📌 Короткий зміст та головні тези:
- Електроліз використовують для добування металів (алюміній), рафінування міді, гальваностегії та гальванопластики.
- Гальваностегія — нанесення тонких шарів металу для захисту й декору, а гальванопластика — створення точних рельєфних копій.
Контрольні запитання
1. Наведіть приклади застосування електролізу.
Електроліз застосовують для:
- добування металів (алюмінію, натрію, магнію);
- електролітичного очищення металів від домішок (рафінування міді, срібла);
- нанесення захисних і декоративних покриттів (гальваностегія);
- виготовлення рельєфних металевих копій (гальванопластика);
- добування водню, кисню та хлору.
2. Опишіть процес отримання алюмінію.
Алюміній одержують електролізом алюміній оксиду ($ ext{Al}_2 ext{O}_3$), розчиненого у розплавленому кріоліті за температури $950\text{ }^\circ\text{C}$. Ванна з графітовою футеровкою слугує катодом, а вугільні блоки, опущені в розплав, — анодом. Під дією струму рідкий алюміній збирається на дні (катоді), а на аноді виділяється кисень, який окиснює вугільні електроди.
3. Як можна очистити метали від домішок?
Очищення здійснюють методом рафінування. Анод із неочищеного металу опускають у розчин його солі поряд із катодом із чистого металу. Під дією струму метал анода розчиняється й осідає на катоді у вигляді речовини високої чистоти, тоді як домішки відокремлюються.
4. Для чого поверхню металів покривають тонким шаром іншого металу?
Покриття наносять для захисту металевих виробів від корозії, підвищення їхньої міцності та зносостійкості, а також для надання естетичного декоративного вигляду.
5. Що таке гальваностегія? гальванопластика?
- Гальваностегія — нанесення тонких міцно зчеплених шарів металу на поверхню виробів для захисту або декору.
- Гальванопластика — нарощування товстого шару металу на рельєфні форми з метою створення їхніх точних копій.
Вправа № 3
1. Установіть відповідність між зображеним експериментом (1–3) і назвою відповідного виробничого процесу (А–Г).
| Експеримент | Назва виробничого процесу |
|---|---|
| 1 | Г Рафінування |
| 2 | В Отримання водню |
| 3 | А Гальваностегія |
2. За схемою електричного кола сріблення дайте відповіді на запитання:
1) Назвіть основні складники кола.
Джерело постійного струму, амперметр, ключ, з’єднувальні проводи, електролітична ванна з розчином аргентум(I) нітрату ($ ext{AgNO}_3$) та два електроди.
2) Який електрод слугує катодом, а який — анодом?
Електрод, з’єднаний із негативним полюсом джерела, є катодом (лівий електрод), а з’єднаний із позитивним полюсом — анодом (правий електрод).
3) На якому електроді виділяється срібло?
Срібло осідає на катоді (негативно зарядженому електроді).
4) Якою є сила струму в колі?
За показом амперметра сила струму становить $I = 1{,}4\text{ А}$.
5) За який час на електроді утвориться шар срібла масою $784\text{ мг}$?
Дано:
$m = 784\text{ мг} = 784 \cdot 10^{-6}\text{ кг}$
$I = 1{,}4\text{ А}$
$k = 1{,}118\text{ мг/Кл} = 1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
Знайти:
$t – ?$
Розв’язання:
За першим законом Фарадея:
$$m = k \cdot I \cdot t$$
$$t = \dfrac{m}{k \cdot I}$$
$$t = \dfrac{784 \cdot 10^{-6}\text{ кг}}{1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл} \cdot 1{,}4\text{ А}} \approx 500{,}9\text{ с} \approx 500\text{ с}$$
Відповідь: $t \approx 500\text{ с}$ (або $8\text{ хв } 20\text{ с}$).
6) Яку енергію буде витрачено під час сріблення, якщо напруга на електродах становить $11\text{ В}$?
Дано:
$U = 11\text{ В}$
$m = 784 \cdot 10^{-6}\text{ кг}$
$k = 1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
Знайти:
$W – ?$
Розв’язання:
Робота (витрачена енергія) електричного струму:
$$W = U \cdot q$$
Оскільки $m = k \cdot q \implies q = \dfrac{m}{k}$:
$$W = U \cdot \dfrac{m}{k}$$
$$W = 11\text{ В} \cdot \dfrac{784 \cdot 10^{-6}\text{ кг}}{1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}} \approx 11 \cdot 701{,}25 \approx 7714\text{ Дж}$$
Відповідь: $W \approx 7{,}71\text{ кДж}$.
3. До складу електричного кола входить посудина з водним розчином цинк(II) сульфату. Обчисліть товщину шару цинку, що утвориться на катоді в результаті електролізу.
