Тапсырмалар № 18, 20 · ЕГЭ

Применение электролиза

Получение веществ, очистка металлов и нанесение покрытий с помощью электролиза

6 мин чтенияҚиындық: Обновлено 29 қыркүйек 2026

Электролиз применяют не только для изучения превращений ионов, но и в промышленности: получают активные металлы и галогены, очищают металлы от примесей, наносят защитные и декоративные покрытия. Перед изучением этой страницы полезно повторить основы электролиза, а также правила электролиза растворов с инертными электродами.

1. Электролиз как промышленный процесс

Электролиз проводят в электролизёре — устройстве с электролитом и двумя электродами, подключёнными к источнику постоянного тока. Катод соединён с отрицательным полюсом, анод — с положительным. Катионы движутся к катоду и восстанавливаются, анионы движутся к аноду и окисляются.

Электролиз

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах под действием электрического тока. На катоде всегда идёт восстановление, на аноде — окисление.

Выбор продуктов

На катоде восстанавливается частица, для которой разряд возможен преимущественно в данных условиях; на аноде окисляется частица электролита или материал анода. Поэтому результат зависит от агрегатного состояния вещества, состава раствора и активности электродов.

В расплавах отсутствует вода, поэтому конкурировать с ионами воды нечему. В растворах вода может восстанавливаться до водорода или окисляться до кислорода. Для точного определения продуктов используют полуреакции электролиза и электронный баланс.

2. Получение веществ электролизом

Расплавы солей применяют для получения веществ, которые нельзя выделить из водных растворов: активных металлов и некоторых неметаллов. Например, при электролизе расплава хлорида натрия на катоде образуется натрий, а на аноде — хлор.

2NaCl → 2Na + Cl₂Электролиз расплава хлорида натрия: на катоде \(Na^+ + e^- -> Na\), на аноде \(2Cl^- - 2e^- -> Cl_2\).

Промышленное получение алюминия проводят электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите. Криолит снижает температуру процесса и улучшает электропроводность. Образующийся алюминий собирается в нижней части электролизёра, а угольные аноды постепенно расходуются.

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂Суммарное уравнение электролиза оксида алюминия; в реальном электролизёре кислород взаимодействует с угольным анодом.

Водные растворы используют, когда нужный продукт не реагирует с водой или может быть осаждён на электроде. Например, при электролизе раствора сульфата меди(II) с медными электродами медь переносится с анода на катод.

CuSO₄ → Cu + SO₄На катоде и аноде протекают реакции \(Cu^{2+} + 2e^- -> Cu\) и \(Cu - 2e^- -> Cu^{2+}\); сульфат-ионы остаются в растворе.

Микро-проверка

Какое вещество получают на катоде при электролизе расплава \(MgCl_2\)?

3. Количественные расчёты: закон Фарадея

Количество вещества, выделившегося на электроде, определяется зарядом, прошедшим через электролит, и числом электронов в полуреакции. Сила тока \(I\) показывает заряд, проходящий за единицу времени, поэтому заряд равен произведению силы тока на время.

\[Q=It\]

\[n(e^-)=\frac{Q}{F}=\frac{It}{F}\]

Здесь \(Q\) — электрический заряд в кулонах, \(I\) — сила тока в амперах, \(t\) — время в секундах, \(F\approx96500\ \mathrm{Кл/моль}\) — постоянная Фарадея. Если для образования одной частицы требуется \(z\) электронов, то количество вещества продукта равно:

\[n(\text{продукта})=\frac{It}{zF}\]

Массу находят по молярной массе \(M\):

\[m=\frac{MIt}{zF}\]

В реальном процессе часть тока расходуется на побочные реакции. Тогда учитывают выход по току: подробные задачи разобраны на странице выход по току.

\[m=\frac{MIt\eta}{zF}\]

Здесь \(η\) — выход по току в долях единицы, например \(90\% = 0{,}90\). В задачах на несколько продуктов удобно применять электронный баланс при электролизе или сравнивать количество электронов в полуреакциях.

