Решение химических задач на закон фарадея в курсе средней школы. Электролиз Решение химических задач на закон Фарадея в курсе средней школы

Союз Советскиз

Социалистическиз

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 11Л1!.1964 (№ 886625/22-2) Кл. 40с, Зоо с присоединением заявки №.МПК С 22d

УДК 669.174: 669.177.035.

45 (088.8) Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР

Заявитель Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И. П. Бардина

СПОСОБ ПОЛУ!ЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ЭЛЕКТРОЛИЗОМ

РАСПЛАВЛЕННЪ|Х СОЛЕЙ С РАСТВОРИМЪ!МИ АНОДАМИ

Предмет изобретения

Подписная группа ¹ 1бО

Известны способы получения железа и других металлов в водных растворах и в расплавленных солях, Предложенный способ получения железа электролизом расплавленных солей с растворимыми анодами из чугуна или продуктов внедоменного восстановления железорудного материала отличается от известных тем, что для получения железа повышенной чистоты электролиз проводят в расплавленном хлористом натрии с добавкой хлорида железа в количестве не более 10 ", по весу, в расчете на железо, при 850 — 900 С и анодной и катодной плотности тока соответственно до 0,4 и 10 а/см- .

По предлагаемому спосооу исходные железосодержащие материалы в виде кусков, брикетов, гранул, стружки или пластин загружают в электролизную вынну, например с керамической футеровкой, и подвергают электрическому рафинированию при 850 — 900 С в атмосфере азота или другого инертного газа.

Порошкообразное чистое железо, осаждающееся на катоде, периодически выгружают из ванны и измельчают для отделения воздушной сепарацией части электролита, возвращаемого в ванну. Остаточный электролит отделяют от железа вакуумной сепарацией при 900 — 950 С или гидрометаллургической обработкой.

Преимуществом предлагаемого способа является повышенная чистота железа с содержанием основного элемента до 99,995%. и

Способ получения железа электролизом расплавленных солей с растворимыми анода15 ми из чугуна или продуктов внедоменного восстановления железорудного материала, отличающийся тем, что, с целью получения железа повышенной чистоты, электролиз проводят в расплавленном хлористом натрии с

20 добавкой хлорида железа в количестве не более 10% по весу, в расчете на железо, при

850 †9 С и анодной и катодной плотности тока соответственно до 0,4 и 10 а/сл -.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электрохимического получения порошков металлов платиновой группы и может применяться для катализа в химической промышленности, электрохимической энергетике, микроэлектронике

Вариант 1

1.Напишите уравнения реакций: а) получения цинка из оксида цинка путем восстановления углём; б) получения кобальта из оксида кобальта (II) путем восстановления водородом; в) получения титана из хлорида титана (IV) магний термическим способом. Реакцию в разберите как окислительно-восстановительную: обозначьте степени окисления атомов и расставьте коэффициенты, определив их методом электронного баланса.

2.Составьте схемы и уравнения реакций, протекающих при электролизе: а) расплава хлорида калия; б) раствора бромида цинка; в) раствора сульфата железа (II).

3.В чем заключается сущность коррозии металлов? Какие виды коррозии вам известны?
Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

4.На стальной крышке поставлена медная заклёпка. Что раньше разрушится – крышка или заклёпка? Почему?
Стальная крышка, поскольку она включает в себя железо, а железо более активный металл, чем медь и будет скорее коррозировать. Также железо с медью образуют гальваническую пару, где железо – анод, и разрушается скорее, в медь – катод, остается нетронутым.

Вариант 2

1.Напишите уравнения реакций: а) получения железа из оксида железа (III) алюминотермическим способом; б) получения меди из оксида меди (II) путём восстановления углём; в) получения вольфрама из его высшего оксида путем восстановления водородом. Реакцию в разберите как окислительно-восстановительную: обозначьте степени окисления атомов и расставьте коэффициенты, определив их методом электронного баланса.

2.Составьте схемы и уравнения реакций, протекающих при электролизе: а) раствора бромида меди (II); б) раствора иодида натрия; в) раствора нитрата свинца (II).

3.Какие факторы приводят к усилению коррозии металлов?

4.Почему лужённый (покрытый оловом) железный бак на месте повреждения защитного слоя быстро разрушается?
Также железо с оловом образуют гальванический элемент, где железо – анод, и разрушается скорее, а олово – катод, остается нетронутым.

Вариант 3

1.Напишите уравнения реакций: а)получения меди из оксида меди (II) путём восстановления водородом; б) получения железа из оксида железа (III) путем восстановления оксидом углерода (II); в) получения ванадия из оксида ванадия (V) кальцийтермическим способом. Реакцию в разберите как окислительно-восстановительную: обозначьте степени окисления атомов и расставьте коэффициенты, определив их методом электронного баланса.

2.Составьте схемы и уравнения реакций, протекающих при электролизе: а) расплава хлорида кальция; б) раствора бромида калия; в) раствора сульфата цинка.

3.Какие факторы способствуют замедлению коррозии металлов?
-Нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;
-Устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов).
-Исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги.

4. Какие металлы при взаимном контакте в присутствии электролита быстрее разрушаются: а) медь и цинк; б) алюминий и железо? Почему?
Быстрее разрушаться будет более активный металл из данной пары
а) цинк более активный металл, чем медь;
б) алюминий более активный металл, чем железо.

Вариант 4

1.Напишите уравнения реакций: а)получения молибдена из его высшего оксида путем восстановления водородом; б)получения хрома из оксида хрома (III) алюминотермическим способом; в) получения никеля из оксида никеля (II) путем восстановления углем. Реакцию в разберите как окислительно-восстановительную: обозначьте степени окисления атомов и расставьте коэффициенты, определив их методом электронного баланса.

2.Составьте схемы и уравнения реакций, протекающих при электролизе: а)раствора хлорида меди (II); б) раствора иодида натрия; в) раствора нитрата никеля (II).

3.Перечислите способы борьбы с коррозией металлов.

4.Почему на оцинкованном баке на месте царапины цинк разрушается, а железо не ржавеет?
Цинк более активный металл, чем железо. Также железо с цинком образуют гальванический элемент, где цинк – анод, и разрушается скорее, а железо – катод, остается нетронутым.

Электролиз расплавов солей

Коли память нам с Вами не изменяет, то прошлая лекция завершилась обсуждением такого явления как электролиз растворов солей. Электролиз – разложение вещества под действием электрического тока. Естественно, что электролизу, в первую очередь, подвержены электролиты, т.е. вещества, которые в растворе или в расплаве проводят электрический ток.

Электролиз растворов имеет два ограничения:

Во-первых, ему повергаются только растворимые вещества, нерастворимые соли «чихали на то, что мы их пробуем разложить действием электрического тока»;

Во-вторых, в системе присутствует дополнительный компонент – растворитель (в нашем случае вода), который, как Вы помните, не всегда инертен. Например, при электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде восстанавливается не катион натрия, а вода.

Таким образом, есть некоторые упрямые соли, которые совершенно не желают повергаться электролизу в водных растворах. К сожалению, нам придется с ними поступить довольно сурово: сильно нагреть, расплавить и подвергнуть действию тока при высокой температуре.

Электролиз расплавов несложен, общее правило: на катоде восстанавливается катион металла, на аноде – анион кислотного остатка. При этом в случае бескислородных солей образуется простое вещество – галогены, сера, селен и пр., а в случае кислородсодержащих солей – выделяется кислород и получается соответствующий оксид элемента, образовавший соль.

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

Замечание 1 : обратите внимание, не все вещества удается расплавить. Иногда при нагревании вещества еще до плавления происходит его разложение (или испарение), так что получить расплав становится невозможным.

