Получение щелочных металлов это электролиз

  • 1. Для получения щелочных металлов используют в основном электролиз расплавов их галогенидов, чаще всего — хлоридов, образующих природные минералы:
  • катод: Li+ + e → Li
  • анод: 2Cl- — 2e → Cl2
  • 2. Иногда для получения щелочных металлов проводят электролиз расплавов их гидроксидов:
  • катод: Na+ + e → Na
  • анод: 4OH- — 4e → 2H2O + O2
  • Поскольку щелочные металлы в электрохимическом ряду напряжений находятся левее водорода, то электролитическое получение их из растворов солей невозможно; в этом случае образуются соответствующие щёлочи и водород.

Соли щелочных металлов — твердые кристаллические вещества ионного строения. Почти все соли натрия и калия растворимы в воде. Наиболее важные их соли — карбонаты, сульфаты, хлориды.

Nа2СO3 — карбонат натрия, образует кристаллогидрат Nа2СO3* 10Н2O, известный под названием кристаллическая сода, которая применяется в производстве стекла, бумаги, мыла. Это средняя соль.

Вам в быту более известна кислая соль — гидрокарбонат натрия NаНСO3, она применяется в пищевой промышленности (пищевая сода) и в медицине (питьевая сода).

  1. К2С03 — карбонат калия, техническое название — поташ, используется в производстве жидкого мыла и для приготовления тугоплавкого стекла, а также в качестве удобрения.
  2. Nа2SO4 • 10Н2O — кристаллогидратат сульфата натрия, техническое название — глауберова соль, применяется для производства соды и стекла и в качестве слабительного средства.
  3. NаСl — хлорид натрия, или поваренная соль, эта соль вам хорошо известна из курса прошлого года. Хлорид натрия является важнейшим сырьем в химической промышленности, широко применяется и в быту
  4. Со́да:
  5. Кальцинированная сода, бельевая сода — карбонат натрия Na2CO3.
  6. Кальцинированная сода — натуральное, безопасное, экономичное и эффективное чистящее средство!
  7. Химическая формула: Na2CO3
  8. Связаться с нами и сделать заказ

Кальцинированную соду следует отличать от пищевой соды. Они отличаются друг от друга степенью щелочной активности. Пищевая сода — слабая щелочь (уровень pH у пищевой соды составляет 8.1 (pH = 7 нейтрально)), а кальцинированная сода (pH = 11) — сильная щелочь и многие хозяйки применяют нашу кальцинированную соду для бытовых нужд.

Кальцинированная сода очень экономичное и эффективное моющее и чистящее средство. Так же кальцинированная сода экологически безопасное вещество, которое не загрязняет природу, в отличии от привычных и более дорогих моющих средств, содержащих фосфаты.

Характеристика электролитических способов получения щелочных металлов и едких щелочей

Задача 973.

  Чем отличается электролитический способ получения щелочных металлов от электролитического способа получения едких щелочей? Какие электрохимические процессы происходят в том и другом случае? Решение: а) Щелочные металлы получают электролизом расплавов их соединений, например, натрий можно получить электролизом расплава хлорида натрия. При этом на катоде выделяется металлический натрий, а на аноде – газообразный хлор.  Уравнения реакций электродных процессов при электролизе расплава NaCl:

На катоде: Na+ + = Na0; На аноде: Cl¯-  = Cl0;                  Cl0 +Cl0 = Cl2↑

Побочным продуктом является газообразный хлор, который собирают и используют в промышленности.

б) Едкие щёлочи получают электролизом водных растворов солей щелочных металлов, например, едкое натрий получают электролизом водного раствора хлорида натрия. В ходе электролиза на катоде разряжаются ионы водорода и одновременно вблизи катода (в катодном пространстве) накапливаются ионы натрия и гидрокси-ионы (Na+ и ОН¯). На аноде выделяется хлор.

Очень важно чтобы продукты электролиза не смешивались, так как NaOH легко взаимодействует с хлором. Для воспрепятствованию смешивания NaOH и Cl2 применяют диафрагменный метод (устанавливают диафрагму из асбеста или другого пористого материала ).

Существуют два метода электролиза соли: Метод стального электрода (катода) и метод ртутного катода, анодом в обеих случаях является угольный стержень.

  • Уравнения реакций процессов на катоде и аноде при электролизе раствора хлорида натрия:
  • На катоде: 2Н2О + 2  = Н2↑ + 2ОН¯; На аноде: 2Сl¯ — 2  = Cl20↑
  • Молекулярная форма:
  • 2NaCl + 2H2O  H2↑ + 2NaOH + Cl2↑

В процессе электролиза в анодное пространство непрерывно поступает раствор NaCl, а из катодного вытекает раствор, содержащий смесь NaCl и NaOH. При выпаривании раствора NaCl выкристаллизовывается, а NaOH остаётся в растворе. NaOH отделяют от NaCl и выпаривают до полного удаления воды. Полученный гидроксид натрия сплавляют и отливают в формы. Побочными продуктами являются водород и хлор. 

