Grup Şcolar ,,Aurel Persu,,

ELECTROLIZA

Kocsis István KárolyXIII.B.FR.

- 2011 -

Electroliza

Dezvoltarea largă a electrochimiei industriale a început abia după inventarea şi perfecţionarea dinamului. Un rol important în dezvoltarea electrochimiei îi revine lui M. Faraday care a formulat legile fundamentale ale electrolizei. Daca e să vorbim de cuvântul “electroliza”- acesta ar însemna: “lisis”- descompunere, “electro”- curent, şi, prin urmare:

Procesul de oxido-reducere care are loc la electrozi la trecerea curentului electric continuu prin soluţia sau topitura unui electrolit se numeşte electroliza. Electrolit--substanţă chimică care se poate descompune sub influenţa unui curent electric. Cu acest scop se folosesc aşa-numitele “băi de electroliză”.

In procesul electrolizei energia electrică se transformă în energie chimică, adică în energia substanţelor formate.

Fenomenul dat este complex şi constă în următoarele: dacă introducem 2 electrozi în soluţia sau topitura unui electrolit şi-i vom unii catodul (-) şi anodul (+) unei surse de curent electric continuu, atunci, sub acţiunea câmpului electric are loc cât migraţia ionilor cu sarcina pozitivă (cationi) către catod şi a ionilor cu sarcina negativă (anioni) spre anod, cât şi neutralizarea acestora. La catod cationii adiţionează electroni şi se reduc. Anionii, apropiindu-se de anod, cedează electronii şi se oxidează.Catodul este un reducător 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.Legile electrolizei: Legile cantitative ale electrolizei au fost descoperite de catre M. Faraday (1827).

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.

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).

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.

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.

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-

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:

Me n+ + ne Me 0 ; (Ex.: Ag1+ +1e Ag0);

d) Cationii hidrogenului H+ se reduc la catod numai la electroliza solutiilor de acizi:

2H+ +2e H2 (g)

Procesele anodice in solutiile apoase de electroliti

Deosebim anioni (ioni cu sarcina negativa): a) Neoxigenati (Cl-, Br-, I-, S2-); 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) Oxigenati (NO3-, SO4 2-, PO4 3- etc.); Daca la anod nimeresc anionii oxigenati (si fluorul, inclusiv), in locul lor, se oxideaza moleculele de apa:

2H2O – 4e O2 + 4H+

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 simplificatTinand 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 + 4eDeci 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 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.

Bibliografie:

1. Mark S. Wrighton, "Electrolysis," Discovery Channel School, original content provided by World Book Online

2. http://www.discoveryschool.com/homeworkhelp/worldbook/atozscience/e/177180.html

3. http://www.ucdsb.on.ca/tiss/stretton/chem2/electro9.htm

4. http://www.madsci.org/posts/archives/may98/893874472.Ch.r.html

5. http://host2.mbcomms.net.au/tg/gtg/tfb-elect.html

6. Sanda Fatu, Cornelia Costin, Adina Toescu, Chimie, manual pentru clasa a XII-a, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1997 27141sbx13vcu1t

7. Constantin Ionescu, Chimie Fizica, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982