс используется для того, чтобы обработать горные породы и получить чистые вещества. Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование).
Так образуются алюминий, двуокись марганца, водород, перекись водорода. Таким образом получают магний, натрий, кадмий. Используют электролиз для получения щелочей, хлора, водорода, для очистки меди, никеля, свинца.
Электролиз находит применение при очистке сточных вод [2,6]. В результате помещения в такие растворы электролитов происходит не только обеззараживание воды, но и образование взвесей, которые выпадают в осадок.
Электролиз используют при нанесении металлических покрытий (гальваностегия), воспроизведении формы предметов (гальванопластика) [2,6]. Под воздействием тока ионы металла осаждаются на предмете, формируя тонкую декоративную или защитную плёнку.
Процессы напыления защитных покрытий с целью защиты металлов от коррозии. Например, погрузив в воду два электрода и подключив их к источнику постоянного тока, мы обнаружим, что вокруг электродов выделяются пузырьки – это газы: водород и кислород. При их образовании уменьшается масса воды, то есть она разлагается на входящие в её состав элементы.
Если электроды погружать не в воду, а в растворы или расплавы солей, кислот и щелочей, то можно наблюдать выделение других газов и даже твёрдых веществ, оседающих на поверхности электродов. По этой причине электролиз широко применяют в технике.
Глава 2. Практическая часть
2.1. Методика исследования
Для проведения практической части работы использовали методические указания по электролизу и правилам работы с источником тока, автором которых является Кагиров Артур Геннадьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель Томского политехнического университета.
Никелирование –самый популярныйгальванотехническийпроцесс.Привлекательныйвид,высокаякоррозионнаястойкостьимеханическиесвойстваговорятвпользуболееширокогопримененияникелясдекоративно ‐защитнымиифункциональнымицелями.
Никель,нанесенныйнепосредственнонасталь,носитхарактеркатодногопокрытияи,следовательно,защищаеттолькомеханическимпутем.Несплошноепокрытиеспособствует образованию коррозионных пар, в которых стальявляетсярастворимымэлектродом.Врезультатеэтоговозникаеткоррозияподпокрытием,котораяразрушаетстальнуюподложкуиприводиткотслаиваниюникелевогопокрытия.Сцельюпредупрежденияэтогоявлениястальнеобходимо покрывать плотным без пористости толстым слоемникеля.
Никелевыепокрытияявляютсяосновоймногослойныхдекоративно‐защитных систем Ni—Cr и Cu—Ni—Cr. Применениеванн с блескообразователями значительно упрощает технологиюнанесения многослойных покрытий. Из‐за высоких механических свойств никельприменяютдлявосстановленияизношенныхдеталеймашин,гальванопластическогоизготовленияинжекционныхформ,иконструкционныхэлементов,которыетрудноилидаженевозможноизготовитьобычнымимеханическимиметодами.Вхимическойпромышленноститолстымслоемникеляпокрываютдетали,подверженныевоздействиюкрепкихщелочей.
Медирование(илимеднение)—представляетсобойпроцессгальваническогонанесениятончайшегослоямединаповерхность изделий. Слой меди может варьировать по толщинеот 1 мкм до 300 мкм и более, при этом обладая высокой степеньюадгезии(сцеплениясповерхностью),электропроводностьюихорошейпластичностью.Приокисленииватмосферныхусловиях медное покрытие приобретает способность к иризации(светопреломлению с радужным эффектом), не теряя защитныхсвойств. [3]
В зависимости от того, играет ли слой меди роль подложки(подслоя)длядругихпокрытий,либовыступаетвкачествесамостоятельного покрытия, сфера применения меднения можетбытьразной.Например,вкачестведекоративногопокрытиямедированиеможетимитироватьстариннуюбронзу,прииспользованииспециальныхметодовискусственного «старения»,либо,напротив,придаватьизделиямболееяркийвидзасчетрозовогоцвета.
Существуетметодиспользованиямедированиядляполучения копий изделий, называемый гальванопластикой. Приэтом методе изделие (восковый слепок, в частности) покрываютспециальнымлаком,азатемподвергаютмеднению.Витогеполучаетсямеднаякопия.Такойприемприменяетсяприизготовленииматриц,волноводов,барельефов.Вэлектротехнике медирование дает возможность получить болеедешевыепосравнениюсплатиновымиизолотымиконтакты, электроды, шины либокакпокрытиеподпайку.