Замечание 2 . Остановимся ещё на одном «тонком» моменте: вообще-то говоря, для того чтобы провести электролиз, к веществу нужно подвести электрический ток, т.е. нужно опустить в раствор или в расплав электроды. Следовательно, мы добавляем в систему посторонний компонент. Разобранные выше примеры следует отнести к тому случаю, когда материал электродов инертен. Примером таких электродов являются угольные, или графитовые, т.е. состоящие из аллотропной модификации углерода – графит. В строгом смысле слова, графит не является абсолютно инертным: если на графитовом аноде выделяется кислород, то происходит окисление (и даже выгорание) электрода с образованием углекислого газа.

Существуют примеры растворимых анодов, например, медный анод – в таком случае при электролизе анод будет окисляться и растворяться – для примера посмотрите гальванический элемент Даниэля-Якоби из прошлой лекции срастворимым цинковым анодом .

Пример 1 . Электролиз расплава оксида алюминия. В связи с тем, что оксид алюминия – очень тугоплавкое соединение, проводят электролиз расплава оксида алюминия в криолите – гексафторалюминате натрия Na 3 AlF 6 . Таким образом удается снизить температуру, необходимую для проведения электролиза.

Замечание. Когда смешивают 2 твердых вещества, часто наблюдают депрессию (снижение) температуры плавления, т.е. смесь двух твердых веществ плавится ниже, чем каждое из веществ по отдельности.

Al2 O3 (расплав) 2Al3+ + 3O2- - один из немногих примеров, когда действительно существует оксид-анион

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

Катод (-): Al3+ + 3e -  Al0 . Анод (+): 2 O2- – 4e -  O2 0 .

Общее уравнение электролиза: 2Al2 O3 (расплав) 4 Al0 + 3 O2 0 .

Пример 2 . Электролиз расплава сульфата железа(III)

Fe2 (SO4 )3 (расплав) 2Fe3+ + 3SO4 2- Катод (-): Fe3+ + 3e -  Fe0 .

Анод (+): 2 SO4 2- – 4e -  2 SO3 + O2 0 .

Общее уравнение электролиза: Fe2 (SO4 )3 (расплав) Fe0 + 2 SO3 + O2 0 .

Пример 3 . Электролиз расплава хлорида меди(II)

CuCl2 (расплав) Cu2+ + 2 Cl- Катод (-): Cu2+ + 2e -  Cu0 . Анод (+): 2 Cl- – 2e -  Cl2 0 .

Общее уравнение электролиза: CuCl2 (расплав) Cu0 + Cl2 0 .

Расчеты по уравнениям реакций

Электролиз – химический процесс и может быть выражен посредством уравнений химических реакций. Следовательно, не удивляйтесь, если встретите задания, которые предполагают проведение расчетов.

Задача . При электролизе раствора хлорида меди(II) на одном из электродов (каком?) выделился газ объемом 11,2 л. Какой продукт и в каком количестве (в граммах) выделился на другом электроде?

Решение. Запишем уравнение электролиза раствора хлорида меди(II). CuCl2  Cu2+ + 2Cl-

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

CuCl2  Cu + Cl2

Таким образом, газ, выделившийся на аноде – хлор. Его количество рассчитываем как отношение объема к молярному объему, получаем ½ моль. Согласно уравнению электролиза меди на катоде образовалось такое же количество, т.е. ½ моль. Молярная масса меди 63,55 г/моль, т.е. масса меди примерно 31,8 г.

Коррозия металлов

Уничтожает все кругом: Цветы, зверей, высокий дом, Сжует железо, сталь сожрет И скалы в порошок сотрет. Мощь городов, власть королей Его могущества слабей

Дж. Р.Р. Толкиен. Хоббит, или Туда и обратно

Металлы обладают высокой твердостью и прочностью. Однако и у них есть страшный враг. Его имя – коррозия. Коррозия – процесс разрушения металлов под действием факторов внешней среды. В зависимости от природы различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия – разрушение металла под действием химических веществ, не сопровождающееся возникновением электрического тока. Пример такой коррозии – растворение металла действием кислот. Лучшая иллюстрация – научно-фантастический фильм Стивена Спилберга «Чужой», в котором астронавты сталкиваются с инопланетной формой жизни, жидкая ткань которой представляет сильную кислоту, которая способна разрушить обшивку межпланетного корабля.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металла, при котором в системе возникает электрический ток.

Остановимся на ней подробнее. Для примера возьмем кусок железа, на который попала капля воды. Как Вы знаете, в воде в небольшом количестве растворяется кислород. Получившаяся система моделирует классический гальванический элемент, в котором электроды (катод и анод) сделаны из

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

железа и соединены железным металлическим проводником, причем один электрод опустили в раствор (каплю воды).

Одним из электродов является железный Fe2+ + 2e - = Fe0 , стандартный электродный потенциал железного электрода E0 Fe 2+ /Fe 0 = – 0,44 В.

Другим электродом является железный электрод, на котором происходит реакция восстановления кислорода:

O2 + 2 H2 O + 4e - = 4 OH- , E0 O2 /2OH - = + 0,401 В или O2 + 4 H+ + 4e - = 2 H2 O, E0 O2 /H2O = + 1,229 В

Как мы видим, потенциал второго электрода сильно зависит от pH раствора, однако даже в нейтральной среде вполне достаточен для того,

чтобы окислить железо, т.е. сложившиеся условия вполне достаточны для работы гальванического элемента.

Уравнение процесса:

2 Fe0 + O2 + 2 H2 O = 2 Fe(OH)2 или 2 Fe0 + O2 + 4 H+ = 2 Fe3+ + 2 H2 O.

Таким образом, в некоторой точке нашего куска металла происходит растворение железа (растворимый анод), а на поверхности катода происходит образование гидроксида железа(II). Последний, в свою очередь, реагирует с влажным воздухом, что приводит к появлению бурого, коричневого или оранжевого налета, известного нам под названием ржавчина .

4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2 O = 4 Fe(OH)3

Замечание . Вообще говоря, ржавчина представляет собой смесь оксидов и гидроксидов железа в разной степени окисления,

преимущественно Fe3 O4 (FeO·Fe2 O3 ), Fe2 O3 , Fe(OH)3 .

Итак, вода и кислород обеспечили возможность существования жизни на планете Земля, однако эти же вещества являются страшными врагами железа и других металлов. Более того, процессы коррозии очень чувствительны к температуре окружающей среды: в Северном Ледовитом океане спустя десятки лет находят корпуса военно-морских судов,

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

затонувших в XVI-XX веках, тогда как под жарким солнцем во влажных тропических лесах Амазонки срок службы автотранспорта сокращается до нескольких месяцев.

Итак, коррозия – очень неприятный процесс и способна сильно усложнить и испортить нашу с Вами жизнь. Когда нам что-то угрожает, мы защищаемся.

Самый простой способ защиты – окраска, для того чтобы слой краски защищал металл от влаги. Примеров таких покрытий довольно много: масляные краски, лаки, железный сурик, эмаль. Однако подобная окраска не всегда возможна.

Катодная защита . А что произойдет, если мы на поверхность железа нанесем слой менее активного металла, например олова? Такой процесс называется лужением. При этом чувствительное к кислороду воздуха железо будет спрятано под слоем довольно инертного олова. К сожалению, данная защита эффективна лишь до тех пор, пока защитный слой цел. Если удалось его повредить (химически или механически), то кислород и влага получают доступ к железу, а олово из союзника оказывается вредителем – возникает гальваническая пара железо-олово, т.е. в системе появляется новый, оловянный электрод, который ускоряет коррозию железа:

Пример катодной защиты – консервные банки с мясными или овощными консервами. Помните: защита от коррозии эффективна до тех пор, пока цел защитный слой. Именно поэтому запрещается продажа деформированных (помятых, вогнутых, вздутых и пр.) банок консервов – нет гарантии, что защитный слой невредим, поэтому консервы могут быть опасными для здоровья.

