Che cos'è l'elettrolisi e dove viene utilizzata?

La domanda su cosa sia l'elettrolisi è considerata nel corso di fisica della scuola e per la maggior parte delle persone non è un segreto. Un'altra cosa è la sua importanza e l'applicazione pratica. Questo processo viene utilizzato con grande beneficio in vari settori e può essere utile per l'artigiano domestico.

Cos'è l'elettrolisi?

L'elettrolisi è un complesso di processi specifici nel sistema di elettrodi ed elettroliti quando una corrente elettrica continua scorre attraverso di esso. Il suo meccanismo si basa sul verificarsi di una corrente ionica. L'elettrolita è un conduttore di tipo 2 (conducibilità ionica) in cui si verifica la dissociazione elettrolitica. È associato alla decomposizione in ioni con positivo (catione) e negativo (anione) carica.

Il sistema di elettrolisi contiene necessariamente un positivo (anodo) e negativo (catodo) elettrodo. Quando viene applicata una corrente elettrica continua, i cationi iniziano a muoversi verso il catodo e gli anioni verso l'anodo. I cationi sono principalmente ioni metallici e idrogeno e gli anioni sono ossigeno, cloro. Al catodo, i cationi attaccano a se stessi gli elettroni in eccesso, il che assicura il verificarsi della reazione di riduzione Men+ + ne → Me (dove n è la valenza del metallo). All'anodo, invece, viene donato un elettrone dall'anione con una reazione ossidativa in atto.

Pertanto, nel sistema viene fornito un processo redox. È importante considerare che per il suo flusso è necessaria un'energia adeguata. Deve essere fornito da una fonte di corrente esterna.

Leggi di Faraday dell'elettrolisi

Il grande fisico M. Faraday, con le sue ricerche, ha permesso non solo di comprendere la natura dell'elettrolisi, ma anche di effettuare i calcoli necessari per la sua attuazione. Nel 1832 apparvero le sue leggi, che legavano i parametri principali dei processi in corso.

Prima legge

La prima legge di Faraday afferma che la massa della sostanza che viene 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 forza della corrente che scorre attraverso l'elettrolita, t è il tempo di passaggio della corrente.

Seconda legge

La seconda legge di Faraday permetteva di determinare il coefficiente di proporzionalità k. Suona così: l'equivalente elettrochimico di qualsiasi sostanza è direttamente proporzionale alla sua massa molare e inversamente proporzionale alla valenza. La legge si esprime come:

k = 1/F*A/z, dove 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, è possibile ricavare la formula finale per il calcolo della massa depositata sull'elettrodo della sostanza: 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 la connessione tra la massa di una sostanza e la corrente applicata, che consente di controllare il processo modificandone la forza.

Sciogliere l'elettrolisi

Una delle opzioni per l'elettrolisi è l'uso di un fuso come elettrolita. In questo caso, solo gli ioni fusi partecipano al processo di elettrolisi. Un classico esempio è l'elettrolisi del sale fuso NaCl (sale). Gli ioni negativi corrono verso l'anodo, il che significa che il gas viene rilasciato (cl). La riduzione del metallo avverrà al catodo, cioè deposizione di Na puro formato da ioni positivi che hanno attratto elettroni in eccesso. Altri metalli possono essere ottenuti in modo simile (K, Ca, Li, ecc.) dalla strage dei sali corrispondenti.

Durante l'elettrolisi in una fusione, gli elettrodi non subiscono dissoluzione, ma partecipano solo come fonte di corrente. Nella loro fabbricazione, puoi usare metallo, grafite, alcuni semiconduttori. È importante che il materiale abbia una conduttività sufficiente. Uno dei materiali più comuni è il rame.

Caratteristiche dell'elettrolisi nelle soluzioni

L'elettrolisi in una soluzione acquosa differisce significativamente da una fusione. Qui hanno luogo tre processi in competizione: ossidazione dell'acqua con evoluzione di ossigeno, ossidazione anionica e dissoluzione anodica del metallo. Gli ioni di acqua, elettrolita e anodo sono coinvolti nel processo.Di conseguenza, al catodo può verificarsi una riduzione di idrogeno, cationi elettrolitici e metallo anodico.

La possibilità che si verifichino questi processi concorrenti dipende dall'entità dei potenziali elettrici del sistema. Andrà avanti solo il processo che richiede meno energia esterna. Di conseguenza, i cationi con il potenziale massimo dell'elettrodo verranno ridotti al catodo e gli anioni con il potenziale più basso verranno ossidati all'anodo. Il potenziale dell'elettrodo dell'idrogeno è preso come "0". Ad esempio, per il potassio è (-2,93 V), sodio - (-2,71 V), piombo (-0,13 V), mentre l'argento ha (+0,8 V).

Elettrolisi nei gas

Il gas può svolgere il ruolo di elettrolita solo in presenza di uno ionizzatore. In questo caso, la corrente che passa attraverso il mezzo ionizzato provoca il processo necessario sugli elettrodi. Tuttavia, le leggi di Faraday non si applicano all'elettrolisi del gas. Per la sua attuazione sono necessarie le seguenti condizioni:

1. Senza la ionizzazione artificiale del gas, né l'alta tensione né l'alta corrente aiuteranno.
2. Solo gli acidi che non contengono ossigeno e sono allo stato gassoso e alcuni gas sono adatti per l'elettrolisi.

Importante! Quando le condizioni necessarie sono soddisfatte, il processo procede in modo simile all'elettrolisi in un elettrolita liquido.