Нередкомедированиеотдельныхучастковстальныхдеталей служит в качестве защиты от науглероживания, то естьцементации.Этотспособдаетвозможностьобрабатыватьповерхностимеханическимпутем,вчастности,резанием.Медьне позволяет проникнуть в обрабатываемые области углероду,который повышает твердость обрабатываемого участка. Нашлосвоеприменениемеднениеипривосстановлениихромированныхдеталейавтомобильнойтехники. [4]
Впроцессегальваническогопокрытиядеталимеднымслоемиспользуютразныевидыэлектролитов:кислые,цианистые,нецианистыеищелочные.
Для проведения электролиза использовали следующее оборудование и реактивы (приложение 3):
Учебно‐лабораторныймодуль«Химиявшколе»
Сетевойкабель
Металлическиеэлектроды(Cu,нерж)
Монетыбелого(1рубль)ижелтогоцвета(50копеек)
Соединительныйпровод«2крокодила»
Комплектштативовслапками
Мелкозернистаяшкуркадлязачисткиэлектродов
Держательэлектродов
Магнитнаямешалка
Извлекательмагнитноймешалки
Химическийстаканна50мл
Азотнаякислота(10%масс)
Электролитмеднения
Электролитникелирования
Промывалкасдистиллированнойводой.
2.2. Проведение эксперимента
Дляпроведенияэкспериментовзаранееподготовили несколько образцов монет номиналом 1 рубль и 50копеек. Выбрали наиболее чистые и новые монеты, таккаквэтомслучаекачествопокрытиябудетвыше,чемприиспользованиистарыхокисленныхмонет.Переднанесениемпокрытия монеты очистили от жира бытовым моющимсредством, после чего на несколько минут опустили в растворазотнойкислоты,дляудаленияоксиднойплёнки(поканепоявилсяметаллическийблесккакусовершенноновыхмонет).
Длябольшейнаглядностинанеслимедноепокрытие на монету номиналом 1 рубль, а никелевое покрытиенамонетуноминалом50копеек.Покрылитолькополовинууказанныхмонет.
Посколькуоптимальнаяплотностьтокадляпроцессовмедненияиникелированияприблизительноравна25 мА/см2, вычислим силу тока для нанесения покрытий в нашем случае.Поверхностьобеихмонетприблизительноодинаковаисоставляетвеличинуоколо6 см2.Сучетомтого,чтотолькополовина монеты будет погружена в электролит, оптимальнаясилатокасоставит:
I = (25 мА/см2 х6 см2): 2 =75мА.
Электролит меднения приготовили следующим образом: в сухойчистыйстаканна400млнасыпали100гмедногокупороса,затем дистиллированной водой довели объём раствора до 300мл. Далее в раствор (крайне осторожно!)прилили 15 мл сернойкислоты, после чего общий объем раствора довели до 400 млдистиллированной водой. Таким образом, получили электролитмеднениявколичестве400 мл. (приложение 4).
Составэлектролитамеднения и никелирования,врасчетенаодинкилограммраствора,представленыввидетаблице(приложение 5).
Электролит никелирования готовили следующим образом: всухойчистыйстаканна400млнасыпали120гсернокислогоникеля, затем дистиллированной водой довели объём растворадо 300 мл. Далее в раствор добавили 50 г борной кислоты, 7 гфтористого натрия и 5 г хлорида натрия, после чего общий объем растворадовелидо400млдистиллированнойводой.Такимобразом, получили электролит никелирования в количестве 400мл. (приложение 4).
Для проведения меднения стаканчик на 50 мл и магнитнуюмешалкуополоснулидистиллированнойводой.Встаканчикприлили примерно 40 мл электролита меднения. В стаканчикпоместили магнитную мешалку и установили его на рабочейповерхностиучебно‐лабораторногомодуля.Вкачествеанодаиспользовалимедныйэлектрод,который зафиксировали за край стакананаспециальномдержателе.Катод(черный «крокодильчик»)соединительногопроводаподключиликмонете,аанод(красный«крокодильчик»)подключилик медному электроду. Погрузили половину монеты в электролит,подвешиваяеёзапроводналапкештатива.
Выбрали тип экспериментаОдиночноеизмерение.Навкладке Устройства выбрали Источник тока и Мешалку.НавкладкеПроверканажаликнопкуНАЧАТЬЭКСПЕРИМЕНТ. Включили магнитную мешалку на скорость 1 иустановили силу тока 75 мА. [5]
Проводили электролиз в течение3минут,поканеобразовалоськачественноеметаллическоепокрытиенаполовинемонеты,опущеннойвраствор.Посленанесенияпокрытиямонетуополоснулипроточнойводойизкранаипротерли фильтровальнойбумагой (приложение 6).
