electro liza

ELECTROLIZA

Elev: TUDORA BIANCAcl. a XII-a B

Electroliza

• Procesul descompunerii unei substanţe chimice cu ajutorul curentului electric poartă numele de electroliză.

• Fenomenul constă în migrarea ionilor la electrozi, neutralizarea acestora, apoi reacţia produşilor formaţi între ei sau cu moleculele de solvent.

• Aparatul în care se efectuează electroliza se numeşte electrolizor sau celulă electrolitică.

• Un electrizor este format din doi electrozi metalici (sau din grafit) cufundaţi într-o soluţie de electrolit şi conectaţi la o sursă de curent continuu. Electrodul legat la polul pozitiv se numeşte anod, iar cel legat la polul negativ se numeşte catod.

• În soluţii de electroliţi ionii au mişcări dezordonate, dar sub influenţa unui câmp electric, mişcarea lor devine dirijată, ionii migrând în soluţie conform legii lui Coulomb, Ionii încărcaţi pozitiv migrează spre catod (sunt cationi), iar cei încărcaţi negativ migrează spre anod ( sunt anioni).

Electroliza

Electroliza

• În procesul de electroliză se disting două etape, în prima etapă la contactul dintre suprafaţa electrozilor şi ionii migratori se produce „neutralizarea” ionilor, când aceştia pierd sarcinile lor electrice. La catod, ionii primesc electroni şi se „descarcă” (se reduc) devenind atomi neutri. La nod, ionii negativi cedează electronii (se oxidează) şi trec în atomi neutri sau în radicali liberi. Reacţiile de oxido-reducere care se petrec la electrozi se numesc reacţii primare ale electrolizei. Sursa de curent funcţionează ca o „pompă” aspiro-respingătoare, primeşte electroni la anod şi îi trimite la catod.

• În etapa a doua a procesului de electroliză, atomii şi respectiv radicalii liberi se combină între ei formând molecule, sau se combină cu dizolvantul şi în puţine cazuri (dacă este un electrod din grafit) pot reacţiona chiar cu electrodul, aceste transformări se numesc reacţii secundare ale electrolizei. Substanţele care rezultă prin electroliză, apar numai la electrozi şi nu în spaţiul dintre ei.

• Electroliza (schema generală)

• Ecuaţia reacţiei globale este:

Electroliza

Legile Electrolizei

• Legile electrolizei au fost descoperite de Faraday în 1833, acestea reflectă legătura dintre cantitatea de substanţă separată sau dizolvată la electrozi şi cantitatea de electricitate ce trece prin soluţia de electrolit. Legile sunt în număr de două.

• 1. Masele de substanţă depuse, degajate sau dizolvate la cei doi electrozi sunt proporţionale cu cantitatea de electricitate trecută prin electrolit:

• unde:• m - este cantitatea de substanţă exprimată în g• I - intensitatea urentului, în amperi• t - durata electrolizei, în secunde• K - echivalent electrochimic, K = m/Q reprezintă cantitatea de

substanţă depusă la electrod la trecerea unui curent de 1A timp de o secundă.

tIKKQm

• 2. Masele de substanţe depuse, degajate sau dizolvate la cei doi electrozi prin trecerea aceleiaşi cantităţi de electricitate sunt proporţionale cu echivalenţii chimici ai substanţelor:

• Pentru descărcarea unui ion monovalent intervine ăn reacţie un electron, a cărui sarcină este . Cunoscând că un echivalent gram conţine particule, rezultă că pentru descărcarea unui echivalent gram dintr-o substanţă este necesară o cantitate de electricitate dată de produsul

• Această cantitate de electricitate poartă numele de un faraday și se notează F.

n

Am

C1910602,1 2310023,6

C9649410023.610602,1 2319

Legile Electrolizei

• Aplicând prima lege a electrolizei pentru un echivalent (E) de substanţă, rezultă , cantitatea de electricitate Q fiind în acest caz

• și deci

• adică echivalentul electrochimic K este proporţional cu echivalentul chimic.