Если катодом служит ртуть, то у катода разряжаются не ионы водорода, а ионы натрия. Выделяющийся натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму натрия. Полученную при электролизе амальгаму разлагают горячей водой, при чём получается гидроксид натрия и выделяется водород и освобождается ртуть. Этим методом можно получить чистый гидроксид натрия, не содержащий в виде примеси хлорид натрия. 

Задача 974.  Как путем электролиза раствора хлорида калия получить гидроксид, гипохлорит и хлорат калия? Написать уравнения происходящих реакций.

Решение: а) Электролиз (Elektrolyse) раствора хлорида калия – соли образованной при взаимодействии активного металла и бескислородной кислоты  протекает предсказуемо. В данном случае на электродах выделяется водород (катод) и хлор (анод). А в растворе постепенно накапливается соответственно щелочь (КОН). 

  1. Стандартный электродный потенциал системы К+ + 1 = К0 (-2,950 В) значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода: 
  2. Катод: 2Н2О +2  = H2↑ + 2ОН¯, 
  3. а ионы К+, приходящие к катоду будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство). На аноде будет происходить электрохимическое окисление ионов хлора Cl¯, приводящее к выделению газообразного хлора:
  4. 2Сl¯ + 2  + 2Cl0; 2Cl0 = Cl20↑

Поскольку отвечающей этой системе стандартный электродный потенциал (1,359 В), хотя и больше, чем стандартный электродный потенциал системы: 2Н2О = О2↑+ 4Н+ + 4  (1,228 В), то разряжаться будут ионы Cl¯. Эта аномалия связана со значительным перенапряжением электродного процесса 2Сl¯ + 2  + 2Cl0. 

По окончании электролиза жидкость у катодного пространства выпаривают. При его выпаривании выкристаллизовываются хлорид калия и остаётся почти чистый гидроксид калия, который выпаривают до полного удаления воды. Затем, гидроксид калия сплавляют в формы. Побочными продуктами электролиза являются газообразные водород и хлор.

б) Получение гипохлорита калия. Для получения гипохлорита калия нужно, выделяющийся при электролизе хлорида калия газообразный хлор, пропустить через раствор гидроксида калия у катодного пространства. При пропускании хлора через исходный раствор едкого калия образуется гипохлорит калия:

  • 2KOH + Cl2 = KCl    +  KOCl   + H2O                              гипохлорит                                    калия
  • в) Для получения хлората калия нужно пропустить хлор в горячий раствор гидроксида калия, получим:
  • 6KOH + 3Cl2 = 5KCl +  KClО3   + 3H2O                                  хлорат                                   калия
  • Поскольку хлорат калия малорастворим в холодной воде, то при охлаждении раствора он выпадает в осадок.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Получение щелочных металлов РІ СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРј РІРёРґРµ возможно только путем электролиза расплава РёС… галогенидов или РіРёРґСЂ-РѕРєСЃРёРґРѕРІ. Характерные реакции щелочных металлов связаны СЃ РёС… высокой восстановительной способностью.  [1]

Для получения физически чистого щелочного металла все части установки спаивают; краны высоковакуумной части установки не следует смазывать.

Р’ РґСЂСѓРіРёС… случаях, РєРѕРіРґР° требования Рє чистоте получаемого металла РЅРµ столь высоки, можно использовать РІ установке шлифовые соединения Рё краны; однако надо исключить контакт жидкого или газообразного щелочного металла СЃРѕ шлифами Рё СЃ кранами.  [2]

В процессе получения щелочных металлов с использованием стеклянных ионообменных мембран, такое разрушение сказывается в еще большей степени.

Однако влияние щелочного металла, входящего в состав стекла, проявляется только при проведении на воздухе испытаний пленок на электросопротивление.

РџСЂРё взаимодействии щелочного металла СЃ кислородом РІРѕР·РґСѓС…Р° образуется щелочь; РѕРЅР° взаимодействует СЃ веществом катода.  [3]

Электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения щелочных металлов заключается РІ электролизе расплавленных солей или гидроокисей, Р° электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения едких щелочей основан РЅР° электролизе растворов галогенидов щелочных металлов. Хлористый натрий РІ твердом состоянии представляет СЃРѕР±РѕР№ кристаллическое вещество.  [4]

Р�сходным сырьем для получения щелочных металлов служат хлориды Рё РіРёРґСЂРѕРєСЃРёРґС‹, для получения щелочноземельных металлов — хлориды. Р’Рѕ всех случаях РёС… получают электролизом расплавов указанных соединений.  [5]

Это лучший метод получения органических производных щелочных металлов, магния, кальция, стронция Рё бария, особенно РІ том случае, если эти соединения используются как промежуточные продукты РІ дальнейших синтезах Рё РЅРµ требуется РёС… выделения РІ чистом РІРёРґРµ. Если необходимо выделить чистые алкильные производные щелочных металлов, то этот метод РЅРµ является единственным, так как РІ органических растворителях нерастворимы как металлалкилы, так Рё галогениды металлов, являющиеся побочными продуктами реакции, Рё разделение РёС… практически невозможно. Этот метод можно использовать для приготовления органических производных алюминия РїСЂРё условии, что алюминий предварительно амальгамируется для удаления поверхностной РѕРєРёСЃРЅРѕР№ пленки. Аналогичным РѕР±-разом РјРѕРіСѓС‚ реагировать РІ РІРёРґРµ амальгам Рё РґСЂСѓРіРёРµ металлы, например олово Рё свинец.  [6]

