При электролизе на аноде могут происходить различные процессы в зависимости от того, состоит ли анод из металла, переходящего в раствор, или из инертного материала. Для изготовления инертных анодов чаще всего используют платину, реже иридий, золото и тантал. Весьма инертными являются угольные (графитовые) электроды, которые широко применяются в электрохимической технологии (они разрушаются только фтором и кислородом).
Пример.
При электролизе расплава хлорида натрия используют аноды из графита, поскольку продукты анодного окисления – Cl и Cl2
Cl– – e– = Cl0; 2Cl0 = Cl2
этот электрод не разрушают.
Многие технологические методы основаны на непосредственном химическом участии анодов (помимо физического переноса электронов) в электрохимическом процессе. Такие методы называются электролиз с растворимым анодом.
В качестве растворимых анодов могут быть медь, никель, кадмий, алюминий, и другие металлы. При этом виде электролиза анод-металл окисляется (растворяется), образующиеся катионы металла перемещаются к катоду и на нем восстанавливаются до металла. Таким образом, металл растворимого анода осаждается на катоде.
Электролиз с растворимым анодом имеет важное техническое значение, в частности он широко применяется для очистки металлов – электрорафинирование.
При электрорафинировании меди в электролизер с раствором CuSO4 устанавливают в качестве анодов пластины из очищаемой черновой (технической) меди с содержанием основного вещества не более 99%, а в качестве катодов – пластины из особо чистой меди. При прохождении электрического тока в электролизере идут следующие электродные полупроцессы:
Анод (окисление): Cu (техническая) – 2e– = Cu2+
Катод (восстановление): Cu2+ + 2e– = Cu (особо чистая)
На аноде медь, которая подлежит очистке, переходит в форме ионов Cu2+ в раствор (анодное окисление), а равное число ионов Cu2+ из раствора осаждается на катод (катодное восстановление). В отличие от электролиза с инертным анодом при электролизе с растворимым анодом на аноде не выделяется газообразный кислород.
При электрорафинировании меди примеси более благородных металлов (Ag, Au и др.) и неметаллические примеси (оксиды, малорастворимые соли и др.) на растворимом аноде не окисляются и поэтому не переходят в раствор в форме катионов. Эти примеси собираются в виде слоя шлама на дне электролизера. Примеси менее благородных металлов (Pb, Fe, Zn, и др.) также, как и медь, окисляются на аноде и переходят в раствор, но не восстанавливаются на катоде (и не загрязняют катодный продукт – очищенную медь), т.к. для разряда их катионов требуется более высокое напряжение, чем для разряда ионов Cu2+. Таким образом удается получить особо чистую медь – электролитическую медь.
Растворимые аноды используются в большинстве методов гальванотехники. Электролитическое производство покрытий металлами основано на катодном восстановлении. Покрываемое металлом изделие служит катодом в электролизной ячейке. В качестве анода используется металл, который применяется для покрытия. Это выгодно потому, что концентрация электролита в растворе остается примерно постоянной в течение всего процесса, т.к. число катионов этого металла, разряжаемых на катоде, восполняется за счет окисления того же числа атомов металла на аноде и перехода их в раствор в форме катионов.
Пример.
При гальваническом серебрении применяют растворимый анод, изготовленный из серебра. Изделие, поверхность которого покрывается серебром, размещают в растворе соли серебра(I) и подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока. Протекают следующие электродные полу-процессы:
Анод: Ag0 – e– = Ag+
Катод: Ag+ + e– = Ag0
Электролитическое нанесение оксидной (защитной) пленки на алюминий (анодированный алюминий) основано на анодном окислении. Изделие из алюминия, на котором хотят получить защитную пленку, используется в качестве анода в растворе подходящего электролита, например, в разбавленном растворе серной кислоты, которая электролизу в этих условиях не подвергается и поэтому не расходуется. На электродах происходит электролиз воды с образованием атомных водорода и кислорода; водород H2 выделяется на катоде, а атомный кислород реагирует с материалом анода – алюминиевого изделия с образованием оксида алюминия:
2Al + 3O = Al2O3
В результате имеющаяся уже на поверхности алюминия естественная оксидная пленка искусственно утолщается; такая пленка хорошо предохраняет остальной металл от окисления.
Электролитическая обработка металлов является современным технологическим методом получения изделий из металлов, трудно поддающихся обработке резанием (высоколегированные стали, твердые металлы). Заготовку, предназначенную для обработки, и инструмент погружают в раствор электролита (какой-нибудь соли); заготовку подсоединяют к положительному полюсу источника тока, а инструмент – к отрицательному полюсу. На заготовке протекает анодное окисление, т.е. часть ее материала переходит в раствор (при этом на инструменте-катоде выделяется водород). Электрохимическим методом проводят обработку металлов сверлением, резанием, точением, зенкованием и шлифовкой.