La qüestió de què és l'electròlisi es considera al curs de física de l'escola, i per a la majoria de la gent no és un secret. Una altra cosa és la seva importància i aplicació pràctica. Aquest procés s'utilitza amb gran benefici en diverses indústries i pot ser útil per a l'artesà domèstic.
Contingut
- 1 Què és l'electròlisi?
- 2 Lleis de Faraday de l'electròlisi
- 3 Electròlisi de fusió
- 4 Característiques de l'electròlisi en solucions
- 5 Electròlisi en gasos
- 6 Característiques dels processos que tenen lloc al càtode i ànode
- 7 Factors que afecten el procés d'electròlisi
- 8 On s'utilitza l'electròlisi?
- 9 Costos energètics
Què és l'electròlisi?
L'electròlisi és un complex de processos específics en el sistema d'elèctrodes i electròlits quan hi passa un corrent elèctric directe. El seu mecanisme es basa en l'aparició d'un corrent iònic. L'electròlit és un conductor de tipus 2 (conductivitat iònica) en què es produeix la dissociació electrolítica. S'associa amb la descomposició en ions amb positiu (catió) i negatius (anió) cobrar.
El sistema d'electròlisi conté necessàriament un positiu (ànode) i negatius (càtode) elèctrode. Quan s'aplica un corrent elèctric continu, els cations comencen a moure's cap al càtode i els anions - cap a l'ànode. Els cations són principalment ions metàl·lics i hidrogen, i els anions són oxigen, clor. Al càtode, els cations s'uneixen a ells mateixos l'excés d'electrons, cosa que garanteix l'ocurrència de la reacció de reducció Men+ + ne → Me (on n és la valència del metall). A l'ànode, per contra, es dona un electró de l'anió amb una reacció oxidativa.
Així, es proporciona un procés redox al sistema. És important tenir en compte que per al seu flux es necessita una energia adequada. Ha de ser subministrat per una font de corrent externa.
Lleis de Faraday de l'electròlisi
El gran físic M. Faraday, amb les seves investigacions, va permetre no només entendre la naturalesa de l'electròlisi, sinó també fer els càlculs necessaris per a la seva implementació. L'any 1832 van aparèixer les seves lleis que vinculaven els principals paràmetres dels processos en curs.
Primera llei
La primera llei de Faraday estableix que la massa de la substància que es redueix a l'ànode és directament proporcional a la càrrega elèctrica induïda a l'electròlit: m = kq = k*I*t, on q és la càrrega, k és el coeficient o equivalent electroquímic. de la substància, I és la força del corrent que circula per l'electròlit, t és el temps de pas del corrent.
Segona llei
La segona llei de Faraday va permetre determinar el coeficient de proporcionalitat k. Sona així: l'equivalent electroquímic de qualsevol substància és directament proporcional a la seva massa molar i inversament proporcional a la valència. La llei s'expressa com:
k = 1/F*A/z, on F és la constant de Faraday, A és la massa molar de la substància, z és la seva valència química.
Tenint en compte ambdues lleis, és possible derivar la fórmula final per calcular la massa dipositada a l'elèctrode de la substància: m = A*I*t/(n*F), on n és el nombre d'electrons implicats en l'electròlisi. Normalment n correspon a la càrrega de l'ió. Des d'un punt de vista pràctic, és important la connexió entre la massa d'una substància i el corrent aplicat, la qual cosa permet controlar el procés canviant-ne la força.
Electròlisi de fusió
Una de les opcions per a l'electròlisi és l'ús d'una fosa com a electròlit. En aquest cas, només els ions de fusió participen en el procés d'electròlisi. Un exemple clàssic és l'electròlisi de la sal fosa NaCl (sal). Els ions negatius es dirigeixen cap a l'ànode, la qual cosa significa que s'allibera gas (Cl). La reducció del metall es produirà al càtode, és a dir. deposició de Na pur format a partir d'ions positius que han atret l'excés d'electrons. Altres metalls es poden obtenir de la mateixa manera (K, Ca, Li, etc.) de la matança de les sals corresponents.
Durant l'electròlisi en una fusió, els elèctrodes no es dissoleixen, sinó que participen només com a font de corrent. En la seva fabricació, podeu utilitzar metall, grafit, alguns semiconductors. És important que el material tingui una conductivitat suficient. Un dels materials més comuns és el coure.
Característiques de l'electròlisi en solucions
L'electròlisi en una solució aquosa difereix significativament d'una fosa. Aquí tenen lloc tres processos competitius: l'oxidació de l'aigua amb evolució d'oxigen, l'oxidació d'anions i la dissolució anòdica del metall. Els ions d'aigua, electròlit i ànode participen en el procés.En conseqüència, es pot produir una reducció d'hidrogen, cations electròlits i metall ànode al càtode.
La possibilitat que es produeixin aquests processos competitius depèn de la magnitud dels potencials elèctrics del sistema. Només procedirà el procés que requereixi menys energia externa. En conseqüència, els cations amb el potencial màxim de l'elèctrode es reduiran al càtode i els anions amb el potencial més baix s'oxidaran a l'ànode. El potencial de l'elèctrode de l'hidrogen es pren com a "0". Per exemple, per al potassi és (-2,93 V), sodi - (-2,71 V), dirigir (-0,13 V), mentre que la plata té (+0,8 V).
Electròlisi en gasos
El gas només pot jugar el paper d'electròlit en presència d'un ionitzador. En aquest cas, el corrent que passa pel medi ionitzat provoca el procés necessari en els elèctrodes. Tanmateix, les lleis de Faraday no s'apliquen a l'electròlisi de gas. Per a la seva implementació són necessàries les condicions següents:
- Sense la ionització artificial del gas, ni l'alta tensió ni el corrent elevat no ajudaran.
