Electrólisis
La electrólisis es un método para realizar reacciones químicas con activación eléctrica. Es el proceso de convertir la energía eléctrica en energía química. También permite, en la industria química, la separación de elementos o la síntesis de compuestos químicos . También participa en la clasificación de sustancias puras.
La electrólisis se utiliza en diversos procesos industriales, como la producción de hidrógeno por electrólisis de agua , la producción de aluminio o cloro , o para el enchapado de objetos por galvanoplastia .
Histórico
La primera electrólisis de corriente continua ( electrólisis de agua ) se llevó a cabo en2 de mayo de 1800por dos químicos británicos, William Nicholson (1753-1815) y Sir Anthony Carlisle (1768-1842), pocos días después de la invención de la primera batería eléctrica (publicación presentada el20 de marzo de 1800en una carta en francés al presidente de la Royal Society , Joseph Banks ) por y gracias a Alessandro Volta . Previamente, JR Deiman y A. Paets van Troostwijk ya habían realizado una electrólisis de agua en 1789 mediante una máquina electrostática y una botella de Leyden sin lograr interpretar la reacción observada.
Principio
El material a descomponer o transferir se disuelve en un solvente adecuado, o se funde, de modo que sus iones constituyentes estén disponibles en solución .
- Se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos sumergidos en esta solución.
- El cátodo es el sitio de reducción y el ánodo el sitio de oxidación . Siendo el potencial del ánodo mayor (o igual en una batería en cortocircuito) que el potencial del cátodo, podemos decir que el ánodo es el terminal positivo y que el cátodo es el terminal negativo. Tenga en cuenta que estos terminales están invertidos en el caso de una batería .
- Durante el paso de una corriente eléctrica continua, los electrodos atraen iones de carga opuesta.
Por lo tanto, tiene lugar una reacción de oxidación en el ánodo, mientras que el cátodo es el sitio de una reacción de reducción. Asimismo, los aniones (-) siempre migran hacia el ánodo (+) mientras que los cationes (+) migran hacia el cátodo (-).
Sin embargo, sería incorrecto decir que la electrólisis se reduce a la oxidación de aniones en el ánodo y la reducción de cationes en el cátodo . De hecho, también es posible oxidar cationes en el ánodo . Por ejemplo :
o aniones reductores en el cátodo , por ejemplo, el hexacianoferrato (III) da hexacianoferrato (II):
.
Asimismo, las moléculas neutras pueden reaccionar a los electrodos; por ejemplo, la paraquinona se reduce a paradihidroquinona :
Esto es posible porque el transporte de la especie al electrodo puede realizarse mediante tres mecanismos diferentes: por migración que provoca el desplazamiento de las especies químicas cargadas (iones) en el campo eléctrico dentro de la celda de electrólisis, por difusión que afecta a todos los componentes químicos. especies para las que existe un gradiente de concentración y por convección natural o forzada según si la agitación de la solución se debe a agitación térmica o agitación mecánica.
Aplicaciones
Producción de hidrógeno por electrólisis de agua.
La electrólisis se puede utilizar para descomponer el agua (H 2 O) en dihidrógeno (H 2 ) y dioxígeno (O 2).
Reacciones:
- Oxidación en el ánodo (conectado al polo + del generador):
- Reducción en el cátodo (conectado al polo - del generador):
- En general tenemos:
Sin embargo, si este método es eficaz ( rendimiento de Faraday del 90% en solución alcalina), no es el más barato para producir dioxígeno e hidrógeno a escala industrial. A menudo se prefiere extraer el dioxígeno del aire y el hidrógeno reformando el metano : CH 4 . Pero a diferencia de la electrólisis, este método también produce CO 2(ver artículo hidrógeno )
Nota: cuando el agua se electroliza, el agua pesada (que contiene el isótopo pesado deuterio en lugar de 1 H) tiende a disociarse al final de la electrólisis, ya que el enlace DO es ligeramente más fuerte que el enlace 1 HO del agua ligera (agua "normal" 1 H 2 O).
Producción de cloro
El cloro es un gas tóxico amarillento. Actualmente, se utilizan electrolizadores que utilizan la electrólisis de una solución acuosa de NaCl ( sal de mesa ) para producir iones hipoclorito para su uso en el tratamiento del agua de la piscina.
Enchapado
El objeto de galvanoplastia o galvanoplastia por electrólisis, consiste en revestir objetos con una fina capa uniforme de un metal generalmente precioso o una aleación: chapado en oro , chapado en plata , niquelado , cromado , cadmio , cobre ...
Por ejemplo, un anillo se sumerge en una solución de nitrato de plata (Ag + + NO 3 - ) conectado a un generador .
Los iones de plata se depositarán en el anillo según la reacción de reducción :
Ag + (aq) + e - → Ag (s) .Por lo tanto, un anillo plateado, esta técnica se llama plateado .
De manera más general, los derivados químicos de un metal dado pueden usarse con el propósito de recubrir con este último. Por ejemplo, un objeto de metal de cobre se puede cubrir con el baño de sulfato de cobre que se usa generalmente para tratar la vid.
