Химия. 11 класс

Электрохимические методы

Электрохимический метод получения металлов (электрометаллургия) предполагает выделение металлов из руд электролизом. Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий под действием постоянного электрического тока, проходящего через раствор или расплав электролита. Его отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций заключается в том, что процессы окисления и восстановления разделены в пространстве и протекают на электродах, помещённых в раствор или расплав электролита.

Процесс получения металлов электролизом проводят в аппаратах, называемых электролизёрами. В них имеется источник электрического питания, подсоединённый к электродам, которые погружены в ванну с токопроводящим водным раствором или расплавом соли металла.

Выбор условий проведения электролиза и состава электролита определяется положением металла в ряду активности. Электролизом водного раствора можно выделить только те металлы, которые находятся в ряду активности правее алюминия (например, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb, Co, Cu, Ag, Au, Pd и др.). Алюминий, магний, щелочные и щёлочноземельные металлы, титан извлекают электролизом расплавов их оксидов или хлоридов.

Рассмотрим процесс электролиза на примере получения магния из его хлорида (рис. 108).

Ванну электролизёра (1) заполняют расплавленным MgCl₂. Для снижения его температуры плавления и повышения электропроводности расплава в него вводят NаСl, СаСl₂, КСl и небольшие количества NaF и СаF₂. Температуру поддерживают в пределах 720 °С. В этих условиях хлорид магния и другие соли диссоциируют на ионы:

MgCl₂ → Mg²⁺ + 2Cl^–.

На катоде — электроде, подключённом к отрицательному полюсу источника постоянного тока (2), протекают процессы восстановления — передача электронов от катода катионам магния:

Mg²⁺ + 2e^– = Mg⁰.

Другие металлы при заданных условиях электролиза не восстанавливаются, потому что концентрация их ионов мала.

Выделяющийся на катоде металлический магний всплывает в катодном пространстве на поверхность электролита, поскольку плотность магния меньше плотности электролита-расплава. Магний периодически удаляют с помощью вакуумного ковша.

На аноде — электроде, подключённом к положительному полюсу источника постоянного тока (3), протекают процессы окисления — электроны переходят от анионов к электроду:

2Cl^– – 2e^– = ↑.

Катодное и анодное пространство электролита разделено перегородкой (4), чтобы выделяющийся хлор не окислял магний и удалялся из электролизёра.