Определение основано РЅР° получении щелочных металлов РІ РІРёРґРµ хлоридов или сульфатов, свободных РѕС‚ РґСЂСѓРіРёС… элементов, входящих РІ состав силикатных РїРѕСЂРѕРґ. Для этой цели используется отдельная навеска образца.  [7]

Читайте также:  Лента для резки металла

Действительно, РїСЂРё получении алкильных производных щелочных металлов взаимодействием галоидного алкила Рё щелочного металла РІ результате описанной выше реакции сильно уменьшается выход металлал-кила, так как РѕРЅ РїРѕ мере его образования вступает РІ реакцию СЃ галоидным алкилом. Р’ этих реакциях Р±СЂРѕРјРёРґС‹ Рё РёРѕРґРёРґС‹ реагируют быстрее хлоридов, Рё эфир является менее пригодным растворителем, чем инертные углеводороды.  [8]

�з-за высокой химической активности получение щелочных металлов связано с определенными трудностями.

�х нельзя получать восстановлением оксидом углерода ( П) подобно железу или электролизом водного раствора соли подобно никелю.

Натрий Рё литий получают электролизом расплавов солей.  [10]

Р’ последнее время для получения щелочных металлов разработаны очень эффективные методы РёС… получения, основанные РЅР° электролизе расплавленных солей.  [11]

Чем отличается электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения щелочных металлов РѕС‚ электролитического-СЃРїРѕСЃРѕР±Р° получения едких щелочей. Какие электрохимические процессы РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ РІ том Рё РІ РґСЂСѓРіРѕРј случае.  [12]

Чем отличается электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения щелочных металлов РѕС‚ электролитического СЃРїРѕСЃРѕР±Р° получения едких щелочей.  [13]

Чем отличается электролитический СЃРїРѕСЃРѕР± получения щелочных металлов РѕС‚ электролитического СЃРїРѕСЃРѕР±Р° получения едких щелочей. Какие электрохимические процессы РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ РІ том Рё РІ РґСЂСѓРіРѕРј случае.  [14]

Р’ СЃРІСЏР·Рё СЃ разработкой РЅРѕРІРѕР№ технологии получения щелочных металлов Рё хлора электролизом расплавленных солей СЃ применением жидкого циркулирующего свинцового катода РѕСЃРѕР±РѕРµ внимание уделяют РїРѕРґР±РѕСЂСѓ огнеупорных электроизоляционных керамических материалов, стойких Рє свинцово-щелочным сплавам РїСЂРё температурах РґРѕ 850 РЎ.  [15]

Страницы:      1    2    3

Способ и аппарат для электролитического получения щелочных металлов

Предлагаемый способ получения электролитическим путем щелочных металлов из их амальгамы, которая образуется при электролизе водного раствора щелочных солей с ртутным катодом, состоит в том, что для выделения щелочного металла, например, натрия, из амальгамы, последней пользуются в качестве анода при неизменяемом металлическом катоде и инертном электролите, при чем электролиз ведется при низкой температуре (от -30°C до +30°C). Электролитом может служить какая-либо соль щелочного металла, растворяющаяся в жидком безводном аммиаке, метиламине или другом растворителе, дающем электролит, не действующий на щелочный металл, который выделяется в виде раствора. При этом щелочный раствор всплывает над раствором соли, от которого его отделяют и подвергают выпариванию. Испаряющийся растворитель улавливают, конденсируют и направляют в электролит.

Металл может быть выделен на катоде и в твердом виде, для чего аммиачный раствор пересыщают при электролизе металлом.

Для выполнения указанного способа предлагаются аппараты, изображенные на чертеже в вертикальном разрезе; на фиг. 1 — для выделения щелочного металла в виде раствора, и на фиг. 2 — в твердом виде.

  • Опыты показали, что растворы солей щелочных металлов в жидком аммиаке можно разделить на три группы:
  • 1) в которых соответствующий металл растворяется; раствор может состоять из двух фаз;
  • 2) в которых металл не растворяется или мало растворяется и с которыми он может существовать вместе в виде раствора металла в аммиаке, и которые свободны или почти свободны от солей и
  • 3) такие, в которых металл нерастворим и с которыми он может существовать вместе в твердом виде.

Если, например, прибавлять легко растворимую натриевую соль к раствору натрия в аммиаке, то можно достигнуть того, что раствор разделяется на два определенных слоя, из которых нижний состоит из раствора натриевой соли в аммиаке, содержащего только следы свободного натрия, между тем как верхний слой содержит в себе весь натрий, растворенный в аммиаке, и почти, свободен от соли. Повышение концентрации соли повышает концентрацию соответствующего натриевого раствора, пока последний не насыщается; выше этой точки выделяется твердый натрий.

Относящиеся к первой группе растворы, т.-е. такие, в которых металл более или менее легко растворяется, сравнительно малоценны при получении металла по предлагаемому способу, потому что металл, образующийся на катоде, более или менее легко растворяется в электролите и из него опять поглощается ртутью на аноде.

