Cos'è l'elettrolisi e dove si applica?

La questione di cosa sia l'elettrolisi è stata discussa fin dal corso scolastico di fisica e non è un segreto per la maggior parte delle persone. Un'altra cosa è la sua importanza e applicazione pratica. Questo processo è usato con grande vantaggio in varie industrie e può essere utile per il tuttofare di casa.

Cos'è l'elettrolisi?

L'elettrolisi è un complesso di processi specifici in un sistema di elettrodi ed elettroliti attraversato da una corrente elettrica costante. Il suo meccanismo si basa sulla generazione di una corrente ionica. L'elettrolita è un conduttore di tipo 2 (conducibilità ionica) in cui avviene la dissociazione elettrolitica. Questo comporta la decomposizione in ioni con positivo (cation) e negativo (anione) carica.

Un sistema di elettrolisi contiene necessariamente un positivo (anodo) e un negativo (catodo) elettrodo. Quando viene applicata una corrente elettrica continua, i cationi si muovono verso il catodo e gli anioni verso l'anodo. I cationi sono principalmente ioni metallici e idrogeno, e gli anioni sono ossigeno e cloro. Al catodo, i cationi guadagnano elettroni in eccesso, permettendo così la reazione di riduzione Men+ + ne → Me (dove n è la valenza del metallo). All'anodo, al contrario, gli elettroni sono restituiti dall'anione, e la reazione di ossidazione ha luogo.

Così, il processo redox è assicurato nel sistema. Ciò che è importante, tuttavia, è che il processo richiede energia. Questa deve essere fornita da una fonte di corrente esterna.

Le leggi di Faraday sull'elettrolisi

Il grande fisico M. Faraday non solo ha reso possibile con le sue ricerche capire la natura dell'elettrolisi, ma anche fare i calcoli necessari per realizzarla. Nel 1832 apparvero le sue leggi, che collegavano i principali parametri dei processi in corso.

La prima legge

La prima legge di Faraday afferma che la massa di una sostanza ridotta all'anodo è direttamente proporzionale alla carica elettrica indotta nell'elettrolita: m = kq = k*I*t, dove q è la carica, k è il coefficiente o equivalente elettrochimico della sostanza, I è la corrente che scorre attraverso l'elettrolita e t è il tempo del flusso di corrente.

Seconda legge

La seconda legge di Faraday ha permesso di determinare il coefficiente di proporzionalità k. Si legge: l'equivalente elettrochimico di qualsiasi sostanza è direttamente proporzionale alla sua massa molare e inversamente proporzionale alla sua valenza. La legge è espressa nella forma:

k = 1/F*A/zdove F è la costante di Faraday, A è la massa molare della sostanza, z è la sua valenza chimica.

Tenendo conto di entrambe le leggi, possiamo ricavare la formula finale per calcolare la massa della sostanza depositata sull'elettrodo: m = A*I*t/(n*F)dove n è il numero di elettroni coinvolti nell'elettrolisi. Di solito n corrisponde alla carica dello ione. Da un punto di vista pratico, è importante mettere in relazione la massa della sostanza con la corrente applicata, il che permette di controllare il processo variandone la forza.

Elettrolisi delle fusioni

Una variante dell'elettrolisi consiste nell'utilizzare una colata come elettrolita. In questo caso solo gli ioni di fusione sono coinvolti nel processo elettrolitico. Un esempio classico è l'elettrolisi del sale fuso NaCl (sale da cucina). Gli ioni negativi corrono verso l'anodo, il che significa che viene rilasciato del gas (Cl). Al catodo ci sarà una riduzione del metallo, cioè la deposizione di Na puro, formato dagli ioni positivi, che hanno attirato gli elettroni in eccesso. Altri metalli possono essere prodotti in modo simile (K, Ca, Li ecc.) dalla dissoluzione dei rispettivi sali.

