Eletrólise – princípio de ação, finalidade e aplicação

Processos de eletrólise

A eletrólise é amplamente difundida na metalurgia de não ferrosos e em várias indústrias químicas. Metais como alumínio, zinco, magnésio são obtidos principalmente por eletrólise. Além disso, a eletrólise é usada para refinar (purificar) cobre, níquel, chumbo, bem como para produzir hidrogênio, oxigênio, cloro e vários outros produtos químicos.

A essência da eletrólise é a separação das partículas da substância do eletrólito quando uma corrente direta passa pelo banho eletrolítico e sua deposição nos eletrodos imersos no banho (eletroextração) ou quando as substâncias são transferidas de um eletrodo através do eletrólito para outro ( refino eletrolítico). Em ambos os casos, o objetivo dos processos é obter as substâncias mais puras possíveis e não contaminadas por impurezas.

Em contraste condutividade eletrônica metais em eletrólitos (soluções de sais, ácidos e bases em água e em alguns outros solventes, bem como em compostos fundidos), observa-se condutividade iônica.

Os eletrólitos são condutores de segunda classe.Nessas soluções e fusões, ocorre a dissociação eletrolítica - a desintegração de íons carregados positivamente e negativamente.

Se os eletrodos conectados a uma fonte de energia elétrica forem colocados em um recipiente com um eletrólito - um eletrolisador, uma corrente iônica começará a fluir nele e íons carregados positivamente - cátions se moverão para o cátodo (estes são principalmente metais e hidrogênio ) e íons carregados negativamente - ânions (cloro, oxigênio) - para o ânodo.

No ânodo, os ânions desistem de sua carga e se tornam partículas neutras que se depositam no eletrodo. No cátodo, os cátions retiram elétrons do eletrodo e também são neutralizados, depositando-se nele, e os gases liberados nos eletrodos em forma de bolhas sobem.

Arroz. 1. Processos durante a eletrólise. Circuito de banho elétrico: 1 — banho, 2 — eletrólito, 3 — ânodo, 4 — cátodo, 5 — fonte de alimentação

A corrente elétrica no circuito externo é o movimento dos elétrons do ânodo para o cátodo (Fig. 1). Nesse caso, a solução é esgotada e, para manter a continuidade do processo de eletrólise, ela deve ser enriquecida. É assim que certas substâncias são extraídas do eletrólito (eletroextração).

Se o ânodo pode se dissolver no eletrólito, à medida que este se esgota, então suas partículas, dissolvendo-se no eletrólito, adquirem uma carga positiva e são direcionadas para o cátodo, no qual são depositadas, transferindo assim o material do ânodo para o cátodo . Como o processo é realizado de forma que as impurezas contidas no metal do ânodo não sejam transferidas para o cátodo, esse processo é chamado de refino eletrolítico.

Se o eletrodo for colocado em uma solução com íons da mesma substância da qual é feito, então, em um certo potencial entre o eletrodo e a solução, nem o eletrodo se dissolve nem a substância é depositada nele a partir da solução.

Esse potencial é chamado de potencial normal da substância. Se um potencial mais negativo for aplicado ao eletrodo, então a liberação de uma substância (processo catódico) começará nele, mas se for mais positivo, sua dissolução começará (processo anódico).

O valor dos potenciais normais depende da concentração de íons e da temperatura. É geralmente aceito considerar o potencial normal do hidrogênio como zero. A Tabela 1 mostra os potenciais de eletrodo normais de algumas soluções aquosas de substâncias a + 25 ° C.

Tabela 1. Potenciais de eletrodo normais a + 25 ° C

Se o eletrólito contiver íons de metais diferentes, então os íons com um potencial normal negativo mais baixo (cobre, prata, chumbo, níquel) são separados primeiro no cátodo; os metais alcalino-terrosos são os mais difíceis de isolar. Além disso, sempre há íons de hidrogênio em soluções aquosas, que serão liberados antes de todos os metais com potencial normal negativo; portanto, durante a eletrólise deste último, uma parte significativa ou mesmo a maior parte da energia é gasta na liberação de hidrogênio .