С другой стороны, если в силу обстоятельств неодолимой силы Вы не можете забрать с собой с места пикника банки из-под консервов, их следует обжечь в костре, для того, чтобы нарушить защитный слой. Обожженные

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

консервные банки будут разрушаться быстрее, так как не защищены от действия влаги и воздуха.

Анодная защита , напротив, предполагает контакт железа с более активным металлом. Примером анодной защиты может служить гордость отечественного автопрома – автомобиль ИЖ: «Кузов-то с оцинковкой!». Оцинкованное железо представляет собой сплав, в который добавлен цинк. При контакте с кислородом и водой основной удар принимает на себя более активный металл – цинк, тогда как железо остается инертным. Соответственно коррозия начнется лишь тогда, когда будут исчерпаны резервы защиты. Оцинкованное железо используют для изготовления ведер, кузовов автомобилей, покрытия крыш домов.

На этом месте, если у Вас не возникло вопросов, мы прощаемся с курсом общей химии и открываем новую главу химической науки и школьного курса химии, которая называется Неорганическая химия .

Неорганическая химия. Металлы.

В курсе неорганической химии наша задача – знакомство с химическими свойствами элементов и их соединений и методами их получения.

Поскольку большую часть Периодической системы составляют металлы, мы начнем с них.

1. Положение в Периодической системе. Как Вы знаете, к металлам относят элементы главных подгрупп, находящихся ниже диагонали борастат, а также элементы побочных подгрупп (d-элементы), лантаноиды и актиноиды (f-элементы). Довольно типичным признаком металлов является наличие небольшого количества электронов на внешнем энергетическом

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

уровне. Следовательно, металлы будут склонны отдавать эти электроны

в химических реакциях, т.е. по определению являться восстановителями.

2. Физические свойства металлов Вам также более-менее известны.

Металлы за небольшим исключением представляют собой довольно прочные твердые вещества серого цвета, иногда с блеском. Температуры плавления изменяются в очень широком диапазоне от -39o C (ртуть) до > +3000o C (вольфрам), среди металлов есть мягкие (литий, натрий, золото), которые можно резать ножницами или ножом и очень твердые (ниобий, тантал, вольфрам). Общие свойства металлов обусловлены их строением, в основе которого лежит металлическая кристаллическая решетка, которая образована слоями из атомов и катионов металлов, между которыми находятся относительно свободные электроны (электронный газ). Вследствие подобного строения металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью. Для многих металлов характерна ковкость – способность приобретать определенную форму при механических деформациях без разрушения.

3. Методы получения металлов.

3.1. Наиболее распространенный и относительно простой способ получения чистых металлов – электролиз водных растворов их солей. Данный метод непригоден для получения активных металлов и ограничен получением металлов средней активности и малоактивных металлов.

Примеры см. лекцию 16 .

3.2. Электролиз расплавов солей и оксидов. Данный метод довольно универсален, однако требует значительных затрат энергии и топлива, поэтому применим для получения лишь некоторых конкретных металлов, например, алюминия электролизом расплава оксида алюминия в криолите. Напротив, нет смысла получать таким способом малоактивные металлы, так как они могут быть довольно легко получены методом 3.1. электролизом водных растворов солей.

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

Примеры: см. выше, лекция 17 .

3.3. Благодаря различному расположению металлов в электрохимическом ряду напряжений металлов, менее активные металлы могут быть выделены из растворов солей действием более активных металлов.

В качестве более активных металлов используют металлы средней активности (цинк, железо), но не наиболее активные (натрий, калий), так как последние слишком активны и реагируют преимущественно с водой, а не с солью металла.

Довольно чистую медь получают действием на раствор медного купороса цинковой пыли – при этом образуется мелкодисперсный губчатый осадок металлической меди красного цвета, который очищают от непрореагировавшего цинка обработкой разбавленной соляной кислотой.

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu . (Cu, Zn) + 2 HCl = ZnCl2 + H2 + Cu

3.4. Очень типичным является восстановление металлов из их оксидов. Наиболее известна реакция алюминотермии, когда на оксид металла действуют алюминием при высокой температуре. Например, смесь алюминия с оксидом железа(III) получила название «термит». Поджиг этой смеси запускает реакцию, которая далее происходит самостоятельно и сопровождается выделением большого количества тепла, что нашло применение во взрывотехнике и военном деле, например, для прожигания брони.

Fe2 O3 + 2 Al = Al2 O3 + 2 Fe (требуетсильного нагревания )

3.5. Важным промышленным процессом является выплавка чугуна. Для этого железную руду, которая, в основном, обычно состоит из оксида железа(III), подвергают действию угля (углерод) при высокой температуре.

Лекция 17. Электролиз расплавов. Способы получения металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

Fe2 O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO (высокая температура) CuO + C = Cu + CO (высокая температура)

Как свидетельствуют рисунки, данный метод (куски руды, например CuO или CuS бросали в костер, а затем после остывания собирали слитки металла) был открыт персами еще в III тысячелетии до н.э., которые использовали его для выплавки меди. Для того, чтобы освоить выплавку железа потребовалась ещё тысяча лет, так как выплавка железа требовала более совершенного оборудования: были изобретены кузнечные мехи, для того, чтобы нагнетать в область реакции воздух (кислород) и поддерживать более высокую температуру, необходимую для восстановления железа. В настоящее время выплавку чугуна осуществляют в огромных доменных печах.

Оксид углерода(II) также является восстановителем, однако принято, что основным восстановителем является именно углерод, его больше Fe2 O3 + CO = Fe + CO2 (высокая температура)

CuO + CO = Cu + CO2 (высокая температура)

Данный метод непригоден для выделения из оксидов активных металлов, так как последние способны реагировать с углеродом с образованием карбидов:

2 Al2 O3 + 9 C = 6 CO + = 6 CO + Al4 C3 – карбид алюминия CaO + 3 C = CO + = CO + CaC2 – карбид кальция

MgO + C = CO + = CO + MgC2 + Mg4 C3 – карбиды магния

3.6. Восстановить металлы из оксидов возможно нагреванием в токе водорода, однако данный метод имеет ограниченное применение, так как требуется газообразный водород (при контакте с газообразным

кислородом образуется гремучая смесь – опасность взрыва!), нагрев, метод пригоден для некоторых металлов средней активности и малоактивных металлов.

Решение химических задач
на закон Фарадея в курсе
средней школы

Авторская разработка

Среди великого множества разнообразных химических задач, как показывает практика преподавания в школе, наибольшие затруднения вызывают задачи, для решения которых помимо прочных химических знаний требуется неплохо владеть материалом курса физики. И хотя далеко не в каждой средней школе уделяется внимание решению хотя бы простейших задач с использованием знаний двух курсов – химии и физики, задачи такого типа иногда встречаются на вступительных экзаменах в вузах, где химия является профилирующей дисциплиной. А потому, не разобрав задачи такого типа на уроках, учитель может неумышленно лишить своего ученика шанса на поступление в вуз на химическую специальность.
Эта авторская разработка содержит свыше двадцати задач, так или иначе связанных с темой «Электролиз». Для решения задач данного типа необходимо не только хорошо знать тему «Электролиз» школьного курса химии, но и знать закон Фарадея, который изучается в школьном курсе физики.
Возможно, эта подборка задач не будет интересна абсолютно всем ученикам в классе или всем доступна. Тем не менее задачи данного типа рекомендуется разобрать с группой заинтересованных учащихся на кружковом или факультативном занятии. Можно с уверенностью отметить, что задачи такого типа усложненные и по крайней мере не являются типовыми для школьного курса химии (речь идет о средней общеобразовательной школе), а потому задачи данного типа можно смело включать в варианты школьной или районной химической олимпиады для 10-х или 11-х классов.
Наличие подробного решения для каждой задачи делает разработку ценным подспорьем, особенно для начинающих учителей. Разобрав несколько задач с учащимися на факультативном занятии или занятии кружка, творчески работающий учитель непременно задаст несколько однотипных задач на дом и воспользуется данной разработкой в процессе проверки домашних заданий, что позволит существенно сэкономить бесценное учительское время.