Nell'elettrolisi fusa, gli elettrodi non subiscono la dissoluzione, ma partecipano solo come fonte di corrente. Metallo, grafite e alcuni semiconduttori possono essere utilizzati nella loro fabbricazione. È importante che il materiale abbia una conduttività sufficiente. Uno dei materiali più comuni è il rame.

Caratteristiche dell'elettrolisi in soluzione

L'elettrolisi in una soluzione acquosa è molto diversa dall'elettrolisi in fusione. Qui ci sono 3 processi concorrenti: l'ossidazione dell'acqua che sprigiona ossigeno, l'ossidazione dell'anione e la dissoluzione anodica del metallo. Il processo coinvolge gli ioni d'acqua, l'elettrolita e l'anodo. Di conseguenza, la riduzione dell'idrogeno, dei cationi dell'elettrolita e del metallo anodico può avvenire al catodo.

La capacità di questi processi concorrenti di verificarsi dipende dal potenziale elettrico del sistema. Solo il processo che richiede meno energia esterna avrà luogo. Pertanto, i cationi con il potenziale di elettrodo più alto saranno ridotti al catodo, e gli anioni con il potenziale più basso saranno ossidati all'anodo. Il potenziale elettrodico dell'idrogeno è preso come "0". Per esempio, nel potassio è uguale a (-2,93 В), il sodio è (-2,71 В), piombo (-0,13 В), e per l'argento è (+0,8 В).

Elettrolisi nei gas

Il gas può agire come elettrolita solo se è presente uno ionizzatore. In questo caso, la corrente scorre attraverso il mezzo ionizzato, provocando il processo necessario agli elettrodi. Le leggi di Faraday non si applicano all'elettrolisi del gas. Tali condizioni sono necessarie per la sua realizzazione:

1. Né l'alta tensione né l'alta corrente possono aiutare senza una ionizzazione artificiale del gas.
2. Solo gli acidi gassosi senza ossigeno e alcuni gas sono adatti all'elettrolisi.

Importante! Il processo procederà in modo simile all'elettrolisi in un elettrolita liquido se le condizioni necessarie sono soddisfatte.

Caratteristiche dei processi che avvengono al catodo e all'anodo

Per l'applicazione pratica dell'elettrolisi, è importante capire cosa succede ai due elettrodi quando viene applicata una corrente elettrica. I seguenti processi sono caratteristici:

1. Catodo. Gli ioni caricati positivamente si precipitano verso di esso. È qui che avviene la riduzione dei metalli o il rilascio di idrogeno. Si possono distinguere diverse categorie di metalli in base alla loro attività cationica. Metalli come Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al sono ridotti bene solo da sali fusi. Se si usa una soluzione, l'idrogeno viene rilasciato attraverso l'elettrolisi dell'acqua. I seguenti metalli possono essere recuperati in soluzione, ma con una concentrazione sufficiente di cationi - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Il processo è più semplice per Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anodo. Gli ioni caricati negativamente sono alimentati a questo elettrodo. Quando si ossidano, prendono elettroni dal metallo, il che porta alla loro dissoluzione anodica, cioè Gli anioni sono convertiti in ioni caricati positivamente che sono diretti verso il catodo. Gli anioni sono anche suddivisi secondo la loro attività. Solo gli anioni PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F possono essere scaricati dalle fusioni. In soluzioni acquose, non subiscono l'elettrolisi, ma l'acqua con il rilascio di ossigeno. Gli anioni che reagiscono più facilmente sono OH, Cl, I, S e Br.

Quando si fa l'elettrolisi, è importante considerare la tendenza del materiale dell'elettrodo a ossidarsi. Si fa una distinzione tra anodi inerti e attivi. Gli elettrodi inerti sono fatti di grafite, carbonio o platino e non sono coinvolti nella fornitura di ioni.