Часть металла, которая не поглощается, можно удалить из сосуда только вместе с растворенной солью, от которой металл отделяется последующими операциями, почему способ усложняется нежелательным образом. Чем более растворы приближаются к предельной линии, отделяющей их от растворов второй группы, тем менее влияют эти недостатки.

При пользовании разбавленными растворами применяют диафрагму, которая препятствует соприкосновению растворенного натрия со ртутью.

Растворы второй группы, т.-е. такие, из которых щелочный металл почти полностью выделяется в виде раствора в аммиаке, являются подходящими электролитами для описываемого способа.

Растворы металла плавают на поверхности растворов солей и поэтому не могут соприкасаться с амальгамой анода.

Так как они жидки, то их легко удалить из электролизера, и металл выпариванием аммиака получается в чистом виде.

Концентрации, при которых образуются два жидких слоя, зависят от температуры, и так как слабые растворы густо окрашены, то недостатки неравномерности нужно определить анализом проб, которые берутся в нижних и верхних слоях жидкости.

При -26°C и при применении натриевого цианида пределы, при которых образуется два жидких слоя, таковы: от 3%-44% натриевого цианида, т.-е. 44 части натриевого цианида на каждые 100 частей раствора.

При получении натрия посредством электролиза этих растворов при применении анода из натриевой амальгамы лучшие результаты получаются между 28% и 41% натриевого цианида. Ниже 17% нужно применять диафрагму, дабы воспрепятствовать соприкосновению растворенного натрия с амальгамой.

Полученный натрий содержит обыкновенно мало цианида, особенно, когда концентрация цианида мала. Выше 41% колебания содержания аммиака могут вызвать выделение твердого натрия.

Растворы третьей группы равным образом являются подходящими, хотя отделение твердого металла и удаление его из сосуда, который должен быть плотно закрыт, в виду летучести раствора, представляют известные трудности.

Число натриевых или щелочно-металлических солей, дающих подходящие электролитические растворы, ограничено.

Большинство их или нерастворимы в аммиаке, или получаются растворы только первой группы (например, хлористый натрий или бромистый натрий дают только растворы первой группы).

Другие соли, которые достаточно растворимы, не могут быть использованы, так как они реагируют на натрий или другой щелочный металл, как, напр., нитраты и тиоцианаты.

Натриевый цианид и натриевый иодид дают растворы второй и третьей группы. Они не реагируют на натрий в присутствии жидкого аммиака и растворы их хорошие проводники электричества. При этом предпочитается цианид, так как при употреблении иодида могут образоваться взрывчатые вещества.

Амальгама щелочного металла может быть любой плотности, но слабые жидкие амальгамы предпочтительны, так как они легко сохраняются. При пользовании ими нужно регулировать плотность тока на аноде в отношении к содержанию щелочного металла в амальгаме и скорости ее движения.

Если плотность тока слишком высока, то ртуть растворяется таким же образом, как щелочный металл, и образование последнего уменьшается. Опыты показали, что Для натриевой амальгамы плотность тока на аноде в 3-4 амп.

на см2 для каждого процента натрия является нормальной при спокойной амальгаме; более высокая плотность тока может быть применена, если амальгама перемешивается или течет тонким слоем. Если перейти эти критические плотности тока, то ртуть растворяется, и образование натрия может прекратиться.

Плотность тока на катоде можно выбрать значительно меньше применяемых при электролизе расплавленных солей.

Катод изготовляется из железа или бедной углеродом стали, но можно употреблять и другие вещества хорошо проводящие электричество и на которые не действуют вещества, находящиеся в сосуде, например, монель-металл.

Чугун, платина и ртуть не пригодны, как и металлы, которые ускоряют реакцию между щелочными металлами и аммиаком с образованием амидов. Также не годятся металлы, образующие с щелочным металлом сплавы (свинец), так как металл должен быть отделен после выпаривания раствора.

Натрий может быть употреблен, если требуется получить твердый металл.

Части электролизера, соприкасающиеся с растворами щелочных металлов, должны быть изготовлены из вещества, не влияющего каталитически на образовании реакции для получения металламида.

Когда, например, раствор щелочного металла в аммиаке в присутствии раствора соли соприкасается со сталью, то реакция образования металламида может быть подвергнута такому сильному каталитическому влиянию, что образуется почти один амид.

Пример 1. Калий.

Раствор калиевого иодида в жидком аммиаке, содержащий не менее 0,6-0,7 г калиевого иодида на каждый см3 раствора, подвергается электролизу с медным катодом и калиево-амальгамовым (0,05%) анодом, при этом раствор держат при точке кипения или немного ниже, при атмосферном давлении.

Калий выделяется из амальгамы и образует на катоде окрашенный в бронзовый цвет раствор калия в аммиаке, поднимающийся от катода на поверхность раствора иодида и легко отделяющийся от него при помощи соответствующего отделителя, который держат ниже температуры кипения раствора.

Истощенная амальгама вынимается из сосуда и заменяется свежей. Когда вынутая амальгама содержит 0,01% калия, то плотность тока на аноде может быть 0,03 амп. на см2.