Далееэкспериментпровелисиспользованиеммонеты50копеекиэлектролитомникелирования.Вкачествеанодавпроцессе никелирования использовали электродиз нержавеющей стали. В приложении 2 представлены фотографии монет снанесённымипокрытиямиизмедииникеля,полученныхсиспользованиемучебно‐лабораторногокомплекса«Химиявшколе».
На монету, покрытую медью, нанесли никелевое покрытие (приложение 6).
Аналогичным образом провели эксперимент покрытия медью металлических пластинок: железной и латунной, эксперимент покрытия никелем латунной и медной пластинок (приложение 7).
Увидев в интернете покрытие медью и никелем листьев растений, попробовали провести такой эксперимент. Через лист пропустили медную проволочку, лист покрыли графитом (измельчили грифель простого карандаша) и закрепили лист в растворе электролита. К сожалению, хорошего результата достичь не удалось (приложение 8).
2.3. Использование закона Фарадея
Количественные закономерности электролиза описываются законом Фарадея: масса вещества, разложившегося или образовавшегося при электролизе, пропорциональна количеству пропущенного электричества и молярной массе эквивалентов этого вещества.
m=MэкIt/F,
где m – масса разложившегося или образовавшегося вещества, кг;
Mэк – молярная масса эквивалентов вещества, кг/моль,
I – сила тока, А;
t – продолжительность электролиза, с;
F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль.
В действительности масса выделившегося вещества всегда меньше указанной, что объясняется рядом побочных процессов, например, выделением водорода на катоде, утечками тока и короткими замыканиями между электродами.
Отношение массы фактически выделившегося вещества к массе, которая должна была бы выделиться по закону Фарадея, носит название выхода вещества по току.
Выход по току существенно зависит от плотности тока на электроде. С увеличением плотности тока на электроде выход по току растет и повышается эффективность процесса.
Имеющиеся в наличии весы не позволили измерить прирост массы монеты. Но ее можно рассчитать по закону Фарадея.
m=MэкIt/F
m (Cu) = (64 г/моль * 0,075 А * 180 с) : 96500 Кл/моль = 0,00895 г = 0,009 г.
m (Ni) = (59 г/моль * 0,075 А * 180 с) : 96500 Кл/моль = 0,00825 г = 0,008 г
Заключение
В ходе выполнения данной работы были изучены по различным учебникам вопросы теории электролиза, а также методики проведения практических опытов по теме «Электролиз».
Во время выполнения работы были получены или улучшены следующие практические и исследовательские навыки: умение формулировать цели и задачи, отбирать методики и работать в соответствии с ними, подбирать соответствующие реактивы, собирать приборы, проводить электролиз растворов солей, наблюдать и фиксировать происходящие изменения, оформлять результаты.
Поставленная цель была достигнута, а задачи выполнены. Результаты работы считаем успешными.
На основании проведенного исследования можно сделать выводы:
Изучив устройство, подключение и принцип работы лабораторного модуля «Химия в школе», в условиях школьной лаборатории провели с использованием модуля электролиз растворов медного купороса и сульфата никеля.
Проведенные опыты показали, что при электролизе растворов медного купороса и сульфата никеля можно получить стойкие покрытия монет, металлических пластинок различными металлами: медью и никелем.
Список используемой литературы
Глинка Н.Л. Общая химия. − Москва. Химия, 2003. − 728 с.
Коровин Н.В. Общая химия. − Москва. Высшая школа, 1998.−557 с.
Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия. – Томск. Издательство Томского политехнического университета, 2005. − 206 с.
Строение вещества. Методическое пособие. – Томск: Универсальные образовательные технологии, 2010. − 34 с.
Кагиров А.Г., Электролиз. Правила работы с источником тока. Методические указания в 9 частях. Часть 7/ А.Г.Кагиров- Томск, 2018.-24 с.
http://himege.ru/elektroliz-rasplavov-i-rastvorov/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролиз
https://distant-lessons.ru/ximiya/elektroliz
Приложение 1.
Электролизная ванна
Приложение 2.
Применение электролиза в металлургии
Приложение 3.
Оборудование и реактивы
Приложение 4.
Приготовление раствора электролита
для медирования
Приготовление раствора электролита
для никелирования
Приложение 5.
Состав электролитов
Электролит меднения
Медныйкупорос 250г
Серная кислота 50г
Дистиллированнаявода 700г
Электролит никелирования
Никель сернокислый 300г
Борная кислота 50 г
Натрийфтористый 7г
Натрияхлорид 5г
Формалин 1 г
Дистиллированнаявода 637г
Приложение 6.
Меднение и никелирование монет
Приложение 7.
Покрытие медью железной и латунной пластинок
Покрытие никелем медной и латунной пластинок
Приложение 8.
Покрытие медью зеленого листа
Найденный в интернете образец меднения листа