Теоретические сведения по проблеме

Химические реакции, протекающие под действием электрического тока на электродах, помещенных в раствор или расплав электролита, называют электролизом. Рассмотрим пример.

В стаканчике при температуре около 700 °С находится расплав хлорида натрия NaCl, в него погружены электроды. До пропускания через расплав электрического тока ионы Na + и Cl – движутся хаотически, однако при наложении электрического тока движение этих частиц становится упорядоченным: ионы Na + устремляются к отрицательно заряженному электроду, а ионы Cl – – к положительно заряженному электроду.

Ион – заряженный атом или группа атомов, обладающая зарядом.

Катион – положительно заряженный ион.

Анион – отрицательно заряженный ион.

Катод – отрицательно заряженный электрод (к нему движутся положительно заряженные ионы – катионы).

Анод – положительно заряженный электрод (к нему движутся отрицательно заряженные ионы – анионы).

Электролиз расплава хлорида натрия на платиновых электродах

Суммарная реакция:

Электролиз водного раствора хлорида натрия на угольных электродах

Суммарная реакция:

или в молекулярной форме:

Электролиз водного раствора хлорида меди(II) на угольных электродах

Суммарная реакция:

В электрохимическом ряду активности металлов медь расположена правее водорода, поэтому медь и будет восстанавливаться на катоде, а на аноде будет окисляться хлор.

Электролиз водного раствора сульфата натрия на платиновых электродах

Суммарная реакция:

Аналогично происходит электролиз водного раствора нитрата калия (платиновые электроды).

Электролиз водного раствора сульфата цинка на графитовых электродах

Суммарная реакция:

Электролиз водного раствора нитрата железа(III) на платиновых электродах

Суммарная реакция:

Электролиз водного раствора нитрата серебра на платиновых электродах

Суммарная реакция:

Электролиз водного раствора сульфата алюминия на платиновых электродах

Суммарная реакция:

Электролиз водного раствора сульфата меди на медных электродах – электрохимическое рафинирование

Концентрация CuSO 4 в растворе остается постоянной, процесс сводится к переносу материала анода на катод. В этом и заключается сущность процесса электрохимического рафинирования (получение чистого металла).

При составлении схем электролиза той или иной соли нужно помнить, что:

– катионы металлов, имеющие больший стандартный электродный потенциал (СЭП), чем у водорода (от меди до золота включительно), при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде;

– катионы металлов с небольшими значениями СЭП (от лития до алюминия включительно) не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды до водорода;

– катионы металлов, у которых значения СЭП меньше, чем у водорода, но больше, чем у алюминия (от алюминия до водорода), при электролизе на катоде восстанавливаются одновременно с водой;

– если водный раствор содержит смесь катионов различных металлов, например Ag + , Cu 2+ , Fe 2+ , то в этой смеси первым восстановится серебро, затем медь и последним – железо;

– на нерастворимом аноде в процессе электролиза происходит окисление анионов или молекул воды, причем анионы S 2– , I – , Br – , Cl – окисляются легко;

– если в растворе находятся анионы кислородсодержащих кислот , , , , то на аноде окисляются молекулы воды до кислорода;

– если анод растворим, то при электролизе он сам подвергается окислению, т. е. посылает электроны во внешнюю цепь: при отдаче электронов смещается равновесие между электродом и раствором и анод растворяется.

Если из всего ряда электродных процессов выделить только те, которые отвечают общему уравнению

М z + + ze = M,

то получим ряд напряжений металлов . В этот ряд всегда помещают также водород, что позволяет видеть, какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот, а какие нет (табл.).

Таблица

Ряд напряжений металлов

В более простом виде ряд напряжений металлов можно представить так:

Для решения большинства задач на электролиз требуется знание закона Фарадея, формульное выражение которого приведено ниже:

m = M I t /(z F ),

где m – масса выделившегося на электроде вещества, F – число Фарадея, равное 96 485 А с/моль, или 26,8 А ч/моль, М – молярная масса элемента, восстанавливающегося в процессе электролиза, t – время проведения процесса электролиза (в секундах), I – сила тока (в амперах), z – число электронов, участвующих в процессе.

Условия задач

1. Какая масса никеля выделится в процессе электролиза раствора нитрата никеля в течение 1 ч при силе тока 20 А?

2. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата серебра, чтобы в течение 10 ч получить 0,005 кг чистого металла?

3. Какая масса меди выделится при электролизе расплава хлорида меди(II) в течение 2 ч при силе тока 50 А?

4. В течение какого времени нужно проводить процесс электролиза водного раствора сульфата цинка при силе тока 120 А, чтобы при этом получить 3,5 г цинка?

5. Какая масса железа выделится в процессе электролиза раствора сульфата железа(III) при силе тока 200 А в течение 2 ч?

6. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата меди(II), чтобы в течение 15 ч получить 200 г чистого металла?

7. В течение какого времени необходимо проводить процесс электролиза расплава хлорида железа(II) при силе тока 30 А, чтобы при этом получить 20 г чистого железа?

8. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза раствора нитрата ртути(II), чтобы в течение 1,5 ч получить 0,5 кг чистого металла?

9. При какой силе тока необходимо проводить процесс электролиза расплава хлорида натрия, чтобы в течение 1,5 ч получить 100 г чистого металла?

10. Расплав хлорида калия подвергли электролизу в течение 2 ч при силе тока 5 А. Полученный металл прореагировал с водой массой 2 кг. Какой концентрации раствор щелочи получился при этом?

11. Сколько граммов 30%-го раствора соляной кислоты потребуется для полного взаимодействия с железом, полученным при электролизе раствора сульфата железа(III) в течение 0,5 ч при силе тока
10 А?

12. В процессе электролиза расплава хлорида алюминия, проводимого в течение 245 мин при силе тока 15 А, получили чистый алюминий. Сколько граммов железа можно получить алюминотермическим методом при взаимодействии данной массы алюминия с оксидом железа(III)?

13. Сколько миллилитров 12%-го раствора КОН плотностью 1,111 г/мл потребуется для взаимодействия с алюминием (с образованием тетрагидроксиалюмината калия), полученным электролизом раствора сульфата алюминия в течение 300 мин при силе тока 25 А?

14. Сколько миллилитров 20%-го раствора серной кислоты плотностью 1,139 г/мл потребуется для взаимодействия с цинком, полученным электролизом раствора сульфата цинка в течение 100 мин при силе тока 55 А?

15. Какой объем оксида азота(IV) (н.у.) получится при взаимодействии избытка горячей концентрированной азотной кислоты с хромом, полученным электролизом раствора сульфата хрома(III) в течение 100 мин при силе тока 75 А?

16. Какой объем оксида азота(II) (н.у.) получится при взаимодействии избытка раствора азотной кислоты с медью, полученной электролизом расплава хлорида меди(II) в течение 50 мин при силе тока 10,5 А?

17. В течение какого времени необходимо проводить электролиз расплава хлорида железа(II) при силе тока 30 А, чтобы получить железо, необходимое для полного взаимодействия со 100 г 30%-го раствора соляной кислоты?

