Electroliza Apei [PDF]

Zitiervorschau

Colegiul Național „Ion C. Brătianu” Anul școlar 2013-2014,semestrul II

DISCIPLINA: FIZICĂ

TEMA: ELECTROLIZA APEI

NUME: OLARU DIANA IULIANA CLASA: a X-a E PROFESOR: ROPCEA ȘTEFAN

Electroliza apei Electroliza este procesul de orientare și separare a ionilor unui electrolit (substanță a cărei molecule prin dizolvare sau topire se disociază în ioni, permițând trecerea curentului electric continuu) cu ajutorul curentului electric continuu. Electroliza este un fenomen ce se petrece la trecerea curentului electric continuu prin solutia sau topitura unui electrolit. În procesul de electroliză, ionii pozitivi sau cationii sunt dirijați spre catod (pol negativ), iar ionii negativi sau anionii înspre anod (pol pozitiv) unde își pierd sarcina și se depun sau intră în reacție chimică. La anod se produce un proces de oxidare, în timp ce la catod unul de reducere. Electroliza apei este singura tehnologie validată industrial pentru producerea hidrogenului. Reactoarele folosite la electroliza apei sunt compartimentate pentru a permite obținerea de produși cât mai puri și pentru a optimiza condițiile de desfășurare a proceselor pentru fiecare electrod în parte. Separarea spațiului catodic de cel anodic aduce însă și dezavantajul creșterii tensiunii la borne, datorită rezistenței ohmice a separatorului interpolar. Descriere generală. Electroliza este un pasaj de curent electric direct printr-o substanță ionică care este fie topită, fie dizolvată într-un solvent potrivit, rezultând în electrolizor rezultatul reacțiilor chimice ce au avut loc între electrozi. Principalii componenți ai unei electrolize sunt:  Electrolitul: este substanța ce conține ioni liberi ce au rolul de a transporta curentul electric în electrolizor.  Electrolizorul: este vasul în care se desfășoară electroliza;  Generatorul de curent continuu: furnizează energia electrică necesară pentru a crea descărcarea ionică în electrolit. Curentul electric este transportat printr-un circuit extern.  Electrozii: sunt conductorii electrici care reprezintă interfața fizică între circuitul electric și electrolit. Ei sunt de două tipuri: catodul și anodul. Electrozii din metal, grafit sau din material semiconductor sunt folosiți pe scară largă. Pentru alegerea celui mai bun electrolit pentru electroliză se ține cont de reacțiile principale și secundare care au loc în timpul electrolizei și, bineînțeles, de costul de fabricație. Aparatura si materiale necesare: -

sursa de curent continuu, stabilizata si reglabila; ampermetru digital voltmetru digital; celula de electroliza compartimentata separator interpolar (membrana schimbatoare de ioni Nafion); electrozi de Pt sau Ni; solutie apoasa de KOH 25 % (% masa).

1

Modul de lucru În celula de electroliza se introduce o solutia apoasa de KOH 25% si se realizeaza montajul din Figura 1. Se umple coloana de lichid a eudiometrului si se conecteaza sursa de curent si aparatele de masura. Ampermetrul digital (7) se fixeaza pe domeniul 200 mA (DC) iar voltmetrul digital (6) se fixeaza domeniul 2000 mV (DC) când se masoara potentialele anodice si catodice, respectiv pe domeniul de 20 V când se masoara tensiunea la bornele reactorului. Se efectueaza 2-4 teste cu o durata de 10 - 30 min, la densitati de curent cuprinse între 1 si 5 A/dm2 (50 - 200 mA). Se mentine constanta intensitatea de curent si se citesc din 5 în 5 min. potentialele celor doi electrozi si tensiunea la borne. La sfârsitul fiecarui test se masoara, dupa cca. 5 minute, volumul de hidrogen acumulat în eudiometru. Figura. 1. Instalatia de laborator pentru electroliza apei: 1. sursa de curent continuu stabilizata 2. celula de electroliza; 3. catod; 4. anod; 5. electrod de referinta (ECS); 6. voltmetru digital; 7. ampermetru digital; 8. capilare Luggin; 9. eudiometru; 10. separator interpolar; 11. comutator dublu.