Com a ajuda de medidas especiais, é possível evitar a evolução do hidrogênio dentro de certos limites, mas metais com potencial normal inferior a 1 V (por exemplo, magnésio, alumínio, metais alcalino-terrosos) não podem ser obtidos por eletrólise de um solução aquosa. Eles são obtidos pela decomposição dos sais fundidos desses metais.

Potenciais de eletrodo normais de substâncias indicadas na tabela.1, são mínimos em que o processo de eletrólise começa, na prática são necessários grandes valores do potencial para o desenvolvimento do processo.

A diferença entre o potencial real de um eletrodo durante a eletrólise e seu potencial normal é chamada de sobretensão. Aumenta as perdas de energia durante a eletrólise.

Por outro lado, o aumento da sobretensão dos íons de hidrogênio dificulta sua liberação no cátodo, o que permite obter por eletrólise de soluções aquosas uma série de metais mais negativos que o hidrogênio, como chumbo, estanho, níquel , cobalto, cromo e até zinco. Isso é obtido conduzindo o processo com densidades de corrente aumentadas nos eletrodos, bem como introduzindo certas substâncias no eletrólito.

O curso das reações catódicas e anódicas durante a eletrólise é determinado pelas duas leis de Faraday a seguir.

1. A massa da substância md liberada durante a eletrólise no cátodo ou passada do ânodo para o eletrólito é proporcional à quantidade de eletricidade passada pelo eletrólito Azτ: me = α/τ, aqui a é o equivalente eletroquímico da substância , g / C.

2. A massa da substância liberada durante a eletrólise com a mesma quantidade de eletricidade é diretamente proporcional à massa atômica da substância A e inversamente proporcional à sua valência n: mNS = A / 96480n, aqui 96480 é o número de Faraday, C x mol -1 .

Dessa forma, o equivalente eletroquímico de uma substância α= A / 96480n representa a massa de uma substância em gramas liberada por uma quantidade unitária de eletricidade que passa pelo banho eletrolítico — um coulomb (ampère-segundo).

Para cobre A = 63,54, n =2, α =63,54/96480-2= 0,000329 g / C, para níquel α =0,000304 g / C, para zinco α = 0,00034 g / C

De fato, a massa da substância liberada é sempre menor do que a indicada, o que é explicado por vários processos colaterais que ocorrem no banho (por exemplo, liberação de hidrogênio no cátodo), vazamento de corrente e curto-circuito entre os eletrodos.

A razão entre a massa da substância realmente liberada e sua massa que deveria ter sido liberada de acordo com a lei de Faraday é chamada de rendimento atual da substância η1.

Portanto, para um processo real mNS = η1 NS (A/96480n) NS It

Naturalmente, sempre η1

A eficiência de corrente é significativamente dependente da densidade de corrente do eletrodo. À medida que a densidade da corrente do eletrodo aumenta, a eficiência da corrente aumenta e a eficiência do processo aumenta.

A tensão Uel que deve ser fornecida ao eletrolisador consiste em: tensão de ruptura Ep (diferença de potencial das reações anódica e catódica), soma das sobretensões anódica e catódica, queda de tensão no eletrólito Ep, queda de tensão no eletrólito Ue = IRep (Rep — resistência eletrolítica), queda de tensão nos pneus, contatos, eletrodos Uc = I(Rw +Rto +RNS). Obtemos: Uel = Ep + Ep + Ue + Us.

A potência consumida durante a eletrólise é igual a: Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)

Dessa potência, apenas o primeiro componente é utilizado para conduzir reações, o restante são perdas de calor do processo. Somente durante a eletrólise dos sais fundidos, parte do calor liberado no eletrólito IUe é aproveitado, pois é gasto na fusão dos sais carregados no eletrolisador.

A eficiência do banho de eletrólise pode ser estimada pela massa de substância em gramas liberada por 1 J de eletricidade consumida.Esse valor é chamado de rendimento energético de uma substância. Pode ser encontrado pela expressão qe = (αη1) /Uel100, aqui α — equivalente eletroquímico de uma substância, g / C, η1 — saída de corrente, Uemail — tensão de um eletrolítico celular, v.