18. В течение какого времени необходимо проводить электролиз раствора нитрата никеля при силе тока 15 А, чтобы получить никель, необходимый для полного взаимодействия с 200 г 35%-го раствора серной кислоты при нагревании?

19. Расплав хлорида натрия подвергли электролизу при силе тока 20 А в течение 30 мин, а расплав хлорида калия подвергли электролизу в течение 80 мин при силе тока 18 А. Оба металла растворили в 1 кг воды. Найдите концентрацию щелочей в полученном растворе.

20. Магний, полученный электролизом расплава хлорида магния в течение 200 мин при силе тока
10 А, растворили в 1,5 л 25%-го раствора серной кислоты плотностью 1,178 г/мл. Найдите концентрацию сульфата магния в полученном растворе.

21. Цинк, полученный электролизом раствора сульфата цинка в течение 100 мин при силе тока

17 А, растворили в 1 л 10%-го раствора серной кислоты плотностью 1,066 г/мл. Найдите концентрацию сульфата цинка в полученном растворе.

22. Железо, полученное электролизом расплава хлорида железа(III) в течение 70 мин при силе тока 11 А, превратили в порошок и погрузили в 300 г 18%-го раствора сульфата меди(II). Найдите массу меди, выпавшей в осадок.

23. Магний, полученный электролизом расплава хлорида магния в течение 90 мин при силе тока
17 А, погрузили в раствор соляной кислоты, взятый в избытке. Найдите объем и количество выделившегося водорода (н.у.).

24. Раствор сульфата алюминия подвергли электролизу в течение 1 ч при силе тока 20 А. Сколько граммов 15%-го раствора соляной кислоты потребуется для полного взаимодействия с полученным алюминием?

25. Сколько литров кислорода и воздуха (н.у.) потребуется для полного сжигания магния, полученного электролизом расплава хлорида магния в течение 35 мин при силе тока 22 А?

Ответы и решения см. в следующих номерах

В связи с появлением некоего газа, вызывающего мгновенный обжигающий кашель. Данная статья - идентификация этого газа. Статья изобилует формулами; количество формул обусловлено нетривиальностью как самого процесса электролиза, так и самой ржавчины. Химики и химички, помогайте довести статью до полного соответствия реальности; это ваш долг: заботиться о братьях "меньших" при химической опасности.

Пусть есть железо Fe 0:
- если бы на Земле не было воды, то прилетел бы кислород - и сделал оксид: 2Fe + O 2 = 2FeO (черный). Оксид окисляется дальше: 4FeO + O 2 = 2Fe 2 O 3 (красно-бурый). FeO 2 не существует, это выдумки школьников; а вот Fe 3 O 4 (черный) вполне реален, но искусственен: подача перегретого пара на железо или восстановление Fe 2 O 3 водородом при температуре примерно 600 градусов;
- но на Земле есть вода - в итоге и железо, и оксиды железа стремятся превратиться в основание Fe(OH) 2 (белое?!. На воздухе быстро темнеет - уж не пункт ли ниже): 2Fe + 2H 2 O + O 2 = 2Fe(OH) 2 , 2FeO + H 2 O = 2Fe(OH) 2 ;
- дальше еще хуже: на Земле есть электричество - все названные вещества стремятся превратиться в основание Fe(OH) 3 (бурое) из-за наличия влаги и разности потенциалов (гальваническая пара). 8Fe(OH) 2 + 4H 2 O + 2O 2 = 8Fe(OH) 3 , Fe 2 O 3 + 3H 2 O = 2Fe(OH) 3 (медленно). То есть, если железо хранить в сухой квартире - ржавеет потихоньку, но держится; повысить влажность или намочить - станет хуже, а в землю воткнуть - совсем плохо будет.

Приготовление раствора для электролиза - тоже интересный процесс:
- сначала проводится анализ имеющихся веществ для приготовления растворов. Почему кальцинированная сода и вода? Кальцинированная сода Na 2 CO 3 содержит металл Na, который стоит намного левее водорода в ряде электрических потенциалов - значит, при электролизе металл не будет восстанавливаться на катоде (в растворе, но не в расплаве), а вода будет разлагаться на водород и кислород (в растворе). Всего 3 варианта реакции раствора: металлы сильно левее водорода не восстанавливаются, слабо левее водорода восстанавливаются с выделением H 2 и O 2 , правее водорода - просто восстанавливаются на катоде. Вот он, процесс омеднения поверхности деталей в растворе CuSo 4 , оцинковке в ZnCl 2 , никелирования в NiSO 4 + NiCl 2 и т.д.;
- разводить в воде кальцинированную соду стоит в безветрии, не спеша и не дыша. Пакет не рвать руками, а разрезать ножницами. Ножницы после этого нужно положить в воду. Любая из четырех видов соды (пищевая, кальцинированная, стиральная, едкий натр) забирает влагу из воздуха; ее срок годности, по сути, определяется временем накопления влаги и комкованием. Т.е., в стеклянной банке срок хранения - вечность. Также любая сода порождает раствор гидроксида натрия при смешивании с водой и электролизе, отличаясь только концентрацией NaOH;
- смешивается кальцинированная сода с водой, раствор становится голубоватого цвета. Казалось бы, прошла химическая реакция - а вот нет: как в случае с поваренной солью и водой, раствор не имеет химической реакции, а имеет лишь физическую: растворение твердого вещества в жидком растворителе (воде). Данный раствор можно выпить и получить отравление легкой-средней тяжести - ничего смертельного. Или выпарить и получить кальцинированную соду обратно.

Выбор анода и катода - целая затея:
- анод желательно выбрать твердым инертным материалом (чтоб не разрушался, в т.ч. от кислорода, и не участвовал в химических реакциях) - именно поэтому в роли него выступает нержавейка (начитался ереси в интернете, чуть не отравился);
- именно чистое железо является катодом, иначе ржавчина будет выступать чрезмерно высоким сопротивлением электрической цепи. Чтобы поместить очищаемое железо полностью в раствор, нужно припаять или прикрутить его к какому-нибудь другому железу. Иначе металл держателя железа сам примет участие растворе как неинертный материал и как участок цепи с наименьшим сопротивлением (параллельное соединение металлов);
- пока не уточнено, но должна быть зависимость протекающего тока и скорости электролиза от площади поверхности анода и катода. То есть, одного болта из нержавейки M5x30 может не хватить для быстрого снятия ржавчины с двери автомобиля (для реализации всего потенциала электролиза).

Пусть для примера возьмем инертные анод и катод: рассмотрение электролиза только голубого раствора. Как только подается напряжение - раствор начинает преображаться до конечного: Na 2 CO 3 + 4H 2 O = 2NaOH + H 2 CO 3 + 2H 2 + O 2 . NaOH - гидроксид натрия - бешеная щелочь, едкий натр, Фредди Крюгер в кошмарном сне: малейший контакт этого сухого вещества с влажными поверхностями (кожа, легкие, глаза и т.д.) вызывает адскую боль и быстрые необратимые (но восстановимые при легкой степени ожога) повреждения. К великому счастью, гидроксид натрия растворен в угольной кислоте H 2 CO 3 и воде; когда вода окончательно испарится водородом на катоде и кислородом на аноде - образуется максимальная концентрация NaOH в угольной кислоте. Этот раствор ни пить, ни нюхать уже категорически нельзя, совать пальцы тоже нельзя (чем дольше электролиз - тем больше жжет). Можно прочистить им трубы, при этом понимая его высокую химическую активность: если трубы пластиковые - можно и подержать часа 2, но если металлические (заземленные, кстати) - и трубы съедать начнет: Fe + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 , Fe + H 2 CO 3 = FeCO 3 + H 2 .

