Electrochimie

1. Electrochimia

Reprezintă o ramură a chimiei-fizice, care studiază sistemele care conţin ioni, precum şi procesele care decurg la suprafeţele de separare a fazelor cu participarea particulelor încărcate - ioni şi electroni.

Fenomenele produse de trecerea curentului electric prin electroliţi pot fi:

- fen. fizice–migrarea ionilor în soluţii la aplicarea unui câmp electric;

- fen. chimice – descărcarea substanţelor la electrozi

1.1 Clasificarea electrochimiei

- Ionică („Ionics”) – studiul echilibrelor ionice din soluţiile de electroliţi;

- Electrodică („Electrodics”) – studiul proceselor de electrod (studiul reacţiilor care se produc la electrod);

- Studiul stratului dublu electric de la interfață – se consideră a fi o punte de legătură între Ionics (I.) şi Electrodics (II.)

2. 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.

2.1 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.

2.2 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+ + 2e-

La catod: Cu2+ + 2e- ---> Cu Reactia totala: Cu2+ + Cu ---> Cu ---> Cu2+

2.3 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.