Referat La Chimie - Electroliza [PDF]

Zitiervorschau

1. Ce este electroliza? Inainte de anul 1880, energia electrica avea o utilizare foarte limitata in industria chimica, cu toate ca primele cercetari de laborator in domeniul electrochimiei dateaza inca de la inceputul secolului al XIX-lea. Dezvoltarea larga a electrochimiei industriale a inceput abia dupa inventarea si perfectionarea dinamului. Un rol important in dezvoltarea electrochimiei ii revine lui M. Faraday care a formulat legile fundamentale ale electrolizei. Daca e sa vorbim de cuvintul “electroliza”- acesta ar insemna: “lisis”- descompunere, “electro”curent, si, prin urmare: Procesul de oxido-reducere care are loc la electrozi la trecerea curentului electric continuu prin solutia sau topitura unui electrolit se numeste electroliza. Electrolit--substanta chimica care se poate descompune sub influenta unui curent electric. Cu acest scop se folosesc asa-numitele “bai de electroliza”. In procesul electrolizei energia electrica se transforma in energie chimica, adica in energia substantelor formate. Fomenul dat este complex si consta in urmatoarele: daca introducem 2 electrozi in solutia sau topitura unui electrolit si-i vom uni catodul (-) si anodul (+) unei surse de curent electric continuu, atunci, sub actiunea cimpului electric are loc cit migratia ionilor cu sarcina pozitiva (cationi) catre catod si a ionilor cu sarcina negativa (anioni) spre anod, cit si neutralizarea acestora. La catod cationii aditioneaza electroni si se reduc. Anionii, apropiindu-se de anod, cedeaza electronii si se oxideaza. Catodul este un reducator puternic, iar anodul – oxidant. Atomii transformati in procesul de electroliza se pot depune ca atare pe electrod sau pot reactiona: cu moleculele dizolvantului, cu electrodul, sau intre ei. Se formeaza astfel produsi secundari ai electrolizei. Produsele electrolizei depind de natura si concentratia electrolitului, de natura anodului si de densitatea curentului electric. In continuare se vor analiza, in majoritate, fenomenele ce au loc la electroliza sarurilor. Electrozii pot fi insolubili (C-carbune, Pt) si solubili (toate celelalte). Astfel, deosebim doua tipuri de electroliza: a topiturilor si a solutiilor.

2. Legile electrolizei Legile cantitative ale electrolizei au fost descoperite de catre M. Faraday (1827). 2.1 Legea I a lui Faraday. Masa substantei depuse sau dizolvate la electrozi este direct proportionala cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolit: m = k * Q, unde k este echivalentul electrochimic, care a legat de masa molara a echivalentului prin expresia: k = Me/F; Me (X)= M (X)* 1/Z. Q este cantitatea de electricitate (in C):

Q = It,

unde I este intensitatea curentului (A), t -- timpul (s). Astfel, Deoarece:

m = Me/F * It. Me = A/Z, m + AIt/ ZF,

unde A reprezinta masa atomica a elementului, Z—numarul de electroni care participa in procesul de oxidare sau reducere.