№

Пример: масса меди на катоде

Через раствор соли меди(II) пропускали ток силой \(2{,}0\ \mathrm{А}\) в течение \(30\) минут. Определим массу меди, если выход по току равен \(100\%\). Молярная масса меди \(M(Cu)=64\ \mathrm{г/моль}\).

Записываем катодную полуреакцию и определяем число электронов.

\(\displaystyle Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu,\quad z=2\)

Переводим время в секунды.

\(\displaystyle t=30\cdot60=1800\ \mathrm{с}\)

Находим количество вещества электронов.

\(\displaystyle n(e^-)=\frac{It}{F}=\frac{2{,}0\cdot1800}{96500}\approx0{,}0373\ \mathrm{моль}\)

На один моль меди нужны два моль электронов.

\(\displaystyle n(Cu)=\frac{0{,}0373}{2}\approx0{,}0187\ \mathrm{моль}\)

Вычисляем массу меди.

\(\displaystyle m(Cu)=nM=0{,}0187\cdot64\approx1{,}20\ \mathrm{г}\)

Частые ошибки

Не подставляйте минут вместо секунд; не забывайте коэффициент \(z\); не путайте катод и анод; при выходе по току в процентах сначала делите его на \(100\%\). Также нельзя автоматически считать, что в растворе всегда выделяется металл: иногда вместо катиона металла восстанавливается вода.

4. Очистка металлов электрорафинированием

Электрорафинирование применяют для получения металлов высокой чистоты, особенно меди, никеля, свинца и цинка. Нерафинированный металл служит анодом, пластина из чистого металла — катодом, а раствор содержит соль этого металла.

На аноде атомы основного металла окисляются и переходят в раствор: \(Me - ne^- \rightarrow Me^{n+}\).
Катионы основного металла восстанавливаются на катоде: \(Me^{n+}+ne^- \rightarrow Me\).
Растворимые примеси могут перейти в раствор, а менее активные примеси оседают на дне в виде анодного шлама.

При рафинировании меди медь переносится с анода на катод, а золото, серебро и платина обычно не растворяются и накапливаются в анодном шламе. Более активные примеси, например железо и цинк, могут растворяться, но при подходящем режиме не осаждаются на катоде.

Cu(грязный)анод, окислениеCu²⁺катод, восстановлениеCu(чистый)

Перенос меди с загрязнённого анода на чистый катод.

5. Нанесение металлических покрытий

Гальваническое покрытие — осаждение тонкого слоя металла на поверхности изделия электролизом. Покрытие защищает от коррозии, износа и придаёт поверхности нужный вид. Изделие обязательно делают катодом: именно на нём восстанавливаются катионы металла покрытия.

Покрытие	Катод	Анод и электролит	Назначение
Медь	Изделие	Медный анод и раствор соли меди	Защита, улучшение проводимости
Никель	Изделие	Никелевый анод и раствор соли никеля	Твёрдость и защита от коррозии
Серебро	Изделие	Күміс анод и раствор соли серебра	Декоративное покрытие и проводимость

Перед покрытием поверхность очищают и обезжиривают: иначе металл будет отслаиваться. Толщина покрытия зависит от заряда, площади поверхности, концентрации электролита и выхода по току. В отличие от электрорафинирования, цель здесь — не очистить анодный металл, а покрыть катодное изделие.

Как быстро определить электрод

В любой электролитической ячейке ищите не знак, а процесс: где идёт восстановление — катод, где окисление — анод. В гальваническом покрытии изделие является катодом, а анод часто делают из того же металла, который наносят.

Жылдам тест по теме

Проверь себя

~ 2 мин4 вопроса

Вопрос 1 / 4

Вопрос 1 из 4 · электроды

Какой процесс происходит на катоде?

Главное за минуту

Главное

Электролиз основан на восстановлении на катоде и окислении на аноде; знак электрода зависит от источника тока.
Расплавы применяют для получения активных металлов и галогенов, растворы — для получения, очистки и нанесения покрытий.
Основная количественная связь: \(m=\frac{MIt\eta}{zF}\); время обязательно переводят в секунды.
При электрорафинировании загрязнённый металл — анод, чистый металл осаждается на катоде.
При гальваническом покрытии изделие — катод, а покрывающий металл осаждается на его поверхности.