• Un faraday este dat de raportul dintre echivalentul chimic şi cel

electrochimic:

FKE tIF

F

EK

K

EF

Legile Electrolizei

• Ştiind că echivalentul chimic reprezintă raportul dintre masa atomică A şi valenţa n rezultă

• şi substituind în prima lege a electrolizei, rezultă

• legea generală a electrolizei, conform căreia cantitatea de substanţă transformată la electrozi este proporţională cu cantitatea de electricitate care trece prin soluţia de electrolit şi echivalentul chimic.

nF

AK

tInF

Am

Legile Electrolizei

Uitlizări ale electrolizei

• Electroliza are largi aplicaţii în industria chimică şi metalurgică. Prin electroliză se obţine hidroxid de sodiu electrolitic, clor, hidrogen, hipocloriţi, cloraţi, permanganat de potasiu, sodiu, aluminiu.

• Electroliza se foloseşte la rafinarea unor metale: cupru, argint, aur, zinc, nichel, plumb cât şi la acoperirea unor metale cu altele de protecţie (galvano – stegie) sau în scop decorativ.

• Electroliza permite obţinerea unor substanţe organice: sinteza anodică Kolbe, reducerea electrochimică a nitroderivaţilor etc.

Electroliza apei alcalinizate

• În stare pură apa nu conduce curentul electric sau conduce exterm de puţin; electroliza ei se face în prezenţa unui electrolit de NaOH sau H2SO4.

• Considerând electroliza apei în oprezenţă de NaOH, în soluţia apoasă apar ioni prin disocierea electrolitică a hidroxidului de sodiu dar şi prin autoprotoliza apei:

• Au loc următoarele reacţii primare:

HOOHOH

HONaNaOH

322

HOeHOanodla

OHHeOHcatodla

222:)(

:)(23

Electroliza apei alcalinizate

• Reacţiile secundare sunt:

Se observă că la electrozi se descarcă numai ionii apei; hidrogenul se degajă la catod, iar oxigenul la anod, în proporţie de 2 la 1, ceea ce se observă şi experimental prin măsurarea volumelor celor două gaze.

22

2

2/12:

)(2:

OOHHOanodla

coligaredeprocesHHcatodla

Electroliza apei acidulate

• Se folosesc electrozi confecţionaţi din Pt sau din cărbune. Dacă apa este acidulată cu H2SO4 au loc următoarele procese chimice la cei doi electrozi:

2

2

3

3

2

4

32

2

43242

2/1

22)(

2

2)()(

224

22

OO

OOHeHOA

OH

OHC

HO

SOA

HOOHOH

SOOHOHSOH

Electroliza apei acidulate

• În soluţie rămân:

1

2

2/12

2222)(

2

2

2

23

O

H

n

n

OH

HOHeOHC

2

432 SOOH

Electroliza soluţiei apoase de NaCl

• În unele cazuri, în procesul de electroliză intervin şi ionii apei; pe lângă reacţiile de descărcare a ionilor la electrozi (reacţii primare) au loc şi alte reacţii la care participă ionii solventului (reacţii secundare). Să urmărim experimentul electrolizei soluţiei de NaCI (la care participă şi ionii apei).


• Anodul este confecţiont din cărbune, iar catodul din Fe perforat. Ecuaţiile reacţiilor chimice care au loc sunt:

VHOHeOH

VNaeNaC

HO

ClA

OH

NaC

HOOHOH

ClNaNacl

red

red

41,0222

71,21)(

)()(

2

0

22

0

3

32


• Potenţialul de reducere al apei fiind mai mic ca al ionului Na+, se va reduce întâi apa, pentru aceasta fiind necesară o energie mai mică.

• În soluţie rămân ionii: Na++HO-. Ecuaţia reacţiei globale este:

VHOeOH

VClCleClA

ox

ox

82,022/12

36,1222)(0

22

0

2

VE

NaOHClHOHNaCl

redoxt77,141,036,1

22200

222


• Pentru ca electroliza să decurgă trebuie ca tensiunea aplicată la bornele instalaţiei de electroliză să depăşească 1,77V.