Podemos probar con el siguiente experimento con:
- Una fuente de corriente continua ajustable capaz de entregar de 1 a 10 amperios.
- Un recipiente para el baño (no debe ser metálico).
El cátodo (-) se conecta a la pieza a chapar, el ánodo (+) se conecta a una pieza de cobre que se utilizará para suministrar el chapado. Los dos electrodos se sumergen en el baño, separados unos centímetros, y se pasa la corriente el tiempo que sea necesario.
Factores que favorecen el fenómeno:
- Concentración del baño: cuanto más concentrado esté el baño, más rápido será el enchapado.
- Superficie de la pieza a platear: cuanto mayor sea la superficie de la pieza, mayor debe ser la intensidad eléctrica.
- La velocidad de deposición: es proporcional a la cantidad de corriente que pasa por la pieza a platear.
- La temperatura : el calor favorece el rendimiento del baño .
El cromado de piezas de acero procede de la siguiente manera:
- La parte metálica que constituye el cátodo se sumerge con un ánodo de cromo en una solución (el electrolito) que contiene iones de cromo (Cr 3+ );
- El generador colocado entre el ánodo y el cátodo entrega una corriente continua;
- La parte metálica gana electrones y atrae iones de cromo que se adhieren a su superficie.
Producción de cobre y aluminio
El aluminio primario se obtiene por electrólisis de alúmina Al 2 O 3. El proceso consiste en reducir por electrólisis la alúmina disuelta en un baño de criolita ( doble aluminio y fluoruro de sodio : AlF 3 , 3 NaF) fundida a unos 950 ° C , en un tanque atravesado por una alta intensidad de corriente eléctrica. Bajo la acción de la corriente eléctrica continua, los iones se transportan a los dos electrodos.
El electrodo positivo atrae iones negativos, aquí oxígeno O 2– . El ánodo ( oxidación ) se coloca en la parte superior del crisol donde tiene lugar la electrólisis; De este modo, el oxígeno se puede liberar en forma de CO 2.gas, después de haber quemado el carbón que constituye el ánodo.
El electrodo negativo atrae iones positivos, en este caso aluminio Al 3+ . El cátodo ( reducción ) está ubicado en el fondo del crisol donde el aluminio más pesado que el baño se asienta y permanece como una capa de metal líquido a alta temperatura. El metal líquido es aspirado y transportado regularmente a la fundición para solidificarse en forma de producto semiacabado ( lingote , palanquilla , placa de laminación ).
El fenómeno global se refleja en la reacción:
2 Al 2 O 3+ 3 C → 4 Al + 3 CO 2El refinado industrial de cobre crudo se lleva a cabo mediante electrólisis de ánodos de cobre crudo en un baño de sulfato de cobre . El cobre puro (hasta un 99,95%) se une al cátodo y quedan impurezas en el baño.
Asimismo, el níquel se puede refinar por electrólisis. Se acumula en el cátodo , mientras que el oxígeno se escapa por el ánodo , siendo el electrolito sulfato de níquel mezclado con ácido sulfúrico . Los cátodos se recolectan después de aproximadamente 7 días. En 2009, alrededor de 200.000 toneladas anuales de níquel puro al 99,9%, de las 1.500.000 toneladas de níquel primario producidas en todo el mundo, se refinaron mediante electrólisis.
Producción de ozono
El paso de la corriente eléctrica permite descomponer el agua en sus diferentes elementos: oxígeno e hidrógeno. Los átomos de oxígeno libres son muy reactivos: pueden recombinarse en ozono (O 3 ).
La cantidad de ozono generado es proporcional a la carga que atraviesa la celda (según la ley de Faraday ), por tanto proporcional a la corriente eléctrica.
Nota: dado que la disolución del ozono en agua es más eficiente cuando baja la temperatura y cuando el agua tiene la menor cantidad de electrolitos posible, se recomienda utilizar agua desmineralizada y enfriada (lo ideal es agua con una temperatura en torno a 1 ° C ).
Fundadores
Los científicos pioneros de la electrólisis son:
- William Nicholson (1753-1815) y Sir Anthony Carlisle (1768-1840) realizaron la primera electrólisis en2 de mayo de 1800.
- Michael Faraday , científico británico , es uno de los creadores de la electroquímica , junto con Humphry Davy y con el científico italiano Carlo Matteucci .
- Svante Arrhenius
- Adolph Wilhelm Hermann Kolbe
Notas y referencias
- Biografía de Adriaan Paets Van Troostwijk
- (en) Frank K. Krundwell , Michael S. Moats , Venkoba Ramachandran , Timothy G. Robinson y William G. Davenport , Metalurgia extractiva de metales del grupo de níquel, cobalto y platino , Elsevier ,2011, 610 p. ( ISBN 978-0-08-096809-4 , leer en línea ) , pág. 297
- Krundwell y col. 2011 , pág. 327.
Fuentes
- [PDF] Células electroquímicas: aspectos termodinámicos y cinéticos , Didier Devilliers y Éric Mahé, Noticias químicas - enero de 2003 , en el sitio cultureciences.chimie.ens.fr.