Раствор калия можно выпаривать при атмосферном давлении, что уменьшает потерю через реакцию с аммиаком, при образовании амида калия.

Остающийся металл имеет губчатый вид; его расплавляют при возможно низкой температуре и выливают в формы.

Часть электролизера, в которой собирается раствор калия, а также испаритель, должны быть изготовлены из вещества или обложены веществами, которые не ускоряют реакцию между калием и аммиаком, как, напр., из эбонита, стекла, эмалированного железа или меди.

Когда раствор иодида значительно более разбавлен, чем выше указано, то калий не получается, а образуется только амид калия.

На фиг. 1 чугунный сосуд для электролита защищен в верхней части эбонитовой подкладкой 2. Ток подводят к зажиму 3, так что анодом служит амальгама, а катодом продырявленная стальная пластинка 4, изолированная прокладкой 5. Амальгама входит по трубе 6, проходящей по дну сосуда, и выходит через трубу 7.

Читайте также:  Скол на металле это

Жидкий аммиак протекает в сосуд 8 через вентиль 9; газообразный же аммиак выходит через трубу 10, которая соединяется патрубками с сосудами 8, 11 и 15, и может быть удален через трубу 16.

Верхний жидкий слой раствора калия в жидком аммиаке собирается в сосуде 11 и переходит для отстаивания от увлеченного электролита в сосуд 12, откуда он протекает через трубу 14 в сосуд 15 и выходит через вентиль 17. Переходящий с раствором калия раствор иодида возвращается по трубе 13 в сосуд 1.

Аппарат может, если желательно, находиться под давлением. Необходимые для сосуда 12 охладительные рубашки не указаны на чертеже.

Пример 2. Твердый натрий. Раствор 90-100 г цианида в 100 г жидкого аммиака подвергается электролизу при атмосферном давлении, и при температуре между его точками кипения и замерзания (приблизительно между -20°C и -34°C), при чем катодом является сталь с малым содержанием углерода, а анодом натриева амальгама (0,05%).

Натрий выделяется в виде твердой кристаллической губки, которая собирается и сжимается приспособлениями, находящимися внутри сосуда, как, напр., помощью ножа и поршня, без доступа воздуха и влаги, чтобы удалить электролит и соединить отделенные кристаллы в однородную металлическую массу. Металл продавливается через отверстие в стенке сосуда, которое закрыто всегда пробкой из твердого натрия.

Отдача (коэфф. пол. действия) только в этом случае почти теоретическая.

Предлагаемый способ можно выполнить в аппарате схематически изображенном на фиг. 2. В сосуде 20, охлаждаемом снаружи, помещается медленно вращающийся барабанный катод 21, анодом служит амальгама 22. Отлагающийся на катоде щелочный металл снимается ножом 25, по которому скатывается в отделение 26, откуда удаляется через отверстие 27 поршнем 24.

Пример 3. Раствор 50 частей цианида натрия в 100 частях жидкого аммиака подвергается электролизу при атмосферном давлении и при температуре между точками замерзания и кипения раствора (т.-е.

между -31°C до -28°C), при чем анодом служит амальгама натрия, а катодом — металл, который не действует каталитически на реакцию между натрием и аммиаком и который не изменяется в данных условиях, как, напр., сталь с малым содержанием углерода. Плотность тока на аноде 0,06 амп.

на см2; истощенную амальгаму можно выпустить с 0,002% содержанием натрия, если скорость течения амальгамы 200 см в минуту. Более высокая скорость течения допускает более высокую плотность тока или более низкую концентрацию при выходе и наоборот. Отдача тока, в общем, теоретическая.

Натрий собирается в виде бронзового раствора в аммиаке, который свободен от цианида, плавающего на электролите; последний остается обыкновенно бесцветным. Раствор натрия в аммиаке не смешивается с раствором цианида и отделяется помощью охлажденного отделителя.

Металл получается в чистом состоянии посредством выпаривания досуха при атмосферном давлении, а газообразный аммиак используют известным образом. Остающийся твердый натрий имеет форму плотной губки, подверженной окислению, вследствие чего его расплавляют при возможно низкой температуре и выпускают в формы. Выпаривание возможно производить также под давлением. Части электролизера, соприкасающиеся с раствором натрия, изготовляются из веществ, не влияющих каталитически на реакцию между натрием и аммиаком.

Пример 4. Раствор 60 г цианида натрия в 100 г жидкого аммиака подвергается при 17-30°C электролизу в сосуде, стенки которого могут выдержать внутреннее давление.

В этом случае очень важно, чтобы части аппарата, соприкасающиеся с раствором натрия, состояли из веществ, не влияющих каталитически на реакцию между натрием и аммиаком, скорость которой при высокой температуре гораздо выше.

Как на более подходящие вещества, можно указать на стекло, стеклянную эмаль, эбонит, медь и монель-металл. Катод состоит из меди или монель-металла, анод же из натриевой амальгамы, которая накачивается в сосуд или течет с соответствующей высоты; истощенная амальгама также вытекает самотеком.