Это первая из возможных причин удушливого "газа", физико-химический процесс: насыщение воздуха раствором концентрированного едкого натра в угольной кислоте (кипящими пузырьками кислорода и водорода как носителями). В книгах 19 века угольная кислота идет как отравляющее вещество (в большом количестве). Именно поэтому водители, устанавливающие АКБ в салоне автомобиля, получают повреждения от серной кислоты (по сути, тот же электролиз): в процессе сверхтока на сильно разряженную АКБ (автомобиль не имеет ограничения по току) электролит кратковременно вскипает, серная кислота выходит вместе с кислородом и водородом в салон. Если же помещение сделать полностью герметичным - из-за кислород-водородной смеси (гремучий газ) можно получить неплохой бабах с разрушением помещения. На ролике показан бабах в миниатюре : вода под действием расплавленной меди разлагается на водород и кислород, а металл более 1100 градусов (представляю, как жахнет полностью заполненная им комната)... О симптомах вдыхания NaOH: едкий, ощущение жжения, боли в горле, кашель, затрудненное дыхание, одышка; симптомы могут быть отсроченными. По ощущениям вполне подходит.
...при этом Владимир Вернадский пишет о том, что жизнь на Земле без растворенной в воде угольной кислоты невозможна.

Заменяем катод на ржавую железку. Начинается целая серия веселых химических реакций (и вот он, борщ!):
- ржавчина Fe(OH) 3 и Fe(OH) 2 , как основания, начинают реагировать с угольной кислотой (выделяемой на катоде), получая сидерит (красно-бурый): 2Fe(OH) 3 + 3H 2 CO 3 = 6H 2 O + Fe 2 (CO3) 3 , Fe(OH) 2 + H 2 CO 3 = FeCO 3 + 2(H 2 O). Оксиды железа не участвуют в реакции с угольной кислотой, т.к. нет сильного нагрева, а кислота слабая. Также электролиз не восстанавливает железо на катоде, т.к. основания эти - не раствор, а анод - не железный;
- едкий натр, как основание, не реагирует с основаниями. Необходимые условия для Fe(OH) 2 (амфотерный гидроксид): NaOH>50% + кипение в атмосфере азота (Fe(OH) 2 + 2NaOH = Na2). Необходимые условия для Fe(OH) 3 (амфотерный гидроксид): сплавление (Fe(OH) 3 + NaOH = NaFeO 2 + 2H 2 O). Необходимые условия для FeO: 400-500 градусов (FeO+4NaOH=2H 2 O+Na 4 FeO 3). А, может, с FeO идет реакция? FeO + 4NaOH = Na 4 FeO 3 + 2H 2 O - но только при температуре 400-500 градусов. Ну хорошо, может, гидроксид натрия удаляет часть железа - и ржавчина просто отваливается? Но и тут облом: Fe + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 - но при кипении в атмосфере азота. Какого же фига раствор едкого натра без электролиза удаляет ржавчину? А никак он не удаляет (я сливал именно прозрачный раствор едкого натра из "ашана"). Он удаляет жир, а в моем случае с кусочком матиза растворил краску и грунтовку (стойкость грунтовки к NaOH есть в ее ТТХ) - что обнажило чистую железную поверхность, ржавчина просто отпала. Вывод: кальцинированная сода нужна только для получения кислоты электролизом, которая очищает металл, забирая ржавчину на себя в ускоренном темпе; гидроксид натрия как бы не при делах (но будет реагировать с мусором в составе катода, очищая его).

О сторонних веществах после электролиза:
- раствор изменил свой цвет, стал "грязным": с прореагировавшими основаниями Fe(OH) 3 , Fe(OH) 2 ;
- черный налет на железе. Первая мысль: карбид железа Fe 3 C (карбид трижелеза, цементит), нерастворимый в кислотах и кислороде. Но условия не те: для его получения нужно подать температуру 2000 градусов; и в химических реакциях нет свободного углерода, который мог бы присоединиться к железу. Вторая мысль: один из гидридов железа (насыщение железа водородом) - но и это неверно: не те условия получения. А потом дошло: оксид железа FeO, основной оксид не реагирует ни с кислотой, ни с едким натром; а также Fe 2 O 3 . А амфотерные гидроксиды находятся слоями выше основных оксидов, защищая металл от дальнейшего проникновения кислорода (не растворяются в воде, препятствуют доступу воды и воздуха к FeO). Можно отчищенные детали положить в лимонную кислоту: Fe 2 O 3 + C 6 H 8 O 7 = 2FeO + 6CO + 2H 2 O + 2H 2 (особое внимание на выделение угарного газа и на то, что кислота и металл ест при контакте) - а FeO снимается обычной щеткой. А если нагреть высший оксид в угарном газе и при этом не угореть - то он восстановит железо: Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2 ;
- белые хлопья в растворе: некие соли, нерастворимые при электролизе ни в воде, ни в кислоте;
- прочие вещества: железо изначально "грязное", вода изначально не дистиллированная, растворение анода.

Вторая из возможных причин удушливого "газа", физико-химический процесс: железо, как правило, не чистое - с оцинковкой, грунтовкой и прочими сторонними веществами; а вода - с минералами, сульфатами и т.д. Их реакция при электролизе носит непредсказуемый характер, в воздух может выделяться что угодно. Однако мой кусочек был настолько мал (0.5x100x5), и вода водопроводная (слабо минерализованная) - эта причина маловероятна. Также отпала идея наличия посторонних веществ в самой кальцинированной соде: на упаковке в составе указана только она.

Третья из возможных причин удушливого газа, химический процесс. Если катод восстанавливается, то анод обязан разрушаться окислением, если не инертный. Нержавеющая сталь содержит в себе около 18% хрома. И этот хром при разрушении попадает в воздух в виде шестивалентного хрома или его оксида (CrO 3 , хромовый ангидрид, красноватый - далее речь о нем), сильного яда и канцерогена с отсроченным катализом рака легких. Летальная доза 0.08г/кг. Воспламеняет бензин при комнатной температуре. Выделяется при сварке нержавеющей стали. Ужас в том, что симптомы у него такие же, как у гидроксида натрия при вдыхании; и гидроксид натрия уже кажется безобидным зверьком. Судя по описанию случаев возникновения хотя бы бронхиальной астмы, нужно поработать кровельщиком 9 лет, дыша этой отравой; однако описывается явный отсроченный эффект - то есть, может выстрелить и через 5, и через 15 лет после однократного отравления.

Как проверить, выделялся ли хром из нержавейки (куда - вопрос останется). Болт после реакции стал более блестящим, по сравнению с таким же болтом из той же партии - плохой признак. Как выяснилось, нержавейка является таковой, пока существует оксид хрома в виде защитного покрытия. Если оксид хрома был разрушен окислением при электролизе - значит, такой болт будет ржаветь интенсивнее (свободное железо среагирует, а потом хром в составе нетронутой нержавейки окислится до CrO). Поэтому создал все условия для ржавления двух болтов: соленая вода и температура раствора 60-80 градусов. Нержавеющая сталь марки A2 12Х18Н9 (Х18Н9): она содержит в себе 17-19% хрома (а в нержавеющих сплавах железо-никелевых хрома еще больше, до ~35%). Один из болтов порыжел в нескольких местах, все места - в зоне контакта нержавейки с раствором! Самый рыжий - по линии соприкосновения с раствором.

