Oxidarea anodică (a aluminiului, oţelului, aliajelor cuprului) este folosită pentru protecţia contra coroziunii şi cu scopuri decorative.
Prin electroliza substanţelor topite se obţin: sodiu, calciu, magneziu, aluminiu şi alte metale. Datorită metodelor eletrochimice s-a reuşit să se realizeze pe scară indsutrială obţinerea unor metale ca: bariu, cesiu, litiu etc.
6.2 Obtinerea metalelor si a nemetalelor in procesul de electroliza
Metalele din grupele I, a II-a si a III-a principală se obţin industrial prin electroliza topiturilor. Beriliul metalic se obţine prin electroliza unui amestec topit de BeF2 şi o fluorură alcalină iar stronţiul, un alt metal al grupei a II-a se obţine similar cu calciul.
Cu toate că prin aceste procese electrochimice se consumă mari cantităţi de energie electrică, ele sunt utilizate pe scară largă întrucât permit obţinerea metalelor pure necesare în tehnică. Procedeele electrochimice sunt singurele care fac posibilă obţinerea metalelor cu potenţial de oxidare mare.
Obţinerea aluminiului este un proces tehnologic complex care cuprinde două etape distincte: obţinerea aluminei din bauxită şi electroliza oxidului de aluminiu.
Obţinerea aluminiului a fost un dar binevenit. Până către sfârşitul secolului al XIX-lea, aluminiul a fost un metal mai rar. Doar cei foarte bogaţi îşi permiteau să deţină obiecte din aluminiu. Charles M. Hall, în vârstă de 21 de ani, student la Oberlin, a încercat să descopere metode ieftine de obţinere ale acestui metal. Greutăţile pe care le-a înfruntat au fost legate de faptul că aluminiul este foarte reactiv şi era greu să-l obţină prin reacţii chimice obişnuite. Eforturile de a produce aluminiu prin electroliză au fost neroditoare, deoarece sărurile sale anhidre erau greu de preparat, iar oxidul Al2O3, avea un punct de topire > 2000 , astfel încât, nu există nici o metodă practică de a-l topi. În 1886 Hall a descoperit că oxidul de aluminiu dizolva un mineral numir criolit, Na3AlF6, rezultând un amestec, cu un punct de topire relativ mic, din care aluminiul putea fi obținut prin electroliză.
Diagrama de funcționare a acestui proces este redată mai jos. Bauxita conține Al2O3. Bauxita este purificată, iar Al2O3 este apoi adăugat electrolitului de topitură de criolit, în care se dizolvă și apoi se disociază. La catod, ionii de aluminiu se reduc și se obține metalul care formează un strat sub electrolitul mai puțin dens. La anodul de carbon, ionul oxid este oxidat rezultând O2.
Al3+ + 3e- à Al(l) (catod)
2 O2– à O2(g) + 4e- (anod)
4 Al3+ + 6 O2- à 4 Al(l) + 3 O2(g)
Oxigenul produs la anod atacă electrodul de carbon, producând CO2, astfel electrodul trebuind schimbat frecvent.
6.3 Metoda de purificare a metalelor
Una din aplicațiile electrolizei cu anozi activi (care se consumă în decursul electrolizei) este electrorafinarea. Această metodă este utilizată în procesul de obținere a cuprului de mare puritate și pentru recuperarea metalelor prețioase. De fapt, rafinarea electrolitică reprezintă ultima etapă în metalurgia cuprului. Electroliza cuprului are loc astfel:
În baia de electroliză ce conține ca electrolit o soluție acidulată de CuSO4 se introduc o serie de plăci groase de cupru impur și se leagă de anodul sursei de curent. Între plăcile anodice se intercaleaza plăci subțiri de cupru pur, legate la polul negativ al sursei de curent. În aceste condiții trec în soluție din plăcile anodice numai ionii de cupru și ionii impurităților metalice, care se găsesc în seria tensiunilor electrochimice înaintea cuprului. La catod se descarcă numai ionii de cupru, potențialul de descărcare al celorlalți fiind mai ridicat, aceștia rămân în soluție. Celelalte impurități cu potențialul mai electropozitiv, aflate în plăcile anodice de cupru se acumulează prin depunere pe fundul băii de electroliză, formând așa-numitul nămol anodic care constituie la rândul său o sursă pentru obținerea acestor elemente.