Натрий собирается в аммиаке в виде бронзового раствора, который свободен от цианида и плавает на электролите. Натрий очень мало растворяется в растворе цианида, который окрашен в синий цвет.

Раствор натрия в аммиаке течет через отделитель в испаритель, где аммиак испаряется и конденсируется в наполненном водою конденсаторе, из которого возвращается обратно в сосуд. Когда в испарителе собирается достаточное количество натрия, приток раствора прекращается, металл нагревается до плавления и чистый расплавленный металл выпускается в формы.

Так как на катоде из раствора цианида отделяется аммиак, и его концентрация увеличивается, то необходимо смешивать концентрированный раствор с жидким аммиаком, возвращающимся в сосуд. Это производится проще всего регулированием давления в сосуде, так что раствор находится в постоянном волнении; циркуляцию можно также производить термосифоном.

Возможно также употреблять другую концентрацию цианида натрия. 15 ч.

цианида натрия в 100 частях жидкого аммиака можно подвергать электролизу вместе с амальгамой, которая находится в движении или которая в виде тонкого слоя течет, с такой скоростью, что находящийся в ней натрий почти полностью выделяется во время течения.

Наиболее подходящая температура для этого, при атмосферном давлении, от -40°C до -31,5°C. При этой концентрации отдача тока небольшая, но ее можно повысить, поместив между электродами диафрагму, которая препятствует соприкосновению растворенного натрия с амальгамой.

1.

Способ электролитического получения щелочных металлов, как, например, натрия из их амальгамы, одновременно получаемой электролизом водного раствора их солей с ртутным катодом, отличающийся тем, что, при пользовании амальгамой в качестве анода и неизменяемым металлическим катодом, в качестве электролита применяют раствор цианистой или т.п. соли в безводном жидком аммиаке, метиламине или т.п. с целью получения щелочного металла в виде раствора, всплывающего над раствором соли, после чего из верхнего слоя выделяют металл путем испарения растворителя, прибавляемого затем в сжиженном состоянии к электролиту.

2. Видоизменение указанного в п. 1 способа, отличающееся тем, что электролиз ведут до пересыщения аммиачного раствора металлом и дальнейшего выделения металла на катоде в твердом состоянии.

3. Аппарат для выполнения указанного в п. 1 способа, отличающийся применением чугунного электролитического сосуда, верхняя часть которого с внутренней стороны защищена эбонитовой и т.п.

подкладкой 2, дно покрыто слоем протекающей амальгамы щелочного металла, впускаемой и выпускаемой по трубам 6 и 7, служащей анодом, катода 4 в виде продырявленной стальной пластинки, изолированной при 5, вентиля 9 и сосуда 8 для впуска в электролизер жидкого аммиака, сосуда 11 для вмещения верхнего жидкого слоя, состоящего из раствора щелочного металла в жидком аммиаке, сосуда 12 для отстаивания этого слоя от увлеченного электролита, трубы 13 для спуска отстоявшегося нижнего слоя электролита обратно в электролизер, трубы 14 для стока раствора щелочного металла в жидком аммиаке в сосуд 15 с выпускным вентилем 17, трубы 10 и 16, соединяющейся патрубками с сосудами 8, 11, 15 для выпуска газообразного аммиака (фиг. 1).

4. Аппарат для выполнения указанного в п. 2 способа, отличающийся применением. охлаждаемого снаружи сосуда 20 с амальгамой 22 в качестве анода и с вращаемым барабаном 21 в виде катода, применяемым для отложения щелочного металла, для снятия которого с барабана 21 служит нож 25, а для удаления из аппарата через отверстие 27 — поршень 24.

Применение электролиза

В ПОМОЩЬ МОЛОДОМУ УЧИТЕЛЮ

11 класс

См. также № 13, 14, 17/2006, 14/2007.

Цели урока. Показать практическое применение электролиза для получения щелочных металлов, алюминия, очистки меди от примесей, а также для получения золота и серебра из анодного ила; решить расчетные задачи на нахождение одной из величин: времени, силы тока и количества вещества, образующегося или израсходованного в электролизной реакции.

ХОД УРОКА

Получение щелочных металлов

А.В.Вольта считал, что причиной возникновения электрического тока в гальваническом элементе является контакт двух разнородных металлов, а в них самих никаких изменений не происходит. Ясно, что в этом случае элемент должен работать вечно. На практике вечного элемента никогда не получалось, любой из них рано или поздно прекращал работу.

Другие исследователи заметили, что в работающем гальваническом элементе протекают химические процессы. В частности, поверхность цинка в соляном растворе при работе вольтова столба подвергается коррозии. Впоследствии было доказано, что химические реакции на границе проводников первого и второго рода, т.е. электродов и растворов, являются источником возникновения электрической энергии.

Таким образом, гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Закон сохранения энергии выполняется и в этом случае: после завершения химических реакций ток прекращается.

Сразу же после создания химического источника электрической энергии стала бурно развиваться новая наука – электрохимия. В лабораториях разных стран ученые собирали гальванические батареи, пропускали ток через растворы различных веществ и с интересом наблюдали, что происходит в каждом случае.

