A questão do que é a eletrólise é considerada no curso de física da escola e, para a maioria das pessoas, não é segredo. Outra coisa é a sua importância e aplicação prática. Este processo é usado com grande benefício em várias indústrias e pode ser útil para o artesão doméstico.
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O que é eletrólise?
A eletrólise é um complexo de processos específicos no sistema de eletrodos e eletrólitos quando uma corrente elétrica direta flui através dele. Seu mecanismo é baseado na ocorrência de uma corrente iônica. O eletrólito é um condutor tipo 2 (condutividade iônica) em que ocorre a dissociação eletrolítica. Está associado à decomposição em íons com positivo (cátion) e negativo (ânion) carregar.
O sistema de eletrólise contém necessariamente um positivo (ânodo) e negativo (cátodo) eletrodo. Quando uma corrente elétrica direta é aplicada, os cátions começam a se mover em direção ao cátodo e os ânions - em direção ao ânodo. Os cátions são principalmente íons metálicos e hidrogênio, e os ânions são oxigênio, cloro. No cátodo, os cátions ligam o excesso de elétrons a si mesmos, o que garante a ocorrência da reação de redução Men+ + ne → Me (onde n é a valência do metal). No ânodo, pelo contrário, um elétron é doado do ânion com uma reação oxidativa ocorrendo.
Assim, um processo redox é fornecido no sistema. É importante considerar que para o seu fluxo é necessária energia adequada. Deve ser fornecido por uma fonte de corrente externa.
Leis da eletrólise de Faraday
O grande físico M. Faraday, com suas pesquisas, possibilitou não só entender a natureza da eletrólise, mas também fazer os cálculos necessários para sua implementação. Em 1832, surgiram suas leis, ligando os principais parâmetros dos processos em andamento.
Primeira lei
A primeira lei de Faraday afirma que a massa da substância que está sendo reduzida no ânodo é diretamente proporcional à carga elétrica induzida no eletrólito: m = kq = k*I*t, onde q é a carga, k é o coeficiente ou equivalente eletroquímico da substância, I é a intensidade da corrente que flui através do eletrólito, t é o tempo de passagem da corrente.
Segunda lei
A segunda lei de Faraday permitiu determinar o coeficiente de proporcionalidade k. Soa assim: o equivalente eletroquímico de qualquer substância é diretamente proporcional à sua massa molar e inversamente proporcional à valência. A lei é expressa como:
k = 1/F*A/z, onde F é a constante de Faraday, A é a massa molar da substância, z é sua valência química.
Levando em conta ambas as leis, é possível derivar a fórmula final para calcular a massa depositada no eletrodo da substância: m = A*I*t/(n*F), onde n é o número de elétrons envolvidos na eletrólise. Normalmente n corresponde à carga do íon. Do ponto de vista prático, é importante a conexão entre a massa de uma substância e a corrente aplicada, o que possibilita o controle do processo alterando sua força.
Eletrólise de fusão
Uma das opções para eletrólise é o uso de um fundido como eletrólito. Neste caso, apenas os íons fundidos participam do processo de eletrólise. Um exemplo clássico é a eletrólise do sal fundido NaCl (sal). Os íons negativos correm para o ânodo, o que significa que o gás é liberado (Cl). A redução do metal ocorrerá no cátodo, ou seja, deposição de Na puro formado a partir de íons positivos que atraíram elétrons em excesso. Outros metais podem ser obtidos de forma semelhante (K, Ca, Li, etc.) do massacre dos sais correspondentes.
Durante a eletrólise em um fundido, os eletrodos não sofrem dissolução, mas participam apenas como fonte de corrente. Em sua fabricação, você pode usar metal, grafite, alguns semicondutores. É importante que o material tenha condutividade suficiente. Um dos materiais mais comuns é o cobre.
Características da eletrólise em soluções
A eletrólise em uma solução aquosa difere significativamente de uma fusão. Três processos concorrentes ocorrem aqui: oxidação da água com evolução de oxigênio, oxidação aniônica e dissolução anódica do metal. Os íons de água, eletrólito e ânodo estão envolvidos no processo.Consequentemente, a redução de hidrogênio, cátions eletrolíticos e metal do ânodo pode ocorrer no cátodo.
A possibilidade desses processos concorrentes ocorrerem depende da magnitude dos potenciais elétricos do sistema. Somente o processo que requer menos energia externa prosseguirá. Consequentemente, os cátions com o potencial máximo do eletrodo serão reduzidos no cátodo, e os ânions com o menor potencial serão oxidados no ânodo. O potencial de eletrodo de hidrogênio é tomado como "0". Por exemplo, para o potássio é (-2,93V), sódio - (-2,71V), conduzir (-0,13V), enquanto a prata tem (+0,8 V).
Eletrólise em gases
O gás pode desempenhar o papel de um eletrólito apenas na presença de um ionizador. Neste caso, a corrente que passa pelo meio ionizado provoca o processo necessário nos eletrodos. No entanto, as leis de Faraday não se aplicam à eletrólise do gás. Para sua implementação, são necessárias as seguintes condições:
- Sem ionização artificial do gás, nem alta tensão nem alta corrente ajudarão.
- Apenas ácidos que não contêm oxigênio e estão em estado gasoso, e alguns gases são adequados para eletrólise.
