Obținerea cuprului pe cale electrolitică

1. Considerații generale

Obținerea metalelor pe cale electrolitică, din soluții apoase (electrometalurgia), a luat

o mare dezvoltare încă din secolul XX, având importante aplicații industriale. Acestea s-au

orientat spre patru direcții principale:

Rafinarea electrolitică a metalelor, procedee electrometalurgice cu anod solubil, (în

care un metal, conținând un anumit procent de impurități, este purificat prin dizolvare

anodică și electrodepunere catodică, care se petrec simultan). În acest caz impuritățile mai

nobile decât metalul, nedizolvându-se, formează un depozit pulverulent numit nămol anodic.

Procedeele electrometalurgice cu anod insolubil permit obținerea metalelor în stare

pură, prin electroliza unor săruri solubile, obținute la rândul lor din minerale, prin

transformări chimice.

Galvanotehnica, care are drept scop acoperirea unor metale cu un strat subțire dintrun

alt metal în vederea ameliorării proprietăților suprafeței din punct de vedere tehnic sau

estetic. De regulă, aceasta urmărește mărirea rezistenței la coroziune sau a durității.

Obținerea de pulberi metalice, de granulație bine definită, pentru scopuri speciale (de

ex. metalurgia pulberilor) adoptă niște condiții de lucru care să conducă la depozite ce aderă

cât mai puțin la catod.

În prezenta lucrare de laborator se vor utiliza parametrii procesului de electroliză

astfel ca aceasta să conducă la obținerea de pulberi metalice. Reacțiile principale la cei doi

electrozi determină o puritate ridicată a metalului obținut. Aceste reacții (procese de

electrod), în cazul obținerii pulberii de cupru, sunt:

La catod (−) Cu2+ + 2e− - Cu (1)

La anod (+) Cu - Cu2+ + 2e− (2)

Depuneri metalice. În procesele electrometalurgice tipul depunerilor metalice depinde

de natura metalului și de condițiile de electroliză. Principalele condiții ce influențează

depunerile metalice sunt:

- viteza de refacere a concentrației ionilor metalici la interfața catod−electrolit;

- mobilitatea atomilor metalici, după descărcarea ionilor la catod dar înainte de

fixarea în rețeaua metalică;

- natura electrolitului;

- prezența unor constituenți străini în soluție (de natură electrolitică sau coloidală);

- polarizarea catodică.

În practică, toți acești factori sunt determinați de următorii parametri principali ai

procesului:

- densitatea de curent;

- natura și concentrația electrolitului;

- agitarea și temperatura băii.

Separarea electrolitică a metalului se produce din momentul în care electrodul imersat

în soluție este polarizat catodic în așa fel ca tensiunea electrod - electrolit să fie cu puțin mai

negativă decât potențialul, εo (de reducere) corespunzător echilibrului:

M+

(aq) + e−

M (3)

Acest lucru este necesar deoarece la valoarea potențialului de reducere, pentru

desfășurarea electrolizei, se mai adaugă un anumit suprapotențial (supratensiune).

Fenomenele ce au loc la descărcarea electrolitică a unui metal, în cazul de față al

cuprului, implică câteva etape succesive. Cationii, aflați în imediata vecinătate a stratului

dublu electric, adiacentă electrodului, sunt evident hidratați și/sau complexați. În consecință

la trecerea cationului de la starea inițială la cea finală, de atom metalic făcând parte dintr-o

rețea cristalină, vor avea loc mai multe reacții intermediare:

(1) deshidratare, (2) trecere în stări de oxidare inferioare, (3) reacții cu apa - cu formare de

intermediari insolubili (hidroxizi sau oxizi hidratați), (4) descărcarea cationilor, și (5)

formarea din atomii metalici ai rețelei cristaline.

Când ionul metalic se descarcă, stratul imediat vecin electrodului denumit “stratul de

difuzie” sărăcește în cationi. Pe de altă parte, spre acesta se îndreaptă noi cationi, prin difuzie,

cationi ce provin din soluție, care se deplasează sub influența câmpului electric și a diferenței

de concentrație. În funcție de condițiile de electroliză depozitul obținut poate fi compact (C)

sau pulverulent (P), după cum urmează:

1. Crește densitatea de curent (C) - (P)

2. Crește concentrația electrolitului

propriu ... (C)  (P)

indiferent ... (C) - (P)

3. Crește agitarea .. (C) - (P)

4. Crește temperatura ... (C)  (P)

Se poate observa că creșterile concentrației electrolitului propriu, a agitării și a

temperaturii conduc la depozite compacte, în cazul de față nedorite. Deci, depunerea

metalului sub formă de pulbere este favorizată de:

- densitate de curent ridicată (În cazul de față circa 8A- dm−2);

- concentrație a electrolitului indiferent ridicată (în cazul nostru H2SO4);

- temperaturi scăzute;

- eventual adaos de substanțe coloidale (care îngreunează și mai mult difuzia

electrolitului propriu).

Reacții secundare la electrodepunerea cuprului. Cuprul poate exista în două stări de

oxidare: Cu+ și Cu2+. Deși în soluția inițială se introduce doar Cu2+, în prezența Cu metalic se

stabilește echilibrul:

Cu2+ + Cu 2Cu+ (4)

La temperatura obișnuită acesta este puternic deplasat spre stânga. Doar la ridicarea

temperaturii echilibrul se deplasează spre dreapta, favorizându-se impurificarea cuprului

obținut cu specii insolubile ale cuprului (I), anume Cu2O. Această substanță apare, ca urmare

a hidrolizei, din specia Cu+ ce rezultă din echilibrul de hidroliză:

2Cu+

(aq) + H2O(l) 2H+

(aq) + Cu2O(s) (5)

Mediul puternic acid previne acest echilibru. De aceea electrolitul trebuie să conțină

acid sulfuric în concentrație de 100 - 200 g/l iar baia de electroliză trebuie răcită deoarece

densitatea de curent ridicată, necesară, provoacă tocmai încălzirea băii.

Metoda electrolitică este o metodă utilă, nu numai pentru obținerea pulberii de Cu dar

și pentru obținerea pulberilor altor metale ca de exemplu: Zn, Fe, Cd, Sn, Sb, As, Ni și W.