Aplicatiile electrolizei Industriile electrochimice reprezinta o ramura cu aplicatii importante pentru economia nationala. Aplicarea electrochimiei permite sa se obtina cantitai mari de produse importante, cum sunt: hidrogenul, oxigenul, clorul, hidroxizii alcalini, peoxizii, oxiclorurile etc. 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.

2

Obtinerea metalelor si nemetalelor 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 utiliate 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. Nemetalul care se obtine pe calea electrolizei este fluorul. Pentru electroliza se utilizeaza un amestec de fluorura de potasiu si acid fluorhidric. Temperatura la care se efectueaza electroliza se stabileste in functie de compozitia electrolitului. 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 Al2O3, avea un puncte de topire > 2000 , astfel incat, nu exista nici o metoda practica de al topit. In 1886 Hall a descoperit ca Al2O3 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 Al2O3. 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 O2. 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.

3

Metoda de purificare a metalelor Una din aplicatiile electrolizei cu anozi activi (care se consuma in decursul electrolizei) este electrorafinarea. Aceasta metoda este utilizata in procesul de obtinere a cuprului de mare puritate si pentru recuperarea metalelor pretioase. De fapt, rafinarea electrolitica reprezinta ultima etapa in metalurgia cuprului. Electroliza cuprului are loc astfel: In baia de electroliza ce contine ca electrolit o solutie acidulata de CuSO4 se introduc o serie de placi groase de cupru impur si se leaga de anodul sursei de curent. Intre placile anodice se intercaleaza placi subtiri de cupru pur, legate la polul negativ al sursei de curent. In aceste conditii trec in solutie din placile anodice numai ionii de cupru si ionii impuritatilor metalice, care se gasesc in seria tensiunilor electrochimice inaintea cuprului. La catod se descarca numai ionii de cupru, potentialul de descarcare al celorlalti fiind mai ridicat, acestia raman in solutie. Celelalte impuritati cu potentialul mai electropozitiv, aflate in placile anodice de cupru se acumuleaza prin depunere pe fundul baii de electroliza, formand asa-numitul namol anodic care constituie la randul sau o sursa pentru obtinerea acestor elemente. La anod 2+ La catod: Cu + 2e- ---> Cu

: Cu ---> Cu2+ Reactia totala: Cu2+ + Cu ---> Cu ---> Cu2+

+

2e-

Metoda de obtinere a unor substante compuse In prezent cea mai mare cantitate din necesarul mondial de hidroxid de sodiu si de potasiu de obtine prin electroliza solutiilor apoase concentrate de clorura de sodiu, respectiv de potasiu. Exista doua procedee de a obtine substante compuse: unul ce se numeste procedeul cu diafragma, deoarece in industrie spatiul catodic este separat de spatiul anodic printr-un perete poros denumir diafragma, si unul ce se numeste procedeul cu catod de mercur, care se foloseste pentru a avita reactiile secundare. Pe plan mondial se observa utilizarea cu prioritate a celulelor cu diafragma, pentru a evita poluarea mediului inconjurator cu mercur. Pentru a obtine NaClO3 Albchem Industries Ltd. foloseste urmatoarea tehnologie: Din minele de sare ce se afla la 1800 m adancime este pompata o solutie de NaCl. Ajunsa in fabrica aceasta solutie este curatata de impuritati si i se elimina „taria” . Calciul si magneziul sunt eliminati pentru a preveni depunerile la catod, rezultand in pierderi electrice. Solutia astfel pregatita este gata pentru electroliza. Sectia de electroliza consta in 24 de vase si 72 de celule aranjate in serie. Cand sunt conectate la tensiune, se formeaza hidrogen gazos. Hidrogenul misca lichidul formand astfel un circuit intre vas si celula. NaCl este transformat in NaClO3. Hidrogenul este eliminat in atmosfera. Ecuatia reactiei este: NaCl + 3H2O -> NaClO3 + 3H2

4

Lichidul concentrat continand NaClO3 la o temperatura de 85 C este turnata intr-un vas unde are loc cristalizarea. Apoi cristalele sunt spalate din nou si NaClO3 este depozitat fiind gata pentru livrare.