Importante! Quando as condições necessárias são atendidas, o processo prossegue de forma semelhante à eletrólise em um eletrólito líquido.
Características dos processos que ocorrem no cátodo e no ânodo
Para a aplicação prática da eletrólise, é importante entender o que acontece em ambos os eletrodos quando uma corrente elétrica é aplicada. Os processos típicos são:
- Cátodo. Íons carregados positivamente correm para ele. Aqui, ocorre a redução de metais ou a evolução de hidrogênio. Existem várias categorias de metais de acordo com a atividade catiônica.Metais como Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al são bem reduzidos apenas a partir de sais fundidos. Se uma solução é usada, o hidrogênio é liberado devido à eletrólise da água. É possível obter redução em solução, mas com concentração suficiente de cátions, para os seguintes metais - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. O processo prossegue mais facilmente para Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
- Ânodo. Íons carregados negativamente entram neste eletrodo. Oxidados, eles retiram elétrons do metal, o que leva à sua dissolução anódica, ou seja, transição para íons carregados positivamente, que são enviados para o cátodo. Os ânions também são classificados de acordo com sua atividade. Esses ânions PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F podem ser descarregados apenas de fundidos. Em soluções aquosas, não são eles que sofrem eletrólise, mas água com liberação de oxigênio. Ânions como OH, Cl, I, S, Br reagem mais facilmente.
Ao garantir a eletrólise, é importante levar em consideração a tendência do material do eletrodo de oxidar. Nesse sentido, destacam-se os anodos inertes e ativos. Os eletrodos inertes são feitos de grafite, carbono ou platina e não participam do fornecimento de íons.
Fatores que afetam o processo de eletrólise
O processo de eletrólise depende dos seguintes fatores:
- Composição eletrolítica. Várias impurezas têm um efeito significativo. Eles são divididos em 3 tipos - cátions, ânions e orgânicos. As substâncias podem ser mais ou menos negativas que o metal base, o que interfere no processo. Entre as impurezas orgânicas, destacam-se os poluentes (por exemplo, óleos) e surfactantes. Sua concentração tem valores máximos permitidos.
- densidade atual. De acordo com as leis de Faraday, a massa da substância depositada aumenta com o aumento da força da corrente. No entanto, surgem circunstâncias desfavoráveis - polarização concentrada, aumento da tensão, aquecimento intenso do eletrólito. Com isso em mente, existem valores ideais de densidade de corrente para cada caso específico.
- pH do eletrólito. A acidez do ambiente também é selecionada levando em consideração os metais. Por exemplo, o valor ideal de acidez eletrolítica para o zinco é 140 g/cu.dm.
- Temperatura do eletrólito. Tem um efeito ambíguo. Com o aumento da temperatura, a taxa de eletrólise aumenta, mas a atividade das impurezas também aumenta. Existe uma temperatura ideal para cada processo. Geralmente está na faixa de 38-45 graus.
Importante! A eletrólise pode ser acelerada ou retardada por várias influências e pela escolha da composição eletrolítica. Cada aplicação tem seu próprio regime, que deve ser rigorosamente observado.
Onde a eletrólise é usada?
A eletrólise é usada em muitas áreas. Existem várias áreas principais de uso para obter resultados práticos.
Galvanoplastia
Um revestimento de metal fino e durável pode ser aplicado por eletrólise. O produto a ser revestido é instalado no banho na forma de cátodo, e o eletrólito contém um sal do metal desejado. Então você pode cobrir o aço com zinco, cromo ou estanho.
Eletrorrefinação - refino de cobre
Um exemplo de limpeza elétrica pode ser a seguinte opção: cátodo - cobre puro ânodo - cobre com impurezas, eletrólito - uma solução aquosa de sulfato de cobre. O cobre do ânodo passa para os íons e se instala no cátodo já sem impurezas.
Mineração de metais
Para obter metais a partir de sais, eles são transferidos para o fundido e, em seguida, a eletrólise é fornecida nele. Tal método é bastante eficaz para obter alumínio a partir de bauxitas, sódio e potássio.
Anodização
Neste processo, o revestimento é feito de compostos não metálicos. Um exemplo clássico é a anodização de alumínio. A parte de alumínio é instalada como um ânodo. O eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico. Como resultado da eletrólise, uma camada de óxido de alumínio é depositada no ânodo, que possui propriedades protetoras e decorativas. Essas tecnologias são amplamente utilizadas em diversas indústrias. Você pode realizar os processos com suas próprias mãos em conformidade com os regulamentos de segurança.
Custos de energia
A eletrólise requer altos custos de energia. O processo será de valor prático se a corrente anódica for suficiente, e para isso é necessário aplicar uma corrente contínua significativa da fonte de alimentação. Além disso, quando é realizado, ocorrem perdas de tensão laterais - sobretensão de ânodo e cátodo, perdas no eletrólito devido à sua resistência. A eficiência da instalação é determinada relacionando a potência de consumo de energia com uma unidade de massa útil da substância obtida.
A eletrólise é utilizada na indústria há muito tempo e com alta eficiência. Revestimentos anodizados e galvanizados tornaram-se comuns no dia a dia, e a mineração e beneficiamento de materiais ajudam a extrair muitos metais do minério. O processo pode ser planejado e calculado, conhecendo seus principais padrões.
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