- Només els àcids que no contenen oxigen i estan en estat gasós, i alguns gasos són aptes per a l'electròlisi.
Important! Quan es compleixen les condicions necessàries, el procés passa de manera similar a l'electròlisi en un electròlit líquid.
Característiques dels processos que tenen lloc al càtode i ànode
Per a l'aplicació pràctica de l'electròlisi, és important entendre què passa als dos elèctrodes quan s'aplica un corrent elèctric. Els processos típics són:
- Càtode. Els ions carregats positivament s'hi aprenen. Aquí té lloc la reducció de metalls o l'evolució d'hidrogen. Hi ha diverses categories de metalls segons l'activitat catiònica.Metalls com Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al es redueixen bé només a partir de sals foses. Si s'utilitza una solució, s'allibera hidrogen a causa de l'electròlisi de l'aigua. És possible aconseguir una reducció en solució, però amb una concentració suficient de cations, per als següents metalls: Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. El procés continua amb més facilitat per a Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Ànode. Els ions carregats negativament entren en aquest elèctrode. Oxidats, prenen electrons del metall, la qual cosa porta a la seva dissolució anòdica, és a dir. transició a ions carregats positivament, que s'envien al càtode. Els anions també es classifiquen segons la seva activitat. Aquests anions PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F només es poden descarregar a partir de les foses.En les solucions aquoses, no són ells els que se sotmeten a l'electròlisi, sinó l'aigua amb l'alliberament d'oxigen. Anions com OH, Cl, I, S, Br reaccionen més fàcilment.
Quan s'assegura l'electròlisi, és important tenir en compte la tendència del material de l'elèctrode a oxidar-se. En aquest sentit, destaquen els ànodes inerts i actius. Els elèctrodes inerts estan fets de grafit, carboni o platí i no participen en el subministrament d'ions.
Factors que afecten el procés d'electròlisi
El procés d'electròlisi depèn dels següents factors:
- Composició electròlit. Diverses impureses tenen un efecte significatiu. Es divideixen en 3 tipus: cations, anions i orgànics. Les substàncies poden ser més o menys negatives que el metall base, cosa que interfereix amb el procés. Entre les impureses orgàniques, destaquen els contaminants (per exemple, els olis) i els tensioactius. La seva concentració té valors màxims admissibles.
- densitat de corrent. D'acord amb les lleis de Faraday, la massa de la substància dipositada augmenta amb l'augment de la força del corrent. Tanmateix, es donen circumstàncies desfavorables: polarització concentrada, augment de la tensió, escalfament intens de l'electròlit. Tenint això en compte, hi ha valors òptims de densitat de corrent per a cada cas concret.
- pH de l'electròlit. L'acidesa del medi també es selecciona tenint en compte els metalls. Per exemple, el valor òptim de l'acidesa de l'electròlit per al zinc és de 140 g/dm3.
- Temperatura de l'electròlit. Té un efecte ambigu. Amb l'augment de la temperatura, augmenta la velocitat d'electròlisi, però també augmenta l'activitat de les impureses. Hi ha una temperatura òptima per a cada procés. Normalment es troba en el rang de 38-45 graus.
Important! L'electròlisi es pot accelerar o alentir per diverses influències i l'elecció de la composició d'electròlits. Cada aplicació té el seu propi règim, que s'ha de respectar estrictament.
On s'utilitza l'electròlisi?
L'electròlisi s'utilitza en moltes àrees. Hi ha diverses àrees principals d'ús per obtenir resultats pràctics.
Galvanització
Per electròlisi es pot aplicar un revestiment de metall prim i durador. El producte a recobrir s'instal·la al bany en forma de càtode i l'electròlit conté una sal del metall desitjat. Així podeu cobrir l'acer amb zinc, crom o estany.
Electrorefinació - refinació del coure
Un exemple de neteja elèctrica pot ser la següent opció: càtode - coure pur ànode - coure amb impureses, electròlit - una solució aquosa de sulfat de coure. El coure de l'ànode passa als ions i s'instal·la al càtode ja sense impureses.
Mineria de metalls
Per obtenir metalls a partir de sals, es transfereixen a la fosa i després s'hi proporciona electròlisi. Aquest mètode és bastant eficaç per obtenir alumini a partir de bauxites, sodi i potassi.
Anoditzat
En aquest procés, el recobriment està fet de compostos no metàl·lics. Un exemple clàssic és l'anoditzat d'alumini. La part d'alumini s'instal·la com a ànode. L'electròlit és una solució d'àcid sulfúric. Com a resultat de l'electròlisi, es diposita una capa d'òxid d'alumini a l'ànode, que té propietats protectores i decoratives. Aquestes tecnologies s'utilitzen àmpliament en diverses indústries. Podeu dur a terme els processos amb les vostres pròpies mans complint les normes de seguretat.
Costos energètics
L'electròlisi requereix uns costos energètics elevats. El procés tindrà un valor pràctic si el corrent de l'ànode és suficient, i per a això cal aplicar un corrent continu important des de la font d'alimentació. A més, quan es realitza, es produeixen pèrdues de tensió laterals: sobretensió d'ànode i càtode, pèrdues en l'electròlit a causa de la seva resistència. L'eficiència de la instal·lació es determina relacionant la potència de consum d'energia amb una unitat de massa útil de la substància obtinguda.
L'electròlisi s'ha utilitzat a la indústria durant molt de temps i amb una alta eficiència. Els recobriments anoditzats i galvanitzats s'han convertit en un lloc habitual en la vida quotidiana, i la mineria i el benefici dels materials ajuden a extreure molts metalls del mineral. El procés es pot planificar i calcular, coneixent els seus patrons principals.
Articles semblants:
