Cuprins: 1. Ce este electroliza?..................................................................2 2. Legile electrolizei ………………………………………………............3 2.1. Legea I a lui Faraday……………………………………………....3 2.2. Legea a II-a a lui Faraday………………………………………...3 3. Electroliza topiturilor…………………………………………..........4
4. Electroliza solutiilor apoase de electroliti...........................4 4.1. Procesele catodice in solutiile apoase de electroliti..............................................................................................4 4.2. Procesele anodice in solutiile apoase de electroliti..............................................................................................5 4.3. Electroliza apei................................................................5 4.4. Electroliza solutiilor care contin 2 sau mai multi ioni de metal....................................................................................................6
5. Influenta naturii materialului anodului asupra procesului de electroliza.............................................................8 6. Aplicatiile electrolizei............................................................9 6.1. Intrebuintari speciale ale electrolizei................................9 6.2. Obtinerea metalelor si a nemetalelor in procesul de electroliza...............................................................................................10 6.3. Metoda de purificare a metalelor......................................10 6.4. Metoda de obtinere a unor substante compuse................11 6.5. Electroplacarea................................................................11 6.6. Alte aplicatii.....................................................................12 Bibliografie ...............................................................................14
referat.clopotel.ro
1
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.
referat.clopotel.ro
2
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, m = Me/F * It. Deoarece: 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. 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). referat.clopotel.ro
3
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, alcalinopamintoase, aluminiului, magneziului, beriliului, lant anoidelor si unor metale greu fuzibile, ca titanul, molibdenul s.a.
4. Electroliza solutiilor apoase de electroliti In solutii apoase procesele decurg mai dificil decit in topituri. Deosebim procese catodice si procese anodice in solutiile apoase de electroliti. La procesele anodice si catodice in cazul dat poate participa si apa. 4.1 Procesele catodice in solutiile apoase de electroliti Daca impartim simbolic seria potentialelor standart de electrod, obtinem urmatoarele: I) metalele de pina la Al (inclusiv); II) metalele situate intre aluminiu si hidrogen; III) metalele situate dupa hidrogen (Cu-Au). a) Cationii (ioni pozitivi) grupei I, a metalelor active, nu se reduc la catod! In locul lor se reduc moleculele de apa si se scrie “ecuatia de serviciu” pentru anod: 2H2O + 2e H2 (g) + 2OH-
referat.clopotel.ro
4
b) Cationii grupei a II-a, a metalelor cu activitate medie (Mn2+, Zn2+, Cr3+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+) se reduc la catod in acelasi timp cu moleculele de apa: Men+ + ne Me0 (Ex.: Zn2+ + 2e Zn0) si 2H2O + 2e H2 (g) + 2OH-
Teoretic se scriu aceste 2 reactii, insa la rezolvarea problemelor, ecuatia de reducere a apei nu se scrie, deoarece in aceste probleme intotdeauna se da randamentul. c) Cationii grupei a III-a, a metalelor putin active (Cu2+, Hg2+, Ag+, Pt2+, Au3+) se reduc la catod: Men+ + ne Me0;
(Ex.: Ag1+ +1e Ag0);
d) Cationii hidrogenului H+ se reduc la catod numai la electroliza solutiilor de acizi: 2H+ +2e H2 (g)
4.2 Procesele anodice in solutiile apoase de electroliti Deosebim anioni (ioni cu sarcina negativa): a) Neoxigenati (Cl-, Br-, I-, S2-); b) Oxigenati (NO3-, SO4 2-, PO4 3- etc.); a) Daca la anod nimeresc anioni neoxigenati, atunci ei se oxideaza pina la nemetale: Am –
me
A0 (Ex.: 2Cl- --2e Cl2 (g); S2- -- 2e Br2 (g));
b) Daca la anod nimeresc anionii oxigenati (si fluorul, inclusiv), in locul lor, se oxideaza moleculele de apa: 2H2O – 4e O2 + 4H+
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. 2H2O-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 referat.clopotel.ro
5
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 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. 4.4 Electroliza solutiilor care contin 2 sau mai multi ioni de metal Daca solutia contine ionii a doua sau a mai multe metale, atunci la catod se vor descarca in primul rind ionii acelui metal la care potentialul de electrod are valoarea algebrica mai mare, adica care se afla in seria tensiunilor mai spre dreapta. Spre exemplu: la electroliza solutiei ce contine ionii Zn2+ si Cu2+ la catod mai usor se reduce cuprul. Totodata, trebuie de tinut cont de concentratia ionilor in solutie, deoarece potentialul de electrod al metalului depinde de concentratia ionilor lui (formula lui Nernst). La o concentratie mai mare a ionilor de metal potentialul de electrod al metalului respectiv devine mai pozitiv si din aceasta cauza descarcarea ionilor lui decurge mai usor si, invers, la micsorarea concentratiei ionilor potentialul de electrod scade si descarcarea ionilor decurge mai greu. De aceea, la electroliza solutiilor care contin ionii mai multor metale poate fi observata descarcarea metalelor mai active. De exemplu, daca concentratia ionilor Zn2+ va fi cu mult mai mare decit concentratia ionilor Cu2+, atunci se vor reduce ionii Zn2+. Tensiunea minima la care apar fenomene vizibile si continuie de electroliza se numeste tensiune de descompunere (Ed), sau potential de descompunere. Tensiunea de descompunere Ed este egala cel putin cu f. e. m. a pilei electrice construite din produsele de electroliza. De exemplu, la electroliza solutiilor de ZnCl2 si CuCl2 la catod se depune zinc sau cupru, iar la anod se degaja clor. Se formeaza pile electrice, f. e. m. a carora este indreptata contra tensiunii aplicate. Ed pentru solutia 1 M de ZnCl2 va fi: Ed = Cl2/2Cl- -referat.clopotel.ro
