Электро́лиз (от электро… и …лиз), процесс образования химических продуктов на электродах, контактирующих со средой с ионной проводимостью, при протекании электрического тока. Первые научные опыты по электролизу относятся к началу 19 в.: электролиз воды (английский врач А. Карлейль и английский химик У. Николсон, 1800), выделение свинца, меди, олова электролизом смесей оксидов этих металлов (В. В. Петров, 1803), получение металлического натрия и калия (Г. Дэви, 1807). В промышленных масштабах электролиз стал возможен после изобретения динамо-машины.

В результате электролиза на катоде происходит восстановление, на аноде – окисление компонентов. Компонентами среды могут являться растворитель, ионы электролита, растворённые газы или материал электрода. При электролизе необходимо пространственное разделение катода и анода. Средой с ионной проводимостью могут служить водные и неводные растворы электролитов, расплавленные электролиты, твёрдые электролиты.

Электролиз.Электролиз.

Kuno Toming / ShutterstockKuno Toming / Shutterstock

Пример электролиза

Рассмотрим электролиз водного раствора сульфата меди, в котором присутствуют ионы Cu²⁺, SO₄^2– и молекулы H₂O. На катоде происходит реакция $Cu^{2+} + 2e→Cu^0$. Ионы меди, присоединяя электроны, превращаются в металлическую медь. На нерастворимом аноде (например, свинце) происходит окисление воды с выделением кислорода: $H_2O - 2e→0,5O_2 + 2H^+$. Ионы SO₄^2– переносят заряд, но в электродной реакции не участвуют. Если используют растворимый медный анод, то протекает реакция $Cu^0 - 2e→Cu^{2+}$. Этот процесс применяют при рафинировании металлов, а также в гальванотехнике. Электролиз проводят в специальных аппаратах – электролизёрах или электролизных ваннах. Производительность электролизёра зависит от силы тока ($I$, А), природа продуктов определяется многими факторами: составом раствора, плотностью тока ($i$, А/м²), потенциалом электрода ($E$, В), его материалом и рядом других параметров.

Количество продукта электролиза (металла, газа, различных химических соединений) можно рассчитать по закону Фарадея: $m_F=M_q/(Fn)$, где $m_F$ – масса вещества, выделившегося на электроде (кг); $M$ – атомная или молекулярная масса продукта (кг/моль); $n$ – число электронов, участвующих в реакции; $F$ – постоянная Фарадея (96485 Кл/моль); $q=It$ – количество прошедшего электричества (Кл); $t$– продолжительность электролиза (с). Величина $M/(Fn)=k$ – т. н. электрохимический эквивалент вещества (кг/Кл). Например, количество осаждённой меди при силе тока 5 А и продолжительности электролиза 120 мин равно: m_F = [0,064 / (96485·2)]·5·120·60 = 0,012 кг. Если на получение основного продукта расходуется только часть электричества, то вводится коэффициент выхода по току ($B_т$), который рассчитывают из соотношения $B_т=m_{пр}/m_F$, где $m_{пр}$ – масса вещества, полученного практически. Важный технико-экономический показатель электролиза – удельный расход электроэнергии ($W_{yд}$, Дж/кг), его величина рассчитывается по формуле: $W_{yд}=U_Э/(kB_т)$, где $U_Э$ – напряжение на электролизёре (В), которое складывается из разности потенциалов анода, катода и падения напряжения в электролите между электродами. В технике $W_{yд}$ измеряют в кВт·ч/кг.

Применение

С помощью электролиза производят (электрометаллургия) и рафинируют (электрорафинирование) практически все металлы. Алюминий, магний, щелочные, щёлочноземельные и редкие металлы получают из расплавов; медь, никель, цинк и ряд других – из водных растворов. Электролиз применяется в гальванотехнике, при электрохимической обработке металлов, изготовлении печатных плат и др. В химической промышленности электролиз используется в производстве хлора, щелочей, водорода, кислорода, пероксида водорода и других окислителей, в электросинтезе органических соединений. Электролиз находит применение в самых различных областях человеческой деятельности: науке (например, для аналитических целей – электрохимические методы анализа), медицине (лекарственный электрофорез), изобразительном искусстве (гальванопластика, нанесение защитно-декоративных покрытий – золочение и другие способы металлизации).