Electroplacarea Consta in aplicarea unui start fin, ornamental si protector al unui metal pe altul. Este o tehnica comuna utilizata pentru a imbunatati aparenta si durabilitatea unor obiecte metalice. De exemplu aur si platina sunt aplicate pe bijuterii fabricate din materiale ieftine. Grosimea acestor starturi variaza intre 0.03 si 0.05 mm. Compozitia baii de electrolit variaza, si este des tinuta secret, dar de obicei ea depinde metal ce urmeaza a fi depozitat, si poate afecta durabilitatea si caliatatea suprafetei. De exemplu, argintul depus dintr-o solutie de nitrat de argint nu se lipeste prea bine de o suprafata metalica. Daca este depus dint-o solutie ce contine ioni de Ag(CN)2-, atunci el adera bine si capata si luciu. Alte metale ce sunt electroplacate in asemenea bai sunt aurul si cadmiul. Nichelul, ce poate si el fi folosit ca start protector, este placat dintr-o solutie de sulfat de nichel, iar cromul este placat dint-o solutie de H2CrO4. Anumiti monomeri (stiren) sunt usor de folosit pentru a crea anioni organici. Acesti anioni pot polimeriza intr-un proces numit polimerizare anionica. Se poate folosi un circuit electric pentru a porni acest proces, polimerul localizandu-se la catod. Daca este gandit bine procesul, se poate utiliza la placarea organica a metalui. Acest proces a fost folosit pentru a vopsi masinile noi, avantajul constand ca el are loc in apa, nemaifiind nevoie de spray-uri cu solventi organici volatili.

5

Alte aplicatii Electroliza se mai utilizeaza in instrumente de masurare ale pH-ului. Aceste instrumente compara pH solutiei cu cel al electrodului corespunzator. O alta aplicatie este utilizarea electrolizei la eliminarea parului nedorit de pe corp. Eliminarea parului are loc prin aplicarea unei tensiuni f. mici intr-o solutie de NaCl ce se afla la radacina parului. In urma electrolizei rezulta NaOH ce arde radacina parului, distrugand firul. Aceasta tehnica este scumpa cat-de-cat si detine si critici. Produce durere in functie de zona ce este electrocutata, durerea putand chiar fi uriasa in cazul nor tensiuni putin prea mari. Electroliza se mai utilizeaza in industria uleiului comestibil, in instalatiile de intarire a grasimilor atata animale cat si vegetale. Legile lui Faraday La trecerea curentului electric printr-un electrolit, adica in timpul electrolizei, au loc cele doua procese distincte: -

transportul curentului electric de catre ioni; reactiile chimice care se produc la electrozi.

Pe baza experimentala, M. Faraday a observat ca exista o relatie intre cantitatea de electricitate care trece printr-un electrolit si cantitatea de subtanta transformata prin electroliza. Aceste observatii l-au condus la enuntarea legilor electrolizei sau legile lui Faraday.

1. Masa de substanta (m) separata dintr-un electrolit este proportionala cu sarcina electrica transportata(Q): m= kQ (m= kIt) , k fiind numit echivalent electrochimic al substantei neutralizate. 2. Echivalentul electrochimic al unei substante este direct proportional cu masa molara a substantei si invers proportionala cu modulul valentei acelui element chimic.

6

Bibliografie: 1. Mark S. Wrighton, "Electrolysis," Discovery Channel School, original content provided by World Book Online, http://www.discoveryschool.com/homeworkhelp/worldbook/atozscience/e/177180.ht ml 2. http://www.ucdsb.on.ca/tiss/stretton/chem2/electro9.html 3. http://www.madsci.org/posts/archives/may98/893874472.Ch.r.html 4. http://host2.mbcomms.net.au/tg/gtg/tfb-elect.html 5. Sanda Fatu, Cornelia Costin, Adina Toescu, Chimie, manual pentru clasa a XII-a, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1997 6. Constantin Ionescu, Chimie Fizica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982 7. http://ro.wikipedia.org/wiki/Electroliz%C4%83 8. http://www.referat.ro/referate/download/Aplicatiile_electrolizei_1045.html 9. http://www.referat.ro/referate/Electroliza_4283.html 10. file:///C:/Users//Downloads/208409642-Electroliza-Apei.pdf 11. http://www.referat.ro/referate/Electroliza_5083.html 12. http://www.scritub.com/stiinta/chimie/ELECTROLIZA-APEI7414182411.php 13. http://ro.scribd.com/doc/208409642/Electroliza-Apei 14. http://www.referatele.com/referate/fizica/online9/Electroliza-apei-Aplicatileelectrolizei-Electrolizarea-metode-de-obtinere-aunor-substante-compuse-E.php

7