referat.clopotel.ro

1

2.2 A II-a lege a lui Faraday In electrolizoarele unite in serie masele substantelor obtinute la electrozi sunt direct proportionala cu masele molare ale echivalentilor chimici. Echivalentii electrochimici sunt proportionali cu masele molare ale echivalentilor chimici: k1 : k2 = Me1 : Me2 sau Me1/k1 = Me2/k2 = F. Pe aceasta baza se poate determina constanta lui Faraday, adica cantitatea de electricitate necesara pentru descompunerea unei mase molare a echivalentului substantei. Este posibil de examinat electroliza in dependenta de natura chimica a electrolitului (anionul electrolitului poate fi radicalul unui acid oxigenat sau neoxigenat). 3. Electroliza topiturilor La electroliza topiturilor se oxideaza si se reduc ionii electrolitului. Luam ca exemplu procesele ce se petrec la electroliza topiturii clorurii de sodiu NaCl: Schema electrolizei topiturii NaCl: NaCl = Na+ +Cl(-) catod 2Na+ + 2e  Na (reducere) (+) anod 2Cl- -2e  Cl2 (g) (oxidare) Ecuatia sumara: 2NaCl (electroliza) 2Na + Cl2 (g) Pentru a reprezenta in scris procesele se alcatuieste schema electrolizei si se egaleaza numarul de electroni aditionati si cedati, numarul de ioni si atomi ai tuturor elementelor, apoi se alcatuieste ecuatia sumara a electrolizei in forma moleculara. Electroliza topiturilor este folosita la obtinerea metalelor alcaline, alcalino-pamintoase, aluminiului, magneziului, beriliului, lant anoidelor si unor metale greu fuzibile, ca titanul, molibdenul s.a. 4.3 Electroliza apei Experimental s-a constatat ca prin electroliza apei acidulate se obtine hidrogen si oxigen. Deci in solutie sint prezenti ionii proveniti prin ionizarea apei si a acidului. 2HO-H3O + HO –s-au simplificat Tinand seama de faptul ca electrodul negativ, catodul, are tendinta de a ceda electronii, iar anodul (+) are tendinta de a acepta electroni, procesele mai pot fi scrise sub forma: (-)2H2O+2e-H2(g)+2HO (+)2H2O- O2(g)+4H + 4e Deci la catod se degaja hidrogenul iar la anod oxigenul. S-a prezentat o pila de combustie ce permite transformarea energiei chimice in energie electrica prin arderea hidrogenului in oxigen.Prin utilizarea pilelor de combustie hidrogenul devine combustibilul viitorului, iar apa este purtator de energie . Hidrogenul sub forma de gaz, poate fi transportat prin conducte. Dar hidrogenul poate fi pastrat fie din in rezervoare subterane, ca gaz, fie sub forma solida, ca hidruri. In acest mod problema stocarii energiei devine mai simpla. Hidrogenul este utilizat la consumatori, rezultatul fiind vaporii de apa care apar in urma arderii lui. Vaporii se ridica in atmosfera, iar apoi se condenseaza, cazind din nou pe pamant in apa marilor si a oceanelor. Deci, in afara de faptul ca hidrogenul permite stocarea energiei,el evita poluarea atmosferei. Se preconizeaza ca energia electrica necesara producerii hidrogenului si oxigenului in celule de electroliza sa provina din energia nucleara sau prin conversie directa din energie solara. Intrucat electroliza are multiple aplicatii, este deosebit de important cunoasterea aspectului cantitativ al fenomenului, deci a legilor ce il guverneaza. Deci echivalentul electrochimic prezinta masa de substanta depusa la electrod atunci cand prin solutie trec o sarcina electrica egala cu unitatea. Pentru a stabili relatia dintre masele diferitelor metale care sant depuse la electrod atunci cand prin

referat.clopotel.ro

2

solutie trece aceeasi sarcina electrica, se considera o experienta similara celei efectuate de catre Faraday. Se considera trei celule electrolitice continind solutii de azotat de argint, sulfat de cupru, respectiv clorura de fier. Prin cantarire s-a determinat masa electrozilor inerti. Pentru ca prin toate celulele sa treaca un curent de aceeasi intensitate se conecteaza celulele in serie. 6. Aplicatiile electrolizei Intrebuintari speciale ale electrolizei Procesele de electroliza si-au gasit o larga intrebuintare in multe ramuri ale economiei nationale. In industria chimica electroliza se aplica pentru obtinerea substantelor pretioase: hidrogenului, oxigenului (prin electroliza solutiei hidroxidului de sodiu); clorului si hidroxidului de sodiu- din solutia clorurii de sodiu; fluorulu—din din topitura KF*HF; multor oxidanti ca Na 2S2O8, KClO4, H2O2 etc., unor substante organice, de exemplu, anilinei din nitrobenzen; apei grele D 2O etc. Depunerea electrolitica si rafinarea metalelor da posibilitatea de a obtine metale cu puritate inalta. Una din cele mai importante ramuri ale electrochimiei aplicate este galvanotehnica (galvanostegia si galvanoplastia). Acoperirile galvanice se aplica nu numai la protejarea metalelor de coroziune si in scopuri decorative, dar si cu scopuri speciale, de exemplu, pentru a mari puterea reflectoarelor si ghidurilor de unde, pentru micsorarea rezistentei contactelor electrice.Acoperirile pot fi realizate prin electroliza cu anozi solubili (nichelare, zincare, cadmare, spoire, argintare) si cu anozi insolubili (cromare, aurire). Galvanoplastia are aplicare la fabricarea schemelor de radio imprimate pentru aparatele de radio miniaturale (depunerea desenelor metalice pe semiconductori si pe dielectrici). In tehnologia constructiei de masini si de aparate electroliza se aplica pentru prelucrarea suprafetei pieselor. Decaparea electrochimica are unele avantaje fata de decaparea chimica: procesul de decapare devine dirijat, viteza lui creste cionsiderabil si, mai ales, poate fi aplicat la otelurile aliate, care nu se supun decaparii chimice. La decaparea catodica si degresarea suprafetei metalului are loc detasarea de pe metal a peliculei de ulei si a oxizilor, datorita actiunii mecanice a bulelor de hidrogen, care se degaja la catod. La decapare anodica are loc separarea peliculelor de oxid datorita gazelor care se degaja si datorita, de asemenea, dizolvarii anodice a metalului. Lustruirea electrochimica poate fi folosita ca metoda de prelucrare cu precizie a pieselor, mai ales a celor cu profil complicat si, de asemenea la studierea proprietalilor optice, magnetice, electrice, rezistentei la coroziune si altor proprietati ale suprafetelor metalice. Decaparea electrochimica si lustruirea se aplica pe larg la prelucrarea semiconductorilor si la studierea proprietatilor lor. Mai ales se decurge la decaparea cu scopul de a stabili tranzitiile p si n , pentru a taia monocristalele, pentru a obtine monstrele fine, pentru decaparea cavitatilor si gaurilor etc. Prelucrarea electrochimica este o metoda de formare a fabricatelor din metale cu rezistenta si duritate diferita, care se supun anevoios prelucrarii mecanice, de exemplu, slefuira electromenanica si ascutirea instrumentelor. Procesul este numit uneori frezare chimica sau prelucrare in adincime a metalelor. Oxidarea anodica (a aluminiului, otelului, aliajelor cuprului) este folosita pentru protectia contra coroziunii si cu scopuri decorative.