Zn2+/Zn = +1,36 – (--0,76) = 2,12 V. 6
Pentru solutia 1 M de CuCl2: Ed = Cl2/2Cl -- Cu2+/Cu = 1,36 – (+0,34) = 1,02 V. Cu ajutorul electrolizei dintr-o solutie care contine mai multi ioni poate fi separat acel ion care in conditiile date are cel mai mic potential de descompunere Ed. In exemplul nostru mai intii se va separa cuprul. Astfel, reglind tensiunea, pot fi separate metalele care se afla in solutie impreuna. Metoda electrochimica de separare a metalelor se foloseste si in chimia analitica (electroanaliza). Potentialul real care este necesar pentru descompunerea electrolitului este, de fapt, mai mare decit cel calculat teoretic cu valoarea randamentului, care reprezinta supratensiunea. Supratensiunea poate fi cauzata de mai multi factori, dintre care unul este viteza mica de descarcare a ionilor. In multe cazuri reactia de descarcare a ionilor de metal pe electrod se produce cu o viteza foarte mare si, prin urmare, intregul proces de electrod este determinat de viteza de difuziune spre electrod a substantei se descarca. Intr-adevar, supratensiunea la descarcarea ionilor de cupru, zinc,argint, staniu, plumb etc. este foarte mica (citeva zeci de milivolti). La reducerea ionilor metalelor din familia fierului supratensiunea creste considerabil si atinge citeva zecimi de volti. Supratensiunea este foarte mare la obtinerea prin electroliza a hidrogenului si oxigenului. Hidrogenul se degaja la catod la un potential cu mult mai negativ decit potentialul reversibil, care corespunde valorii pH a solutiei date. Datorita acestui fapt, la electroliza solutiilor apoase ale sarurilor multor metale (Zn, Cd, Cr, Ni etc.) la catod se vor reduce ionii acestor metale, si nu hidrogenul. Aceasta se aplica la acoperirea electrolitica a diferitor obiecte cu crom, nichel, zinc etc. Supratensiunea hidrogenului depinde intr-o mare masura de natura catodului se de starea suprafetei lui. De exemplu, supratensiunea hidrogenului pe platina lucioasa este destul de mica, iar pe negru de platina (platina platinata) hidrogenul se degaja fara supratensiune. Oxigenul la anod poate sa se formeze in urma a doua semireactii: 4OH+ -- 4e O2 + 2H2O (pH>7); pH=14; = +0,40 V, 2H2O – 4e O2 + 4H+ (pH< 7); pH= 0; = + 1,2V, pH=7; = + 0,815 V. potentialul de degajare al oxigenului la anod, datorita supratensiunii, se deplaseaza spre valori pozitive mai mari si, ca urmare, daca anodul este confectionat dintr-un metal care in seria tensiunilor este situat pina la argint, atunci acesta se oxideaza si trece in solutie. De asemenea din solutiile apoase de NaBr si HCl, datorita supratensiunii oxigenului, la anodul de platina ca rezultat al electrolizei se degaja brom sau clor, si nu oxigen, cu toate ca in mediul neutru si in mediul acud potentialul de electrod al oxigenului este mai mic decit potentialul bromului (+1,06 V) si clorului (+1,36 V).
referat.clopotel.ro
7
5. Influenta naturii materialului anodului asupra procesului de electroliza Materialul catodului nu are practic nici o influenta asupra procesului de reducere in timpul electrolizei. Catodul are doar functia de a transporta electroni. In schimb materialul anodului influenteaza mersul reactiei in spatiu anodic. Exista 2 feluri de anozi: solubili si insolubili. Anozii insolubili sunt cei ce nu se oxideaza (nu se dizolva) in procesul de electroliza si servesc, ca si catozii, numai pentru a transporta electronii. Acestia sunt confectionati din aur, platina, grafit si alte substante inerte. Anozii solubili sunt electroliti ce se distrug in procesul de electroliza si trec in solutie sub forma de ioni. De exemplu: daca curentul electric va trece prin solutia de CuCl2 si va fi folosita o placa de cupru ca anod, atunci la catod se va depune cupru, iar anodul se va dizolva, formind ioni Cu2+. La anod nu seoxideaza nici ionii Cl- si nici apa, deoarece potentialul deelectrod al cuprului in mediu neutru este mai mic decit al clorului si a oxigenului. Schema electrolizei solutiei de CuCl2 cu anod de cupru: (--) catod Cu2+ + 2Cl- anod (de cupru) (+). Cu2+ + 2e = Cu Cu – 2e = Cu2+ In acest caz cuprul de la anod se transporta spre catod, iar concentratia solutiei de CuCl2 ramine constanta. Electroliza in care are loc dizolvarea anodica a elementelor este folosita in practica pentru rafinarea metalelor (cuprului, zincului, mercurului etc.), in galvanostegie si galvanoplastie. Galvanostegia este metoda de acoperire a unui metal cu alt metal prin electroliza (nichelare, aramire, zincare, spoire etc.). aceasta metoda a fost elaborata pentru prima data de catre fizicianul rus B. C. Iacobi, in 1837, care in 1847 a propus si metoda de rafinare a metalelor. Galvanoplastia este metoda de obtinere prin electroliza a tablourilor (imaginilor) in relief. referat.clopotel.ro
8
6. Aplicatiile electrolizei 6.1 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 Na2S2O8, KClO4, H2O2 etc., unor substante organice, de exemplu, anilinei din nitrobenzen; apei grele D2O 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. referat.clopotel.ro
9
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 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 Al2O3, 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 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.
