Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 38. Застосування електролізу
Існує легенда, що наприкінці XVIII ст. король Англії надіслав у подарунок російській імператриці Єкатерині II... алюмінієвий кухоль. Зараз це складно навіть уявити, але вона була вражена таким коштовним подарунком! Річ у тім, що в ті часи алюміній був дуже рідкісним і коштував у кілька разів дорожче від золота. Згодом завдяки застосуванню електролізу алюміній став загальнодоступним і досить недорогим. Про те, як за допомогою електролізу одержують метали і де ще застосовують електроліз, ітиметься в цьому параграфі.
1. Застосовуємо електроліз для одержування металів
Електроліз широко застосовують у промисловості. За допомогою електролізу із солей і оксидів одержують багато металів: мідь, нікель, алюміній та ін. Наприклад, щоб одержати алюміній, як електроліт використовують оксид алюмінію (Аl2О3), розчинений у розплавленому кріоліті (Na3AlF6) за температури 950 °С. Розчин поміщають у спеціальні електролітичні ванни; катодом зазвичай слугують дно та стінки ванни, викладені графітом, а анодом — занурені в електроліт вугільні блоки. Під час пропускання струму через електроліт на катоді виділяється алюміній (рис. 38.1).
Рис. 38.1. Виробництво алюмінію (схема промислового пристрою). Дно та стінки ванни слугують катодом; алюміній збирається на дні ванни. Вугільний блок слугує анодом, на ньому виділяється кисень
2. Одержуємо чисті метали
Метали, отримані шляхом електролізу (або іншим способом), зазвичай містять деяку кількість домішок, адже сировина не може бути «ідеальною». Так, у розплаві завжди наявні солі й оксиди інших металів, які так само можуть виділятися на катоді. Для очищення металів від домішок можна знову використати електроліз.
Спосіб очищення металів за допомогою електролізу називають рафінуванням.
У такий спосіб очищують мідь, алюміній, свинець, срібло та деякі інші метали. Як приклад розглянемо очищення міді.
У ванну з розчином сульфату міді (CuSO4) занурюють два електроди. Анодом слугує товста пластинка неочищеної міді, а катодом — тонка пластинка чистої міді (рис. 38.2). У розчині сульфат міді розпадається на йони міді (Cu2+) та йони сульфату (SO2-4). Йони міді прямують до катода й осідають на ньому. Йони сульфату рухаються до анода та «забирають» у нього йони міді. Відтворений таким чином сульфат міді опиняється в розчині й там розпадається. Урешті-решт чиста мідь переноситься з анода на катод. Анод при цьому розчиняється, а домішки осідають на дні або залишаються в розчині.
3. Знайомимося з гальваностегією
За допомогою електролізу можна наносити тонкий шар металу на поверхню виробу — робити сріблення, золочення, нікелювання, хромування тощо. Такий шар може захищати від корозії, збільшувати міцність виробу або просто ставати його прикрасою.
Електролітичний спосіб покриття виробу тонким шаром металів називають гальваностегією.
Виріб, який бажають покрити шаром певного металу, занурюють у ванну з розчином електроліту, до складу якого входить цей метал. Виріб слугує катодом, а пластинка металу, яким покривають виріб, — анодом. Під час пропускання струму метал осідає на виробі (катоді), а анодна пластинка поступово розчиняється (рис. 38.3).
4. Вивчаємо гальванопластику
Гальванопластика — це отримання за допомогою електролізу точних копій рельєфних виробів.
Спочатку з воску або іншого пластичного матеріалу роблять зліпок рельєфного виробу. Щоб поверхня зліпка проводила струм, її покривають тонким шаром графіту. Потім зліпок поміщують у ванну з розчином електроліту; зліпок слугуватиме катодом. Анодом буде пластинка металу. Під час електролізу на зліпку нарощується досить товстий шар металу, що заповнює всі нерівності зліпка. Після припинення електролізу восковий зліпок відділяють від шару металу і в результаті отримують точну копію виробу (рис. 38.4).
Зрозуміло, що застосування електролізу в сучасній техніці не обмежене розглянутими прикладами. За допомогою електролізу можна здійснити полірування поверхні анода; електроліз лежить в основі зарядження та розрядження кислотних і лужних акумуляторів тощо.
Рис. 38.2. Рафінування міді: тонка пластинка чистої міді є катодом, товста пластинка неочищеної міді — анодом; ванна наповнена водним розчином сульфату міді
Рис. 38.3. Гальванічне сріблення. Предмет, який покривають сріблом (кухоль), є катодом, срібна пластинка — анодом; ванна наповнена розчином нітрату срібла
Рис. 38.4. Отримання рельєфних копій за допомогою електролізу: а — схема пристрою: восковий зліпок, покритий тонким шаром графіту, є катодом (1), срібна пластинка — анодом (2); ванна наповнена розчином нітрату срібла; б — одержана копія
5. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Під час нікелювання на кожний 1 дм2 поверхні виробу, який нікелюють, подають силу струму 0,4 А. За який час на виріб буде нанесено шар нікелю завтовшки 0,02 мм?
Аналіз фізичної проблеми. Час перебігу електролізу визначимо, скориставшись першим законом Фарадея; масу речовини, що виділилася на катоді, подамо через густину та об’єм шару нікелю. Електрохімічний еквівалент і густину нікелю знайдемо відповідно в табл. 8 і 9 Додатка. Розв’язуючи задачу, густину зручно подати в грамах на кубічний сантиметр, а отже, товщину шару — в сантиметрах, площу поверхні — у квадратних сантиметрах, а електрохімічний еквівалент — у грамах на кулон.
Підбиваємо підсумки
Електроліз широко застосовують у промисловості. За допомогою електролізу одержують багато металів із солей і оксидів (мідь, нікель, алюміній та ін.), а також очищують їх. Спосіб очищення металів за допомогою електролізу називають рафінуванням.
За допомогою електролізу можна нанести тонкий шар металу на поверхню виробу (здійснити сріблення, золочення, нікелювання, хромування тощо), виготовити точні копії рельєфних виробів. Електролітичний спосіб покриття виробу тонким шаром металу називають гальваностегією, а отримання за допомогою електролізу точних копій рельєфних виробів — гальванопластикою.
Контрольні запитання
1. Наведіть приклади застосування електролізу. 2. Опишіть процес отримання алюмінію за допомогою електролізу. 3. Як можна очистити метали від домішок? 4. Для чого поверхню металів покривають тонким шаром іншого металу? 5. Що таке гальваностегія? гальванопластика?
Вправа № 38
1. На рис. 1 наведено схематичне зображення електричного кола.
Рис. 1
- 1) Назвіть основні складові кола.
- 2) Який електрод слугує катодом, а який — анодом?
- 3) На якому електроді виділяється срібло?
- 4) Якою є сила струму в колі?
- 5) За який час на електроді утвориться шар срібла масою 784 мг?
- 6) Яку енергію буде витрачено під час сріблення, якщо напруга на електродах становить 11 В?
2. На рис. 2 наведено схематичне зображення електричного кола, до складу якого входить посудина з водним розчином сульфату цинку. За даними рисунка обчисліть товщину шару цинку, що утвориться на катоді в результаті електролізу.
Рис. 2
3. Для сріблення ложок через розчин нітрату срібла пропускали струм силою 1,8 А. Катодом слугували 12 ложок, кожна з яких мала площу поверхні 50 см2. Скільки часу тривав електроліз, якщо на ложках утворився шар срібла завтовшки 58 мкм?
4. Під час рафінування міді анодом слугує пластина неочищеної міді масою 2 кг, яка має 12 % домішок. Скільки енергії необхідно витратити для очищення цієї міді, якщо процес відбувається за напруги 6 В?
5. З наведених речовин і матеріалів виберіть ті, які є провідниками, і ті, які є діелектриками: 1) дистильована вода; 2) мідь; 3) повітря; 4) морська вода; 5) золото; 6) ртуть; 7) гума; 8) порцеляна.