Electroliza
Ce este electroliza? Înainte de anul 1880, energia electrică avea o utilizare foarte limitată în industria chimică, cu toate că primele cercetări de laborator în domeniul electrochimiei datează încă de la începutul secolului al XIX-lea. Dezvoltarea largă a electrochimiei industriale a început abia după inventarea și perfecționarea dinamului. Un rol important în dezvoltarea electrochimiei îi revine lui M. Faraday care a formulat legile fundamentale ale electrolizei. Dacă e să vorbim de cuvântul “electroliză”- acesta ar insemna: “lisis”- descompunere, “electro”- curent, și, prin urmare: procesul de oxido-reducere care are loc la electrozi la trecerea curentului electric continuu prin soluția sau topitura unui electrolit se numește electroliză.
Electrolit – substanța chimică care se poate descompune sub influența unui curent electric. Cu acest scop se folosesc așa numitele “băi de electroliză”. În procesul electrolizei energia electrică se transformă în energie chimică, adică în energia substanțelor formate. Fomenul dat este complex și constă în următoarele: – dacă introducem 2 electrozi în soluția sau topitura unui electrolit și-i vom uni catodul (-) și anodul (+) unei surse de curent electric continuu, atunci, sub acțiunea câmpului electric are loc migrația ionilor cu sarcină pozitivă (cationi) către catod și a ionilor cu sarcină negativă (anioni) spre anod, cât și neutralizarea acestora. La catod cationii adiționează electroni și se reduc. Anionii, apropiindu-se de anod, cedează electronii și se oxidează. Catodul este un reducător puternic, iar anodul – oxidant. Atomii transformați în procesul de electroliză se pot depune ca atare pe electrod sau pot reacționa: cu moleculele dizolvantului, cu electrodul, sau între ei. Se formează astfel produși secundari ai electrolizei. Produsele electrolizei depind de natura și concentrația electrolitului, de natura anodului și de densitatea curentului electric.
În continuare se vor analiza, în majoritate, fenomenele ce au loc la electroliza sărurilor.
Electrozii pot fi insolubili (C-cărbune, Pt) și solubili (toate celelalte).
Astfel, deosebim două tipuri de electroliză: a topiturilor și a soluțiilor.
2. Legile electrolizei
Legile cantitative ale electrolizei au fost descoperite de către M. Faraday (1827).
2.1 Legea I a lui Faraday.
Masa substanței depuse sau dizolvate la electrozi este direct proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolit:
m = k * Q,
unde k este echivalentul electrochimic, care e legat de masa molară a echivalentului prin expresia:
k = Me/F; Me (X)= M (X)* 1/Z.
Q este cantitatea de electricitate (în C):
Q = It,
unde I este intensitatea curentului (A),
t — timpul (s).
Astfel,
m = Me/F * It.
Deoarece:
Me = A/Z, m + AIt/ ZF,
unde A reprezintă masa atomică a elementului,
Z—numărul de electroni care participă în procesul de oxidare sau reducere.
2.2 A II-a lege a lui Faraday
În electrolizoarele unite în serie masele substanțelor obținute la electrozi sunt direct proportionale cu masele molare ale echivalenților chimici.
Echivalenții electrochimici sunt proporționali cu masele molare ale echivalenților chimici:
k1 : k2 = Me1 : Me2 sau Me1/k1 = Me2/k2 = F.
Pe această bază se poate determina constanța lui Faraday, adică cantitatea de electricitate necesară pentru descompunerea unei mase molare a echivalentului substanței. Este posibil de examinat electroliza în dependența de natură chimică a electrolitului (anionul electrolitului poate fi radicalul unui acid oxigenat sau neoxigenat)
3. Electroliza topiturilor
La electroliza topiturilor se oxidează și se reduc ionii electrolitului.
Luăm ca exemplu procesele ce se petrec la electroliza topiturii clorurii de sodiu NaCl:
Schema electrolizei topiturii NaCl:
NaCl = Na+ +Cl-
(-) catod 2Na+ + 2e à Na (reducere)
(+) anod 2Cl– -2e à Cl2 (g) (oxidare)
Ecuația sumară: 2NaCl à(electroliza) 2Na + Cl2 (g)
Pentru a reprezenta în scris procesele se alcătuieşte schema electrolizei și se egalează numărul de electroni adiționati și cedați, numărul de ioni și atomi ai tuturor elementelor, apoi se alcătuiește ecuația sumară a electrolizei în formă moleculară.
Electroliza topiturilor este folosită la obținerea metalelor alcaline, alcalino-pământoase, aluminiului, magneziului, beriliului, lanț al anoidelor și unor metale greu fuzibile, ca titanul, molibdenul ș.a.m.d.