• În spaţiul anodic clorul format reacţionează cu apa.

• Pentru a evita ca între între produşii de electroliză (Cl2 şi NaOH) să se desfăşoare reacţii chimice nedorite, spaţiul anodic se separă catodic. În acest scop se pot utiliza diafragme. În mod obişnuit se foloseşte o diafragmă din plasă de fier impregnată cu sulfat de bariu.

• Aceasta permite doar trecerea ionilor SO2-4.Mai nou se folosesc

diafragme confectionate din polimeri.Solutia de NaOH obtinuta prin acest procedeu are concentratia de 33%.

HClOHClOHCl 22

• Într-un tub de sticlă în formă de U se introduce o soluţie de sulfat de cupru 0,5 M. În fiecare braţ al tubului se fixează câte un electrod de cărbune conectat la o sursă de curent electric. Se inchide circuitul cu ajutorul întrerupătorului şi se observă fenomenele care se petrec la electrozi. După un timp se observă depunerea unui strat de cupru la catod şi degajarea unui gaz la anod.

• Ecuatiile reacţiilor de la electrozi sunt:

Electroliza soluției de CuSO4

2

2

2

32

2

4

2

4

2/1

22)(

2)(

2

OO

OOHeHOA

CueCuC

HOOHOH

SOCuCuSO

• Ecuatia reacţiei totale care are loc la electroliza unei soluţii de sulfat de cupru este:

• În soluție rămân ionii

Interpretarea rezultatelor

• Soluţia din vasul de electroliză conţine ionii Cu2+ şi SO42- proveniţi din

ionizarea CuSO4 şi ioni H+ şi HO- rezultaţi din ionizarea apei. La trecerea curentului electric are loc migrarea ionilor şi descărcarea lor la electrozi. La catod, ionii Cu2+ (-0,34 V) se reduc, deoarece au potenţialul de reducere mai mic decât al ionilor H3O+ ( 0 V), iar la anod se oxidează molecula de apă cu potenţial de oxidare mai mic decât al ionilor SO4

2- ( +2,00 V).

422242222 SOHOCuOHCuSO

Electroliza soluției de CuSO4

2

432 SOOH

Electroliza soluției de KI

• Se constată că fenolftaleina picurată la catodul instalației alăturate se înroșește, culoarea roşie indică prezenţa unui mediu bazic în timp ce amidonul picurat la anod devine albastru, culoarea albastră care apare indică prezenţa iodului.

• Ecuațiile reacțiilor chimice care au loc la cei doi electrozi sunt:

• În soluție rămân: KOH• Ecuația globală a reacției este:

2

2

23

32

2

1)(

2

1)(

2

II

IeIA

HH

HOHeOHC

HOOHOH

IKKI

223222 IHKOHOHKI


Interpretarea rezultatelor

• Soluţia conţine ioni K+ şi I- proveniţi prin ionizarea KI, şi ioni H+ (în apă există ioni H3O+) şi HO- rezultaţi prin ionizarea apei. La trecerea curentului electric, ionii sunt orientaţi către cei doi electrozi. La electrodul negativ (catod) se produce reducerea ionilor H3O+, deoarece au potenţial de reducere mai mare decât a ionilor K+ (-2,92V), în timp ce la electrodul pozitiv (anod) are loc oxidarea (0,52V), deoarece oxidarea apei se realizează la o tensiune mult mai mare (1,23V).

223222 IHKOHOHKI


Rafinarea cuprului

• Rafinarea cuprului prin electroliză conduce la obținerea de cupru ultrapur; plăcile pot fi folosite și cu rol de catod în cuvele (băile) de electroliză. Electrolitul e o soluție apoasă de CuSO4, catodul, foi de cupru ultrapur și anodul, cupru impur. Puritatea cuprului astfel obținut e de 99,95%. Ecuațiile reacțiilor care au loc sunt:

• la catod (-) : Cu2+ + 2e- Cu• la anod (+) : Cu - 2e- Cu2+

electro liza

Documents