Электролитическое выделение металлов из расплавов

Цементацию можно назвать электрохимическим процессом, который часто называют внутренним электролизом. Т.е. электрохимические процессы, вызванные передачей электронов одним металлом другому, могут вызвать протекание электрического тока.

Если электрохимические процессы могут вызвать протекание электрического тока, то, наоборот, воздействие электрического тока может вызвать протекание электрохимических процессов.

3. Электролитическое выделение металлов (электрометаллургия)

Наиболее распространенным способом выделения металлов из растворов является электролиз с нерастворимыми анодами.

Электролизом или электролитическим выделением (в данном случае металла), называются химические явления, возникающие при прохождении постоянного электрического тока через раствор (расплав) электролита.

В раствор электролита, например CuSO₄, погружаются два проводника (электрода), соединенные с источником тока и помещенные на некотором расстоянии друг от друга. Таким образом, на некотором участке ток проходит через раствор соединения металла. При прохождении тока через раствор протекает ряд электрохимических процессов, в результате которых на одном электроде (отрицательном) — катоде осаждается металл, на другом (положительном) - аноде выделяются другие продукты (в водных растворах большей частью выделяется кислород).

Если электролизу подвергается сернокислый раствор, в котором металл присутствует в виде ионов Ме⁺², то они разряжаются у катода и образуют кристаллический осадок на катоде, т. е. у катода происходит реакция:

Me⁺² + 2e = Me⁰

У анода происходит образование серной кислоты, сопровождающееся выделением кислорода:

SO₄^2- + Н₂O - 2e = SO₄^2- +2Н⁺ + 1/2О₂.

По мере осаждения металла на катоде в процессе электролиза, концентрация его в растворе уменьшается, содержание же серной кислоты постепенно увеличивается.

Таков, например, процесс электролитического осаждения меди:

2CuSO₄ + 2Н₂О = 2Сu + О₂ + 2Н₂SO₄.

На основании закона Фарадея для осаждения одного грамм-эквивалента какого-либо иона необходимо употребить 96500 кулонов. Это количество электричества осаждает 63,6 г меди из солей одновалентной меди и половину этого количества из солей двухвалентной меди, например CuSO₄.

Некоторые металлы нельзя выделить цементацией и электролизом из водных растворов. К таким металлам относятся в частности алюминий, магний и другие легкие металлы.

Причина невозможности выделения алюминия, магния и других металлов из водных растворов заключается в том, что эти металлы обладают большим электроотрицательным потенциалом. Попытка цементации алюминия из его соединения в водном растворе другим металлом с еще большим электроотрицательным потенциалом; (например натрием) приведет к тому, что вместо алюминия будет выделяться водород, причем будет выделяться ранее, чем алюминий. Выделение алюминия начнется только тогда, когда в растворе не будет водорода, а это произойдет лишь тогда, когда в смеси с алюминиевой солью не будет воды. Таким образом, из водных растворов выделение алюминия невозможно.

По этой же причине невозможно электролитическое выделения алюминия из водных растворов - на катоде будет выделяться более электроположительный металл - газообразный водород, который будет выделяться до полного исчезновения воды.

Для выделения металлических алюминия, магния и др. прибегают к электролизу соединений их в расплавленном состоянии, большей частью вместе с другими веществами. Расплавление смесей делает возможным проведение процесса электролиза, что практически невозможно для тех же соединений в их твердом агрегатном состоянии.

Для проведения электролиза в расплавленном состоянии, соединения алюминия и магния (оксид алюминия Al₂O₃, хлористый магний MgCl₂) выделяют из растворов различными приемами, тщательно обезвоживают эти вещества и подвергают электролизу в расплавленных средах. В качестве основной добавки при электролитическом получении алюминия из оксида алюминия (глинозема) применяют криолит Na₃AlF₆, который в расплавленном состоянии является растворителем для глинозема. При электролизе; протекают процессы, результат которых можно представить уравнением

А1₂О₃ + Na₃AlF₆ + ток =

= 2А1 (на катоде) + 1,5О₂ (на аноде) + Na₃AlF₆ (в расплаве).

При электролитическом получении магния из хлористого магния обычной добавкой является хлористый калий, иногда прибавляют другие соединения (хлористые барий и кальций, фтористый натрий и др.). Получение металлического магния электролитическим путем можно представить уравнением:

MgCl₂ + добавки + ток =

= Mg (на катоде) + С1₂ (на аноде) + добавки (в расплаве).