И мое счастье, что сила тока была тогда всего 0.15А при электролизе, была закрыта кухня и открыто окно в ней. В сознании четко впечаталось: исключить нержавейку из электролиза или делать это на открытой местности и на расстоянии (нет нержавейки без хрома, это ее легирующий элемент). Потому что нержавейка НЕ является инертным анодом при электролизе: растворяется и выделяет ядовитый оксид хрома; диванные химики, убейтесь об стену, пока от ваших советов кто-нибудь не сдох! Остался вопрос, в каком виде, сколько и куда; но с учетом выделения на аноде именно чистого кислорода, CrO уже точно окисляется до промежуточного оксида Cr 3 O 2 (тоже ядовит, ПДК 0.01мг/м 3), а далее - до высшего оксида CrO 3: 2Cr 2 O 3 + 3O 2 = 4CrO 3 . Последнее остается предположением (необходимая щелочная среда присутствует, но нужен ли сильный нагрев для данной реакции), но лучше перестраховаться. Даже анализы крови и мочи на хром сложно сделать (отсутствуют в прайсах, нет даже в расширенном общем анализе крови).

Инертный электрод - графит. Надо в троллейбусное депо зайти, с выброшенных щеток поснимать. Потому что даже на алиэкспрессе по 250 рублей за штырь. И это самый дешевый из инертных электродов.

А вот еще 1 реальный пример, когда диванный электроник привел к материальным потерям . И к правильным знаниям, правда. Как и в этой статье. Польза от диванных пустословов? - вряд ли, они сеют хаос; и приходится подтирать за ними.

Склоняюсь к первой причине удушливого "газа": испарение в воздух раствора гидроксида натрия в угольной кислоте. Потому что при оксидах хрома используют именно шланговые противогазы с механической подачей воздуха - я бы задохнулся в своем жалком РПГ-67, однако в нем было дышать ощутимо легче в самом эпицентре.
Как проверить наличие оксида хрома в воздухе? Запустить процесс разложения воды в чистом растворе кальцинированной соды на графитовом аноде (выковырять из карандаша, но не каждый карандаш содержит именно чистый графитовый стержень) и железном катоде. И рискнуть еще раз вдохнуть воздух на кухне через 2.5 часа. Логично? Почти: симптомы едкого натра и шестивалентного оксида хрома идентичные - наличие едкого натра в воздухе не докажет отсутствие паров шестивалентного хрома. Однако отсутствие запаха без нержавейки четко выдаст результат присутствия шестивалентного хрома. Проверил, запах был - фразу с надеждой "ура! Я дышал едким натром, а не шестивалентным хромом!" можно растаскивать на анекдоты.

Что еще забыли:
- как существует кислота и щелочь вместе в одном сосуде? По идее, должны возникнуть соль и вода. Здесь очень тонкий момент, который можно понять только экспериментально (не проверял). Если разложить всю воду при электролизе и изолировать раствор от солей в осадке - варианта 2: останется либо раствор едкого натра, либо едкого натра с угольной кислотой. Если последняя есть в составе - начнется выделение соли в нормальных условиях и выпадение... кальцинированной соды: 2NaOH + H 2 CO 3 = Na 2 CO 3 + 2H 2 О. Проблема в том, что она в воде растворится тут же - жаль, на вкус нельзя попробовать и сравнить с исходным раствором: вдруг едкий натр не весь прореагировал;
- взаимодействует ли угольная кислота с самим железом? Вопрос серьезный, т.к. образование угольной кислоты происходит именно на катоде. Проверить можно, создав более концентрированный раствор и делать электролиз до тех пор, пока тонкий кусочек металла полностью не растворится (не проверял). Электролиз проходит как более щадящий метод снятия ржавчины, чем травление кислотой;
- какие симптомы вдыхания гремучего газа? Никаких + нет ни запаха, ни цвета;
- реагирует ли едкий натр и угольная кислота с пластиком? Сделать идентичный электролиз в пластиковой и стеклянной таре и сравнить мутность раствора и прозрачность поверхности тары (не проверял на стекле). Пластик - стал менее прозрачным в местах соприкосновения с раствором. Однако это оказались соли, легко счищаемые пальцем. Стало быть, пищевой пластик с раствором не реагирует. Стекло используют для хранения концентрированных и щелочей, и кислот.

Если много надышались обжигающего газа, независимо, NaOH это или CrO 3 - нужно принять "унитиол" или аналогичный препарат. И действует общее правило: какое бы отравление ни произошло, какой бы силы и происхождения оно ни было, - пить много воды в последующие 1-2 суток, если позволяют почки. Задача: убрать токсин из организма, и если рвотой или отхаркиванием этого не сделать - дать дополнительные возможности сделать это печени и мочевой системе.

Самое обидное, что это все школьная программа 9 класса. Блин, мне 31 год - и я не сдам ЕГЭ...

Электролиз интересен тем, что он поворачивает время вспять:
- раствор NaOH и H 2 CO 3 в нормальных условиях приведет к образованию кальцинированной соды, электролиз же инвертирует эту реакцию;
- железо в естественных условиях окисляется, а при электролизе восстанавливается;
- водород и кислород стремятся соединиться как угодно: смешаться с воздухом, сгореть и стать водой, впитаться или среагировать с чем-нибудь; электролиз же, наоборот, порождает газы различных веществ в чистом виде.
Локальная машина времени, не иначе: возвращает положение молекул веществ в исходное состояние.

Согласно формулам реакций, раствор из порошкового едкого натра опаснее при его создании и электролизе, но эффективнее в отдельных ситуациях:
- для инертных электродов: NaOH + 2H 2 O = NaOH + 2H 2 + O 2 (раствор является источником чистого водорода и кислорода без примесей);
- интенсивнее реагирует с органическими материалами, отсутствует угольная кислота (быстрый и дешевый обезжириватель);
- если и в качестве анода взять железо - оно начнет растворяться на аноде и восстанавливаться на катоде, утолщая слой железа на катоде при отсутствии угольной кислоты. Это - способ восстановления материала катода или покрытие его другим металлом тогда, когда под рукой нет раствора с нужным металлом. Снятие ржавчины, по мнению экспериментаторов, тоже идет быстрее, если анодом сделать железо в случае с кальцинированной содой;
- но концентрация NaOH в воздухе при испарении будет выше (еще нужно решить, что опаснее: угольная кислота с едким натром или влага с едким натром).

Ранее я писал об образовании, что куча времени теряется зря в школе и вузе. Эта статья не отменяет этого мнения, потому что рядовому человеку не пригодится в жизни матан, органическая химия или квантовая физика (только на работе, и когда мне потребовался матан спустя лет 10 - я его учил заново, совсем ничего не помнил). А вот неорганическая химия, электротехника, физические законы, русский и иностранный языки - это то, что должно быть приоритетным (еще бы ввести психологию взаимодействия полов и основы научного атеизма). Вот, учился не на факультете электроники; а потом бац, приперло, - и Visio научился пользоваться, и MultiSim и часть обозначений элементов выучил, и т.д. Если бы учился даже на факультете психологии - результат был бы тем же самым: приперло в жизни - вгрызся - разобрался. Но если бы в школе на естественных науках и языках был усилен акцент (и объяснили юным людям, почему усилен) - жить было бы проще. Что в школе, что в институте на химии: про электролиз рассказали (теория без практики), а про ядовитость паров - нет.

Напоследок пример получения чистых газов (с помощью инертных электродов): 2LiCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2LiOH. То есть, сначала травимся чистейшим хлором, а потом взрываемся водородом (опять к вопросу безопасности выделяемых веществ). Если бы был раствор CuSO 4 , а катод железом - металл бы из основания выбыл и оставил кислородсодержащий кислотный остаток SO4 2- , он не участвует в реакциях. Если бы кислотный остаток не содержал кислород - он бы разложился на простые вещества (что и видно на примере C 1 - , выделяющийся как Cl 2).

(добавлено 24.05.2016) Если нужно вскипятить NaOH со ржавчиной для их взаимной реакции - почему бы нет? Азота в воздухе 80%. Эффективность снятия ржавчины возрастет в разы, однако тогда точно этот процесс нужно делать на открытом воздухе.