referat.clopotel.ro
10
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. 6.3 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 : Cu Cu2+ + 2eLa catod: Cu2+ + 2e- Cu Reactia totala: Cu2+ + Cu Cu Cu2+ 6.4 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:
referat.clopotel.ro
11
NaCl + 3H2O NaClO3 + 3H2
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.
6.5 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 de metalul 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. 6.6 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 foarte 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 unor tensiuni putin prea mari. Electroliza se mai utilizeaza in industria uleiului comestibil, in instalatiile de intarire a grasimilor atata animale cat si vegetale. Orice automobil are nevoie de acumulator. Cele mai frecvente sunt acumulatoarele de plumb in care se toarna solutie de acid sulfuric. Acesta are rolul de element galvanic, iar la incarcarea lui la electrozi are loc electroliza. Electrozii acumulatorului de plumb reprezinta un grilaj din plumb, umplut cu oxid de plumb (II). In acumulator se toarna acid sulfuric cu o concentratie de 32—39 % (densitatea 1,24 —1.30 g/cm3). In el are loc transformarea oxidului de plumb (II) in sulfat de plumb in solutie. PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O referat.clopotel.ro
12
Incarcarea acumulatorului este un proces de electroliza: C(-) Pb2+ SO42- + 2e (incarcare) Pb0 + SO42- (reducere) A(+) Pb2+SO42- --2e + 2H2O (incarcare) PbO2 + SO42- + 4H+ (oxidare) La incarcare concentratia acidului sulfuric creste. La descarcarea acumulatorului are loc procesul invers – elementul galvanic. C(-) Pb0 – 2e + SO42- (descarcare) PbSO4 (oxidare) A(+) PbO2 +SO42- + 4H+ + 2e PbSO4 + 2H2O (reducere) Acidul sulfuric se consuma si se formeaza sulfat de plumb. Dupa cum se oserva la incarcarea si descarcarea acumulatorului ramine acelasi semn al electrodului, dar procesele si denumirea lor se schimba, deoarece anodul este electrolitul la care are loc oxidarea, iar la catod – reducerea. In electrolizele clasice parametrul controlat este densitatea de curent exprimata in A/dm patrati deoarece este cel mai usor de masurat si de mentinut constant. O perioada indelungata densitatea de curent a fost cea care a caracterizat aproape toate electrolizele desi Haber a aratat inca din 1898 , in lucrarea sa celebra asupra reducerii in trepte a nitroderivatilor , ca potentialul electrodului este parametrul care trebuie controlat . Realizarea practica electrolizei in tehnica clasica se poate face in trei moduri: la intensitatea controlata, la tensiune controlata si la potentialul controlat, dupa cum pe durata electrolizei se mentine o valoare constanta a tensiunii intre electrodul de lucrul si contraelectrodul si respectiv a potentialului electrod de lucru. In electroliza la curent controlat se foloseste un montaj care consta dintr-un electrod de lucru si un contraelectrod. In electroliza la tensiune controlata se foloseste acelasi montaj ca si in electroliza la curent controlat, Este procedeul cel mai usor de pus in practica, fiind si cel mai utilizat industrial, deoarece permite desfasurarea reactiilor pe electrod cu selectivitatea mai buna de cat in cazul precedent. In electroliza potential controlat, parametrul controlat este potentialul si el este mentinut la o valoare potrivita, aici transformarea electrochimica este selectiva. Metoda este cea mai rationala dar si cea mai complicata de pus in practica. Metoda electrochimica de sinteza prezinta o trasatura importanta subliniata si anterior: posibilitatea controlarii activitatii reactantului prin intermediul potentialului de electrod. Succesul unei electrolize depinde in mare masura de alegerea corecta a conditiilor experimentale. O alegere inteligenta a acestora este rezultatul intelegerii principiilor care controleaza reactia si a proprietatilor fiecarei parti din echipamentul electrolitic: celula, electrolizi, solvent, electrolit.
referat.clopotel.ro
13