Caratteristiche dei processi che si verificano al catodo e all'anodo

Per l'applicazione pratica dell'elettrolisi, è importante capire cosa succede a entrambi gli elettrodi quando viene applicata una corrente elettrica. I processi tipici sono:

1. catodo. Gli ioni caricati positivamente si precipitano ad esso. Qui avviene la riduzione dei metalli o l'evoluzione dell'idrogeno. Esistono diverse categorie di metalli in base all'attività cationica.Metalli come Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al sono ben ridotti solo dai sali fusi. Se viene utilizzata una soluzione, l'idrogeno viene rilasciato a causa dell'elettrolisi dell'acqua. È possibile ottenere una riduzione in soluzione, ma con una concentrazione sufficiente di cationi, per i seguenti metalli: Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Il processo procede più facilmente per Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anodo. Gli ioni caricati negativamente entrano in questo elettrodo. Ossidati, prendono gli elettroni dal metallo, che porta alla loro dissoluzione anodica, cioè transizione in ioni caricati positivamente, che vengono inviati al catodo. Gli anioni sono anche classificati in base alla loro attività. Tali anioni PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F possono essere scaricati solo dai fusi Nelle soluzioni acquose, non sono quelli che subiscono l'elettrolisi, ma l'acqua con rilascio di ossigeno. Anioni come OH, Cl, I, S, Br reagiscono più facilmente.

Quando si garantisce l'elettrolisi, è importante tenere conto della tendenza del materiale dell'elettrodo a ossidarsi. A questo proposito spiccano gli anodi inerti e attivi. Gli elettrodi inerti sono realizzati in grafite, carbonio o platino e non partecipano alla fornitura di ioni.

Fattori che influenzano il processo di elettrolisi

Il processo di elettrolisi dipende dai seguenti fattori:

1. Composizione elettrolitica. Varie impurità hanno un effetto significativo. Sono divisi in 3 tipi: cationi, anioni e sostanze organiche. Le sostanze possono essere più o meno negative del metallo di base, che interferisce con il processo. Tra le impurità organiche spiccano gli inquinanti (es. oli) ei tensioattivi. La loro concentrazione ha valori massimi ammessi.
2. densità corrente. Secondo le leggi di Faraday, la massa della sostanza depositata aumenta con l'aumentare della forza attuale. Tuttavia, sorgono circostanze sfavorevoli: polarizzazione concentrata, aumento della tensione, intenso riscaldamento dell'elettrolita. Con questo in mente, ci sono valori di densità di corrente ottimali per ogni caso specifico.
3. pH elettrolitico. Anche l'acidità dell'ambiente viene selezionata tenendo conto dei metalli. Ad esempio, il valore ottimale dell'acidità dell'elettrolita per lo zinco è 140 g/cu.dm.
4. Temperatura dell'elettrolito. Ha un effetto ambiguo. Con un aumento della temperatura, aumenta la velocità dell'elettrolisi, ma aumenta anche l'attività delle impurità. C'è una temperatura ottimale per ogni processo. Di solito è nell'intervallo di 38-45 gradi.

Importante! L'elettrolisi può essere accelerata o rallentata da varie influenze e dalla scelta della composizione dell'elettrolita. Ogni applicazione ha il proprio regime, che deve essere rigorosamente rispettato.

Dove viene utilizzata l'elettrolisi?

L'elettrolisi è utilizzata in molte aree. Ci sono diverse aree principali di utilizzo per ottenere risultati pratici.

Galvanostegia

Una placcatura di metallo sottile e durevole può essere applicata mediante elettrolisi. Il prodotto da rivestire viene installato nella vasca sotto forma di catodo e l'elettrolita contiene un sale del metallo desiderato. Quindi puoi coprire l'acciaio con zinco, cromo o stagno.

Elettroraffinazione - raffinazione del rame

Un esempio di pulizia elettrica può essere la seguente opzione: catodo - rame puro anodo - rame con impurità, elettrolita - una soluzione acquosa di solfato di rame. Il rame dell'anodo passa negli ioni e si deposita nel catodo già senza impurità.

Estrazione di metalli

Per ottenere metalli dai sali, vengono trasferiti nella massa fusa e quindi viene fornita l'elettrolisi. Un tale metodo è abbastanza efficace per ottenere alluminio da bauxiti, sodio e potassio.

Anodizzazione

In questo processo, il rivestimento è costituito da composti non metallici. Un classico esempio è l'anodizzazione dell'alluminio. La parte in alluminio è installata come 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. Queste tecnologie sono ampiamente utilizzate in vari settori. Puoi eseguire i processi con le tue mani nel rispetto delle norme di sicurezza.

Costi energetici

L'elettrolisi richiede elevati costi energetici. Il processo avrà un valore pratico se la corrente anodica è sufficiente e per questo è necessario applicare una corrente continua significativa dalla fonte di alimentazione. Inoltre, quando viene eseguito, si verificano perdite di tensione laterali: sovratensione di anodo e catodo, perdite nell'elettrolita dovute alla sua resistenza. L'efficienza dell'impianto è determinata rapportando la potenza di consumo energetico ad un'unità di massa utile della sostanza ottenuta.

L'elettrolisi è stata utilizzata nell'industria per molto tempo e con alta efficienza. I rivestimenti anodizzati ed elettroplaccati sono diventati comuni nella vita di tutti i giorni e l'estrazione e l'arricchimento dei materiali aiutano a estrarre molti metalli dal minerale. Il processo può essere pianificato e calcolato, conoscendo i suoi schemi principali.

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