Дано:
$I = 0{,}48\text{ А}$
$t = 15\text{ хв} = 900\text{ с}$
$S = 0{,}01\text{ м}^2$
$k = 0{,}34\text{ мг/Кл} = 0{,}34 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
$\rho = 7130\text{ кг/м}^3$
Знайти:
$d – ?$
Розв’язання:
Маса цинку за законом Фарадея:
$$m = k \cdot I \cdot t$$
Маса цинку через густину та об’єм шару:
$$m = \rho \cdot V = \rho \cdot S \cdot d$$
Прирівняємо обидва вирази:
$$\rho \cdot S \cdot d = k \cdot I \cdot t$$
$$d = \dfrac{k \cdot I \cdot t}{\rho \cdot S}$$
$$d = \dfrac{0{,}34 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл} \cdot 0{,}48\text{ А} \cdot 900\text{ с}}{7130\text{ кг/м}^3 \cdot 0{,}01\text{ м}^2} = \dfrac{1{,}4688 \cdot 10^{-4}}{71{,}3} \approx 2{,}06 \cdot 10^{-6}\text{ м} = 2{,}06\text{ мкм}$$
Відповідь: $d \approx 2{,}1\text{ мкм}$ (або $2\text{ мкм}$).
4. Для сріблення ложок через розчин аргентум(I) нітрату пропускали струм силою $1{,}8\text{ А}$. Катодом слугували 12 ложок, кожна з яких мала площу поверхні $50\text{ см}^2$. Скільки часу тривав електроліз, якщо на ложках утворився шар срібла завтовшки $58\text{ мкм}$?
Дано:
$I = 1{,}8\text{ А}$
$n = 12$
$S_1 = 50\text{ см}^2 = 50 \cdot 10^{-4}\text{ м}^2 = 5 \cdot 10^{-3}\text{ м}^2$
$d = 58\text{ мкм} = 58 \cdot 10^{-6}\text{ м}$
$k = 1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
$\rho = 10500\text{ кг/м}^3$
Знайти:
$t – ?$
Розв’язання:
Загальна площа поверхні 12 ложок:
$$S = n \cdot S_1 = 12 \cdot 50 \cdot 10^{-4}\text{ м}^2 = 0{,}06\text{ м}^2$$
Маса осадженого срібла:
$$m = \rho \cdot S \cdot d$$
З першого закону Фарадея:
$$m = k \cdot I \cdot t \implies t = \dfrac{\rho \cdot S \cdot d}{k \cdot I}$$
$$t = \dfrac{10500\text{ кг/м}^3 \cdot 0{,}06\text{ м}^2 \cdot 58 \cdot 10^{-6}\text{ м}}{1{,}118 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл} \cdot 1{,}8\text{ А}} = \dfrac{0{,}03654}{2{,}0124 \cdot 10^{-6}} \approx 18157\text{ с}$$
Переведемо час у години:
$$t \approx \dfrac{18157}{3600}\text{ год} \approx 5{,}04\text{ год} \approx 5\text{ год}$$
Відповідь: $t \approx 5\text{ год}$.
5. Під час рафінування міді анодом слугує пластина неочищеної міді ($ ext{Cu}^{2+}$) масою $2\text{ кг}$, яка має $12,%$ домішок. Яку корисну роботу має виконати струм для очищення цієї міді, якщо процес відбувається за напруги $6\text{ В}$?
Дано:
$m_{\text{заг}} = 2\text{ кг}$
$\omega = 12,% = 0{,}12$
$U = 6\text{ В}$
$k = 0{,}33\text{ мг/Кл} = 0{,}33 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}$
Знайти:
$A – ?$
Розв’язання:
Маса чистої міді, яку потрібно перенести на катод:
$$m = m_{\text{заг}} \cdot (1 – \omega) = 2\text{ кг} \cdot (1 – 0{,}12) = 1{,}76\text{ кг}$$
Робота струму дорівнює:
$$A = U \cdot q$$
За законом Фарадея $q = \dfrac{m}{k}$, отже:
$$A = U \cdot \dfrac{m}{k}$$
$$A = 6\text{ В} \cdot \dfrac{1{,}76\text{ кг}}{0{,}33 \cdot 10^{-6}\text{ кг/Кл}} = 6 \cdot 5{,}333 \cdot 10^6\text{ Дж} = 32 \cdot 10^6\text{ Дж} = 32\text{ МДж}$$
Відповідь: $A = 32\text{ МДж}$.
6. Застосування електролізу для очищення води.
Електрохімічне очищення води базується на двох основних методах: електрокоагуляції та електродезінфекції.
- Електрокоагуляція: розчинні аноди (залізні або алюмінієві) під дією струму насичують воду йонами металів, які утворюють нерозчинні гідроксиди. Ці пластівці сорбують колоїдні домішки, важкі метали та нафтопродукти, після чого випадають в осад або спливають у вигляді піни.
- Електродезінфекція: під час електролізу розчинених у воді солей на електродах утворюються активні бактерицидні сполуки (гіпохлорит-іони, атомарний кисень, озон), що ефективно знищують віруси та патогенні бактерії без потреби зберігання токсичного газоподібного хлору.