La anod : Cu à Cu2+ + 2e-
La catod: Cu2+ + 2e- à Cu Reactia totala: Cu2+ + Cu à Cu à Cu2+
6.4 Metoda de obtinere a unor substante compuse
În prezent cea mai mare cantitate din necesarul mondial de hidroxid de sodiu și de potasiu se obține prin electroliza soluțiilor apoase concentrate de clorura de sodiu, respectiv de potasiu. Există două procedee de a obține substanțe compuse: unul ce se numește procedeul cu diafragmă, deoarece în industrie spațiul catodic este separat de spațiul anodic printr-un perete poros denumit diafragmă, și unul ce se numește procedeul cu catod de mercur, care se folosește pentru a evita reacțiile secundare. Pe plan mondial se observă utilizarea cu prioritate a celulelor cu diafragmă, pentru a evita poluarea mediului înconjurator cu mercur.
Pentru a obține NaClO3 Albchem Industries Ltd. folosește următoarea tehnologie:
Din minele de sare ce se află la 1800 m adâncime este pompată o soluție de NaCl. Ajunsă în fabrică aceasta soluție este curațată de impurități și i se elimină „tăria”. Calciul și magneziul sunt eliminați pentru a preveni depunerile la catod, rezultând în pierderi electrice. Soluția astfel pregatită este gata pentru electroliză. Secția de electroliză constă în 24 de vase și 72 de celule aranjate în serie. Când sunt conectate la tensiune, se formează hidrogen gazos. Hidrogenul mișcâ lichidul formând astfel un circuit între vas și celulă. NaCl este transformat în NaClO3. Hidrogenul este eliminat în atmosferă. Ecuația reacției este:
NaCl + 3H2O à NaClO3 + 3H2
Lichidul concentrat conținând NaClO3 la o temperatură de 850 C este turnată într-un vas unde are loc cristalizarea. Apoi cristalele sunt spălate din nou și NaClO3 este depozitat fiind gata pentru livrare.
6.5 Electroplacarea
Constă în aplicarea unui start fin, ornamental și protector al unui metal pe altul. Este o tehnică comună utilizată pentru a îmbunătăți aparența și durabilitatea unor obiecte metalice. De exemplu aurul și platina sunt aplicate pe bijuterii fabricate din materiale ieftine. Grosimea acestor starturi variază între 0.03 si 0.05 mm.
Compoziția băii de electrolit variază, și este des ținută secret, dar de obicei ea depinde de metalul ce urmează a fi depozitat, și poate afecta durabilitatea și caliatatea suprafeței. De exemplu, argintul depus dintr-o soluție de nitrat de argint nu se lipește prea bine de o suprafață metalică. Dacă este depus dintr-o soluție ce conține ioni de Ag(CN)2-, atunci el aderă bine și capătă și luciu. Alte metale ce sunt electroplacate în asemenea băi sunt aurul și cadmiul. Nichelul, ce poate fi și el folosit ca strat protector, este placat dintr-o soluție de sulfat de nichel, iar cromul este placat dintr-o soluție de H2CrO4.
Anumiti monomeri (stiren) sunt ușor de folosit pentru a crea anioni organici. Acești anioni pot polimeriza într-un proces numit polimerizare anionică. Se poate folosi un circuit electric pentru a porni acest proces, polimerul localizându-se la catod. Dacă este gândit bine procesul, se poate utiliza la placarea organică a metalui. Acest proces a fost folosit pentru a vopsi mașinile noi, avantajul constând că el are loc în apă, nemaifiind nevoie de spray-uri cu solvenți organici volatili.
6.6 Alte aplicații
Electroliza se mai utilizează în instrumente de măsurare ale pH-ului. Aceste instrumente compară pH soluției cu cel al electrodului corespunzător.