Читайте также:  Индукционные печи для нагрева металлов

На этом пути было сделано множество важных экспериментальных открытий: установлено, например, что на электродах, опущенных в обычную речную воду, выделяются водород и кислород, а водные растворы солей щелочных металлов разлагаются с выделением водорода и образованием щелочей на одном полюсе и выделением кислорода и образованием кислот – на другом.

Пожалуй, самым замечательным результатом электрохимических работ того времени было проведенное английским химиком Гемфри Дэви разложение расплавов щелочей и получение новых элементов – калия и натрия. До этого никому никаким способом не удавалось разложить на элементы гидроксиды калия и натрия. Позже Дэви получил электролизом барий, кальций, стронций, магний, бор.

Кстати, открытие натрия стоило ему очень дорого: образовавшийся при электролизе металлический натрий в виде мелких шариков поднялся на поверхность расплава и воспламенился. Произошел взрыв. Осколки стекла попали ученому в глаза. Несмотря на то, что на один глаз Дэви ослеп, его энтузиазм и преданность науке не уменьшились. Он сделал еще много открытий.

Сейчас натрий получают электролизом расплава хлорида натрия в специальных электролитических устройствах – электролизерах. На рис. 1 представлен электролизер Даунса.

Он сконструирован таким образом, чтобы натрий и хлор не могли вступать в контакт друг с другом и снова образовывать хлорид натрия. Предусмотрено также, чтобы натрий не вступал в контакт с воздухом и не образовывал оксид.

К хлориду натрия добавляют хлорид кальция, что позволяет понизить его температуру плавления приблизительно до 600 °С (для чистого хлорида натрия она равна ~800 °С).

  • История получения алюминия
  • Приоритет открытия и получения металлического алюминия, который одно время называли «серебром из глины», принадлежит датскому физику Хансу Кристиану Эрстеду (1777–1851), известному больше своими работами по электромагнетизму. Чтобы получить алюминий, Эрстед нагревал безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия (раствором натрия в ртути):
  • AlCl3 + 3Na(Hg) = Al(Hg) + 3NaCl.

Продукты реакции он обработал водой для растворения хлорида натрия, а из остатка, содержащего амальгаму алюминия, удалил нагреванием ртуть. Так в 1825 г. впервые был получен алюминий.

Название «Aluminium» дал новому металлу английский химик и физик Дэви.

«Alumen» на латинском языке означает квасцы (сульфат калия-алюминия), известные с давних пор и имеющие состав KAl(SO4)2•12Н2О.

В 1827 г. немецкому химику Ф.Велеру (1800–1882) также удалось выделить алюминий, используя реакцию восстановления гексафтороалюмината натрия металлическим калием:

  1. Nа3[АlF6] + 3K = Аl + 3NaF + 3KF.
  2. Алюминий в этом случае легко отделяется от фторидов калия и натрия, легко растворимых в воде.
  3. Все это были лабораторные способы получения очень небольших количеств алюминия.

В 1845 г. два химика независимо друг от друга – немец Р.В.Бунзен (1811–1899) и француз А.Э.Сент-Клер Девилль (1818–1881) – разработали первый промышленный метод получения алюминия, основанный на восстановлении расплава тетрахлороалюмината натрия:

Nа[АlCl4] + 3Na = Аl + 4NaCl.

На Парижской всемирной выставке в 1855 г. демонстрировалось «серебро Девилля» – слиток алюминия ценой 2400 марок за 1 кг (90 долларов за фунт – по другим источникам). Алюминий стоил дороже, чем золото и серебро. Известно, что богатые люди того времени щеголяли алюминиевой столовой посудой.

Наполеон III (племянник Наполеона I), узнав об алюминии, задумал снабдить своих солдат нагрудниками и касками, сделанными из этого металла. По его приказу Сент-Клер Девиллю были выделены большие средства для получения нужного количества алюминия. Однако Наполеону III пришлось ограничить свое желание изготовлением алюминиевых кирас только для небольшой группы его личной охраны.

Способ Сент-Клер Девилля все же имел лабораторные масштабы. Современный промышленный метод получения алюминия, основанный на электролизе расплава Nа3[АlF6], был разработан американцем Ч.М.Холлом.

Холл приступил к исследованию проблемы восстановления алюминия примерно в 1885 г., после того как узнал от одного профессора о трудностях, связанных с восстановлением руд. Когда Холл начал свои исследования, ему шел всего 21-й год.

В дровяном сарае неподалеку от своего дома он оснастил лабораторию самодельным и взятым напрокат оборудованием. Приблизительно через год ему удалось решить проблему. «Профессор, я получил его!» – с таким криком вбежал к американскому химику Иветту в 1886 г.

молодой инженер Холл, держа на протянутой ладони 12 маленьких шариков алюминия – первого алюминия, полученного электрохимическим методом.

Почти одновременно аналогичное открытие сделал во Франции Поль Эру, которому в то время было столько же лет, сколько и Холлу. Суть открытия заключалась в том, что Al2O3 растворяется в криолите (редком минерале, который добывали из небольших залежей в Гренландии), образуя проводящий раствор.