О наводораживании металла (повышение хрупкости): не нашел никаких формул и адекватных мнений на эту тему. Если будет возможность - поставлю электролиз металла на несколько суток, добавляя реагент, - а потом постучу молотком.

(добавлено 27.05.2016) Графит можно вытащить из использованной солевой батарейки. Если будет упорно сопротивляться разборке - деформировать ее в тисках.

(добавлено 10.06.2016) Наводораживание металла: H + + e - = H адс. H адс + H адс = H 2 , где АДС - адсорбция. Если металл обладает при необходимых условиях растворять в себе водород (вот это номер!) - то он его в себе растворяет. Условия возникновения для железа не обнаружены, а для стали описаны в книге Шрейдера А.В. "Влияние водорода на химическое и нефтяное оборудование". На рисунке 58 стр. 108 есть график марки 12Х18Н10Т: при давлении, сравнимым с атмосферным, и температурой 300-900 градусов: 30-68см 3 /кг. На рисунке 59 указаны зависимости для иных марок сталей. Общая формула наводораживания стали: K s = K 0 · e -∆H/2RT , где K 0 - предэкспоненциальный множитель 1011л/моль·с, ∆H - теплота растворения стали ~1793K), R - универсальная газовая постоянная 8.3144598Дж/(моль·K), T - температура среды. В итоге при комнатной температуре 300K имеем K s = 843л/моль. Число не корректное, нужно перепроверить параметры.

(добавлено 12.06.2016) Если едкий натр не взаимодействует с металлами без высокой температуры - это безопасный (для металла) обезжириватель поддонов, кастрюль и прочего (железо, медь, нержавейка - но не алюминий, тефлон, титан, цинк).

С наводораживанием - уточнения. Предэкспоненциальный множитель K 0 лежит в диапазоне 2.75-1011л/моль·с, это не постоянная величина. Вычисление его для нержавеющей стали: 10 13 · C m 2/3 , где C m - атомная плотность стали. Атомная плотность нержавеющей стали 8 · 10 22 ат/см 3 - K 0 = 37132710668902231139280610806.786ат./см 3 = - а дальше все, залип.

Если всмотреться в графики Шрейдера, можно сделать примерный вывод о наводораживании стали в НУ (уменьшение температуры в 2 раза замедляет процесс в 1.5 раза): примерно 5.93см 3 /кг при 18.75 градусов Цельсия - но не указано время проникновения в металл такого объема. В книге Сухотина А.М., Зотикова В.С. "Химическое сопротивление материалов. Справочник" на станице 95 в таблице 8 указано влияние водорода на длительную прочность сталей. Оно позволяет понять, что наводораживание сталей водородом под давлением 150-460 атмосфер изменяет предел длительной прочности максимум в 1.5 раза на промежутке 1000-10000 часов. Поэтому не стоит рассматривать наводораживание сталей при электролизе в НУ как разрушающий фактор.

(добавлено 17.06.2016) Хороший способ разборки батарейки: не сплющивать корпус, а распускать как бутон тюльпана. От плюсового входа по кусочку отгибать вниз части цилиндра - плюсовой вход снимается, графитовый стержень оголяется - и плавно выкручивается пассатижами.

(добавлено 22.06.2016) Самые простые батарейки для разборки - ашановские. А то в некоторых моделях попадаются 8 кружков пластика для фиксации графитового стержня - его становится трудно вытащить, начинает крошиться.

(добавлено 05.07.2016) Сюрприз: графитовый стержень разрушается гораздо быстрее, чем анод из металла: буквально за несколько часов. Использование нержавейки в роли анода является оптимальным решением, если забыть о токсичности. Вывод из всей этой истории прост: электролиз проводить только на открытом воздухе. Если в этой роли будет открытый балкон - не открывать окна, а провода пропустить через резиновый уплотнитель двери (просто прижать провода дверью). С учетом тока при электролизе до 8А (интернет-мнение) и до 1.5А (мой опыт), а также максимального напряжения БП ПК 24В, - провод должен быть рассчитан на 24В/11А - это любой провод в изоляции сечением 0.5мм 2 .

Теперь об оксиде железа на уже обработанной детали. Бывают детали, в которые сложно подлезть, чтобы стереть черный налет (или предмет на реставрации, когда железной щеткой нельзя тереть поверхность). При разборе химических процессов наткнулся на способ его снятия лимонной кислотой и опробовал его. Действительно, он работает и с FeO - налет исчез/осыпался на протяжение 4 часов при комнатной температуре, а раствор позеленел. Но такой способ считается менее щадящим, т.к. кислота и металл подъедает (нельзя передерживать, постоянный контроль). Плюс требуется конечная промывка раствором соды: или остатки кислоты подъедят металл на воздухе, и получится нежелательное покрытие (шило на мыло). И нужно быть внимательным: если с Fe 2 O 3 выделяется аж 6CO, то что выделяется с FeO - предсказать сложно (кислота органическая). Предполагается, что FeO + C 6 H 8 O 7 = H 2 O + FeC 6 H 6 O 7 (образование цитрата железа) - но у меня и газ выделяется (3Fe + 2C 6 H 8 O 7 → Fe 3 (C 6 H 5 O 7) 2 + 3H 2). Еще пишут, что лимонная кислота разлагается на свету и температуре - не найду никак корректной реакции.

(добавлено 06.07.2016) Попробовал лимонную кислоту на толстом слое ржавчины на гвоздях - растворила за 29 часов. Как и предполагал: лимонная кислота годится именно для доочистки металла. Для очистки толстой ржавчины: применять высокую концентрацию лимонной кислоты, высокую температуру (вплоть до кипения), частое помешивание - для ускорения процесса, что неудобно.

Раствор кальцинированной соды после электролиза, на практике, сложно поддается регенерации. Непонятно: воды доливать или соды досыпать. Добавление поваренной соли, как катализатора, убило раствор полностью + графитовый анод разрушился буквально через час.

Итого: электролизом снимается грубая ржавчина, лимонной кислотой дотравливается FeO, деталь омывается содовым раствором - и получается почти чистое железо. Газ при реакции с лимонной кислотой - CO 2 (декарбоксилирование лимонной кислоты), темноватый налет на железе - цитрат железа (счищается легко-средне, не выполняет никаких защитных функций, растворим в теплой воде).

В теории, для восстановления монет данные способы снятия оксидов подойдут идеально. Разве что более слабые пропорции реагентов нужны для меньшей концентрации раствора и меньшие токи.

(добавлено 09.07.2016) Проводил эксперименты с графитом. Именно при электролизе кальцинированной соды он разрушается крайне быстро. Графит есть углерод, при растворении в момент электролиза он может реагировать со сталью и выпадать карбидом железа Fe 3 C. Условие 2000 градусов не выполняется, однако электролиз не есть НУ.

(добавлено 10.07.2016) При электролизе кальцинированной соды с помощью графитовых стержней нельзя повышать напряжение выше 12В. Возможно, потребуется и более низкое значение - следите за временем разрушения графита на вашем напряжении.

(добавлено 17.07.2016) Открыл метод локального снятия ржавчины .

(добавлено 25.07.2016) Вместо лимонной кислоты можно использовать щавелевую.

(добавлено 29.07.2016) Марки стали A2, A4 и прочие пишутся английскими буквами: импортная и от слова "austenitic".

(добавлено 11.10.2016) Оказывается, существует еще 1 тип ржавчины: метагидроксид железа FeO(OH). Образуется при закапывании железа в землю; на Кавказе использовали данный метод ржавления полосового железа, чтобы насытить его углеродом. Через 10-15 лет полученная высокоуглеродистая сталь становилась саблями.