Fattori che influenzano il processo di elettrolisi

Il processo di elettrolisi dipende dai seguenti fattori

1. La composizione dell'elettrolita. Un'influenza significativa è esercitata dalle diverse impurità. Questi sono divisi in 3 tipi - cationi, anioni e organici. Le sostanze possono essere più o meno negative del metallo di base, e questo interferisce con il processo. Tra le impurità organiche ci sono inquinanti (per esempio oli) e tensioattivi. Le loro concentrazioni sono ai valori massimi consentiti.
2. Densità di corrente. Secondo la legge di Faraday, la massa della sostanza depositata aumenta con la forza della corrente. Tuttavia, si verificano circostanze sfavorevoli - polarizzazione concentrata, tensione aumentata, riscaldamento intenso dell'elettrolita. Con questo in mente, ci sono valori ottimali per la densità di corrente in ogni caso.
3. pH elettrolitico. Anche l'acidità del mezzo è selezionata tenendo conto dei metalli. Per esempio, il pH ottimale per lo zinco è 140g/cc.
4. Temperatura dell'elettrolito. Questo ha un effetto ambiguo. Con l'aumento della temperatura il tasso di elettrolisi aumenta, ma anche l'attività delle impurità. C'è una temperatura ottimale per ogni processo. Di solito è tra i 38 e i 45 gradi.

Importante! L'elettrolisi può essere accelerata o rallentata da diverse influenze e dalla scelta della composizione dell'elettrolita. Per ogni applicazione c'è un regime diverso che deve essere rigorosamente rispettato.

Dove si usa l'elettrolisi?

L'elettrolisi è usata in molte applicazioni. Ci sono diverse applicazioni principali che possono essere utilizzate per ottenere risultati pratici.

Galvanotecnica

I rivestimenti metallici sottili e resistenti possono essere applicati per elettrolisi. L'oggetto rivestito è posto in un bagno come catodo e l'elettrolita contiene un sale del metallo desiderato. Ecco come si può rivestire l'acciaio con zinco, cromo o stagno.

Elettro raffinazione - raffinazione del rame

Un esempio di un processo di elettrotrattamento sarebbe catodo - rame puro anodo - rame con impurità, elettrolita - soluzione acquosa di solfato di rame. Il rame dell'anodo è convertito in ioni e depositato al catodo senza impurità.

Estrazione del metallo

Per estrarre i metalli dai sali, i metalli vengono fusi e poi elettrolizzati nella fusione. Questo processo è abbastanza efficace nel recupero dell'alluminio dalla bauxite, dal sodio e dal potassio.

Anodizzazione

In questo processo il rivestimento è fatto da composti non metallici. L'esempio classico è l'anodizzazione dell'alluminio. La parte in alluminio è montata come un anodo. L'elettrolita è una soluzione di acido solforico. Come risultato dell'elettrolisi, sull'anodo si deposita uno strato di ossido di alluminio che ha proprietà protettive e decorative. Le tecnologie di cui sopra sono ampiamente utilizzate in diverse industrie. È anche possibile eseguire i processi con le proprie mani e in modo sicuro.

Costi energetici

L'elettrolisi richiede una grande quantità di energia. Il processo avrà un valore pratico se la corrente anodica è sufficiente, il che richiede l'applicazione di una significativa corrente continua dalla fonte di alimentazione. Inoltre, produce perdite di tensione laterali - sovratensioni anodiche e catodiche, e perdite nell'elettrolita dovute alla sua resistenza. L'efficienza di un impianto si determina mettendo in relazione la potenza dell'energia immessa con l'unità di massa utile della sostanza ottenuta.

L'elettrolisi è stata a lungo utilizzata nell'industria con un'alta efficienza. L'anodizzazione e la galvanoplastica sono diventate comuni nella vita di tutti i giorni, e l'estrazione e la lavorazione dei materiali aiutano a estrarre molti metalli dal minerale. Il processo può essere pianificato e calcolato conoscendo i suoi schemi di base.

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