O altă aplicație este utilizarea electrolizei la eliminarea părului nedorit de pe corp. Eliminarea părului are loc prin aplicarea unei tensiuni foarte mici într-o soluție de NaCl ce se află la rădăcina părului. În urma electrolizei rezultă NaOH ce arde rădăcina părului, distrugând firul. Această tehnică este scumpă cât-de-cât și deține și critici. Produce durere în funcție de zona ce este electrocutată, durerea putând fi chiar uriașă în cazul unor tensiuni puțin prea mari.
Electroliza se mai utilizează în industria uleiului comestibil, în instalațiile de întărire a grăsimilor atât animale cât și vegetale.
Orice automobil are nevoie de acumulator. Cele mai frecvente sunt acumulatoarele de plumb în care se toarnă soluție de acid sulfuric. Acesta are rolul de element galvanic, iar la încărcarea lui la electrozi are loc electroliza. Electrozii acumulatorului de plumb reprezintă un grilaj din plumb, umplut cu oxid de plumb (II).
În acumulator se toarnă acid sulfuric cu o concentrație de 32—39 % (densitatea 1,24—1.30 g/cm3). În el are loc transformarea oxidului de plumb (II) în sulfat de plumb in soluție.
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Încarcarea acumulatorului este un proces de electroliza:
C(-) Pb2+ SO42- + 2e à(incarcare) Pb0 + SO42- (reducere)
A(+) Pb2+SO42- –2e + 2H2O à(incarcare) PbO2 + SO42- + 4H+ (oxidare)
La încărcare concentrația acidului sulfuric crește.
La descarcarea acumulatorului are loc procesul invers – elementul galvanic.
C(-) Pb0 – 2e + SO42- à(descarcare) PbSO4 (oxidare)
A(+) PbO2 +SO42- + 4H+ + 2e à PbSO4 + 2H2O (reducere)
Acidul sulfuric se consumă și se formează sulfat de plumb. După cum se observă la încărcarea și descărcarea acumulatorului rămâne același semn al electrodului, dar procesele și denumirea lor se schimbă, deoarece anodul este electrolitul la care are loc oxidarea, iar la catod – reducerea.
În electrolizele clasice parametrul controlat este densitatea de curent exprimată în A/dm pătrați deoarece este cel mai ușor de măsurat și de menținut constant. O perioadă îndelungată densitatea de curent a fost cea care a caracterizat aproape toate electrolizele deși Haber a arătat încă din 1898 , în lucrarea sa celebră asupra reducerii în trepte a nitroderivaților , că potentțialul electrodului este parametrul care trebuie controlat .
Realizarea practică a electrolizei în tehnica clasică se poate face în trei moduri: la intensitatea controlată, la tensiune controlată și la potențialul controlat, după cum pe durata electrolizei se menține o valoare constantă a tensiunii între electrodul de lucrul și contraelectrodul și respectiv a potențialului electrod de lucru.
În electroliza la curent controlat se folosește un montaj care constă dintr-un electrod de lucru și un contraelectrod. În electroliza la tensiune controlată se folosește același montaj ca și în electroliza la curent controlat. Este procedeul cel mai ușor de pus în practică, fiind și cel mai utilizat industrial, deoarece permite desfășurarea reacțiilor pe electrod cu selectivitatea mai bună decât în cazul precedent. În electroliza potențial controlată, parametrul controlat este potențialul și el este menținut la o valoare potrivită, aici transformarea electrochimică este selectivă. Metoda este cea mai rațională dar și cea mai complicată de pus în practică.
Metoda electrochimică de sinteză prezintă o trăsătură importantă subliniată și anterior: posibilitatea controlării activității reactantului prin intermediul potențialului de electrod. Succesul unei electrolize depinde în mare măsură de alegerea corectă a condițiilor experimentale. O alegere inteligentă a acestora este rezultatul înțelegerii principiilor care controlează reacția și a proprietăților fiecărei părți din echipamentul electrolitic: celula, electrolizi, solvent, electrolit.