Prin electroliza substantelor topite se obtin: sodiu, calciu, magneziu, aluminiu si alte metale. Datorita metodelor eletrochimice s-a reusit sa se realizeze pe scara indsutriala obtinerea 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 principala se obtin industrial prin electroliza topiturilor. Beriliul metalic se obtine prin electroliza unui amestec topit de BeF2 si o fluorura alcalina iar strontiul, un alt metal al grupei a II-a se obtine similar cu calciul. Cu toate ca prin aceste procese electrochimice se consuma mari cantitati de energie electrica, ele sunt

referat.clopotel.ro

3

utilizate pe scara larga intrucat permit obtinerea metalelor pure necesare in tehnica. Procedeele electrochimice sunt singurele care fac posibila obtinerea metalelor cu potential de oxidare mare. Obtinerea aluminiului este un proces tehnologic complex care cuprinde doua etape distincte: obtinerea aluminei din bauxita si electroliza oxidului de aluminiu. Obtinerea aluminiului a fost un dar binevenit. Pana catre sfarsitul secolului al XIX, aluminiul a fost un metal mai rar. Doar cei foarte bogati isi permiteau sa detina obiecte din aluminiu. Charles M. Hall, in varsta de 21 de ani, student la Oberlin, a incercat sa descopere metode ieftine de obtinere ale acestui metal. Greutatile pe care le-a infruntat au fost legate de faptul ca aluminiul este foarte reactiv si era greu sa-l obtina prin reactii chimice obisnuite. Eforturile de a produce aluminiu prin electroliza au fost neroditoare, deoarece sarurile sale anhidre erau greu de preparat, iar oxidul Al 2O3, avea un punct de topire > 2000 , astfel incat, nu exista nici o metoda practica de a-l topi. In 1886 Hall a descoperit ca oxihul de aluminiu dizolva un mineral numir criolit, Na3AlF6, rezultand un amestec, cu un punct de topire relativ mic, din care aluminiul putea fi obtinut prin electroliza. Diagrama de functionare a acestui proces este redata mai jos. Bauxita contine Al 2O3. Bauxita este purificata, iar Al2O3 este apoi adaugat electrolitului de topitura de criolit, in care se dizolva si apoi se disociaza. La catod, ionii de aluminiu se reduc si se obtine metalul care formeaza un strat sub electrolitul mai putin dens. La anodul de carbon, ionul oxid este oxidat rezultand O 2.

Al3+ + 3e-  Al(l) (catod) 2 O2-  O2(g) + 4e- (anod) 4 Al3+ + 6 O2-  4 Al(l) + 3 O2(g)

Oxigenul produs la anod ataca electrodul de carbon, producand CO2, astfel electrodul trebuind schimbat frecvent.

referat.clopotel.ro

4