Открытия Холла и Эру сделали возможным промышленное получение алюминия в больших масштабах. Алюминий стал широко распространенным и всем известным металлом. Цена на него в конце концов упала до 15 центов за фунт. Даже сейчас алюминий стоит не дороже 80 центов за фунт.

Суть метода Холла

Сырьем служит оксид алюминия, добываемый в виде минерала боксита. После предварительной очистки Al2O3 растворяют в расплавленном криолите Nа3[АlF6], в результате чего образуется раствор, проводящий электрический ток. Расплавленную смесь электролизуют при помощи угольных электродов, как показано на рис. 2.

На электродах происходят реакции:

на аноде: С (тв.) + 2О2– = СO2 (г.) + 4e,

на катоде: 3е + Al3+ Al (ж.).

Электролиз с активными электродами

В электролитическом процессе получения алюминия по методу Холла анод вступает в реакцию:

С (тв.) + 2O2– = CO2 (г.) + 4e.

Следовательно, электродные реакции включают окисление и восстановление не только растворителя и растворенных веществ, но и самих электродов.

При электролизе водных растворов на металлических электродах происходит окисление электрода, если его окислительный потенциал выше потенциала воды. Например, медь окисляется легче, чем вода:

Cu (тв.) = Cu2+ (водн.) + 2е,

E°окисл = –0,34 В,

2Н2O (ж.) = 4Н+ (водн.) + O2 + 4е,

Е°восст = –1,23 В.

К одному из многих интересных применений таких электролизных процессов относится рафинирование, или очистка, металлической меди. В промышленности соединения меди восстанавливают с помощью химических восстановителей. Например, для восстановления сульфида меди Сu2S через расплавленную руду продувают воздух:

Cu2S (ж.) + O2 = 2Cu (ж.) + SO2 (г.).

Полученная таким способом медь называется губчатой; она имеет чистоту приблизительно 99% и содержит примеси железа, цинка, золота, серебра и других веществ. Некоторые примеси значительно снижают электропроводность металлической меди. Поэтому медь, идущую на изготовление электрических проводов, подвергают дальнейшей очистке.

Такую очистку проводят путем электролиза. Губчатую медь помещают в электролизер и делают анодом (рис. 3).

Тонкие листы чистой меди играют роль катода. Электролитом служит водная смесь серной кислоты и сульфата меди. При пропускании электрического тока медь растворяется на аноде и осаждается на катоде:

на аноде: Cu (тв.) = Cu2+ (водн.) + 2е,

на катоде: Cu2+ (водн.) + 2е = Cu (тв.).

Такие металлы, как цинк и железо, которые окисляются легче, чем медь, вместе с ней растворяются на аноде. Поскольку они восстанавливаются труднее, чем медь, тщательно регулируя напряжение электролитической ячейки, можно предотвратить их осаждение на катоде.

Такие металлы, как серебро и золото, которые окисляются труднее, чем медь, не растворяются на аноде. По мере растворения меди они падают с анода и скапливаются под ним на дне ванны в виде ила. Анодный ил периодически извлекают из электролитической ванны в процессе ее чистки. Он служит важным источником получения золота и серебра. Таким способом в США получают бо'льшую часть золота.

Другим интересным применением электролиза является покрытие металлов. Если, например, в только что описанной ванне вместо меди сделать катодом какой-либо другой металл, то в процессе электролиза на нем будет образовываться медное покрытие.

Металл, который наносят на другие поверхности, делают анодом (рис. 4) (см. с. 44). Электропокрытие защищает различные предметы от коррозии и улучшает их внешний вид.

Многие наружные части автомобилей, например бамперы и дверные ручки, электролитически покрывают хромом.

Решение расчетных задач по теме «Электролиз»

Задача 1. Вычислите массу алюминия, полученного за 1 ч при электролизе расплавленного AlCl3 током силой 10А.

  • Решение
  • По закону Фарадея:
  • где m – масса образовавшегося вещества (г),
  • M – молярная масса вещества (г/моль),
  • n – количество принимаемых или отдаваемых электронов,
  • I – сила тока (А),
  • t – продолжительность процесса (с),
  • F – постоянная Фарадея (F = 96 500 Kл/моль = 26,8 А ч/моль).
  • Al3+ + 3e Al0 (n = 3).

Ответ. m(Al) = 3,36 г.

Задача 2. Через раствор, содержащий Cu2+, в течение 5 мин пропускают ток постоянной силы. За это время масса катода увеличивается на 1,24 г.

  1. Какова сила пропускаемого тока?
  2. Решение
  3. В данном случае нас интересует полуреакция:
  4. Cu2+ + 2e = Cu (n = 2).

Ответ. I = 12,6 А.

Домашнее задание. Решить задачи.

1. Сколько минут потребуется для осаждения 10 г металлического никеля из раствора сульфата никеля(II) при силе тока 1,5 А?

2. Сколько литров газообразного Cl2 (н.у.) выделится при электролизе водного раствора NaCl током силой 2 А за время 1 ч?

Л и т е р а т у р а

Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995; Энциклопедия для детей. Т. 17. Химия. М.: Аванта +, 2003.

М.А.АЛЕКСАНДРОВА, учитель химии школы № 81

(Москва)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector