Electroliză

Electroliza este o metodă de efectuare a reacțiilor chimice , cu o activare electrica. Este procesul de conversie a energiei electrice în energie chimică. De asemenea, permite, în industria chimică, separarea elementelor sau sinteza compușilor chimici . Este, de asemenea, implicat în clasificarea substanțelor pure.

Electroliza este utilizată în diverse procese industriale, cum ar fi producerea de hidrogen prin electroliza apei , producția de aluminiu sau clor sau pentru placarea obiectelor prin galvanizare .

Istoric

Prima electroliză de curent continuu ( electroliza apei ) a fost efectuată pe2 mai 1800de doi chimiști britanici, William Nicholson (1753-1815) și Sir Anthony Carlisle (1768-1842), la câteva zile după inventarea primei baterii electrice (publicație trimisă pe20 martie 1800într-o scrisoare în franceză către președintele Societății Regale , Joseph Banks ) de și mulțumită lui Alessandro Volta . Anterior, JR Deiman și A. Paets van Troostwijk efectuaseră deja o electroliză a apei în 1789 prin intermediul unei mașini electrostatice și a unei sticle Leyden, fără a reuși să interpreteze reacția observată.

Principiu

Materialul care urmează să fie descompus sau transferată este dizolvat într - un adecvat solvent sau topit, astfel încât sale constitutive ionii sunt disponibili în soluție .

• O diferență de potențial electric se aplică între doi electrozi cufundați în această soluție.
• Catodul este locul de reducere , iar anodul locul de oxidare . Potențialul anodului fiind mai mare (sau egal într-o baterie scurtcircuitată) decât potențialul catodului, putem spune că anodul este terminalul pozitiv și că catodul este terminalul negativ. Rețineți că aceste borne sunt inversate în cazul unei baterii .
• În timpul trecerii unui curent electric direct, electrozii atrag ioni de sarcină opusă către ei .

Prin urmare, o reacție de oxidare are loc la anod în timp ce catodul este locul unei reacții de reducere. La fel, anionii (-) migrează întotdeauna către anod (+) în timp ce cationii (+) migrează către catod (-).

Cu toate acestea, ar fi greșit să spunem că electroliza se reduce la oxidarea de anioni la anod și reducerea de cationi la catod . Într-adevăr, este posibil și oxidarea cationilor la anod . De exemplu :

Felaq2+⟶ Felaq3++ e-{\ displaystyle \ mathrm {Fe_ {aq} ^ {2 +} \ longrightarrow \ Fe_ {aq} ^ {3 +} + \ e ^ {-}}}

sau anioni reducători la catod , de exemplu hexacianoferatul (III) dă hexacianoferatul (II):

Fe(VSNU)63-+ e-⟶ Fe(VSNU)64-{\ displaystyle \ mathrm {Fe (CN) _ {6} ^ {3 -} + \ e ^ {-} \ longrightarrow \ Fe (CN) _ {6} ^ {4-}}} .

La fel, moleculele neutre pot reacționa la electrozi; de exemplu, paraquinona este redusă la parahidroquinonă :

+ 2e-+ 2H+⟶ {\ displaystyle \ mathrm {+ \ 2e ^ {-} + \ 2H ^ {+} \ longrightarrow \}}

Acest lucru este posibil, deoarece transportul speciei către electrod se poate face prin trei mecanisme diferite: prin migrație care determină deplasarea speciilor chimice încărcate (ioni) în câmpul electric în interiorul celulei de electroliză, prin difuzie care privește toate substanțele chimice. specie pentru care există un gradient de concentrație și prin convecție naturală sau forțată în funcție de dacă agitația soluției se datorează agitației termice sau agitației mecanice.

Aplicații

Producerea hidrogenului prin electroliza apei

Electroliza poate fi folosit pentru a descompune apa (H 2 O) în dihidrogenat (H 2 ) și dioxigenați (O 2).

Reacții:

• Oxidare la anod (conectat la polul + al generatorului):

2H2O (lichid)→O2 (gaz)+4H+ (apos)+4e- {\ displaystyle {\ begin {matrix} & \\ 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (lichid)}} & {\ overrightarrow {\ qquad}} & {\ mbox { O}} _ {2} {\ mbox {(gaz)}} + 4 \, {\ mbox {H}} ^ {+} {\ mbox {(apoasă)}} + 4 \, e ^ {-} \ \\\ end {matrix}}}

• Reducere la catod (conectat la polul generatorului):

4H2O (lichid)+4e-→2H2 (gaz)+4OH- (apos) {\ displaystyle {\ begin {matrix} & \\ 4 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (lichid)}} + 4 \, e ^ {-} & {\ overrightarrow { \ qquad}} & 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {(gaz)}} + 4 \, {\ mbox {OH}} ^ {-} {\ mbox {(apoasă) }} \ \\\ end {matrix}}}

• Per total avem:

2H2O (lichid)→2H2 (gaz)+O2 (gaz) {\ displaystyle {\ begin {matrix} & \\ 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (lichid)}} & {\ overrightarrow {\ qquad}} & 2 \, { \ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {(gaz)}} + {\ mbox {O}} _ {2} {\ mbox {(gaz)}} \ \\\ end {matrix}}}

Cu toate acestea, dacă această metodă este eficientă ( randament Faraday de 90% în soluție alcalină), nu este cea mai ieftină pentru producerea de dioxigen și hidrogen la scară industrială. Este adesea preferat să extragă dioxigenați din aer, iar hidrogenul prin reformarea metanului  : CH 4 . Dar, spre deosebire de electroliză, această metodă produce și CO 2(vezi articolul hidrogen )

Notă: când apa este electrolizată, apa grea (care conține izotopul deuteriu greu în loc de 1 H) tinde să se disocieze la sfârșitul electrolizei, deoarece legătura DO este ușor mai puternică decât legătura 1 HO de apă ușoară (apă "normală" 1 H 2 O).

Producția de clor

Clorul este un gaz toxic gălbui. În prezent, se utilizează electrolizatori care utilizează electroliza unei soluții apoase de NaCI ( sare de masă ) pentru a produce ioni hipoclorit pentru a fi utilizați în tratarea apei de la piscină.

Placare

Obiectul de galvanizare sau placare prin electroliză este de a acoperi obiectele cu un strat subțire uniform de metal în general prețios sau aliaj: placare cu aur , placare cu argint , placare cu nichel , cromare , placare cu cadmiu , placare cu cupru ...

De exemplu, un inel este scufundat într-o soluție de azotat de argint (Ag + + NO 3 - ) conectată la un generator .

Ionii de argint vor fi depuși pe inel în funcție de reacția de reducere  :

Ag + (aq) + e - → Ag (s) .

Astfel, un inel placat cu argint, această tehnică se numește argintare .

Mai general, derivații chimici ai unui anumit metal pot fi folosiți în scopul placării cu acesta din urmă. De exemplu, un obiect metalic de cupru poate fi acoperit cu o baie de sulfat de cupru care este de obicei folosită pentru tratarea viței de vie.

Putem testa cu următorul experiment cu:

• O sursă de curent continuu reglabilă capabilă să livreze 1 până la 10 amperi.
• Un recipient pentru baie (nu trebuie să fie metalic).

Catod (-) este conectat la partea care urmează să fie placate, anod (+) este conectat la o bucată de cupru , care va fi utilizat pentru a furniza placare. Cei doi electrozi sunt scufundați în baie, la câțiva centimetri distanță, iar curentul este trecut cât timp este necesar.

Factori care favorizează fenomenul:

• Concentrația băii: cu cât baia este mai concentrată, cu atât placarea este mai rapidă.
• Suprafața piesei de placat: cu cât suprafața piesei este mai mare, cu atât trebuie să fie mai mare intensitatea electrică.
• Viteza depunerii: este proporțională cu cantitatea de curent care trece prin piesa care urmează să fie placată.
• Temperatura  : căldură promovează performanța baie .

Placarea cromată a pieselor din oțel se procedează după cum urmează:

• Partea metalică care constituie catodul este scufundată cu un anod de crom într-o soluție (electrolitul) conținând ioni de crom (Cr 3+ );
• Generatorul poziționat între anod și catod furnizează un curent continuu;
• Partea metalică câștigă electroni și atrage ioni de crom care aderă la suprafața sa.

Producția de cupru și aluminiu

Aluminiu primar este obținut prin electroliza aluminei Al 2 O 3. Procesul constă în reducerea prin electroliză a aluminei dizolvate într-o baie de criolit ( aluminiu dublu și fluorură de sodiu  : AlF 3 , 3 NaF) topită la aproximativ 950  ° C , într-un rezervor traversat de o intensitate electrică mare. Sub acțiunea curentului electric direct, ionii sunt transportați către cei doi electrozi.

Electrodul pozitiv atrage ioni negativi, aici oxigenul O 2– . Anodul ( oxidarea ) este plasat în partea de sus a creuzetului unde are loc electroliza; oxigenul poate fi astfel eliberat sub formă de CO 2gaz, după ce a ars carbonul care constituie anodul.

Electrodul negativ atrage ioni pozitivi, în acest caz aluminiu Al 3+ . Catodul ( reducerea ) este situat în partea de jos a creuzetului, unde se instalează aluminiu mai greu decât baia și rămâne ca un strat de metal lichid la temperatură ridicată. Metalul lichid este aspirat și transportat în mod regulat turnătorie pentru a fi solidificat sub formă de semifabricat ( lingou , palon , placă de laminare ).

Fenomenul global se reflectă în reacție:

2 Al 2 O 3+ 3 C → 4 Al + 3 CO 2

Industrial rafinarea de prime de cupru se realizează prin electroliza anozi din cupru prime într - un sulfat de cupru baie . Cuprul pur (până la 99,95%) se leagă de catod , rămânând impuritățile în baie.

La fel, nichelul poate fi rafinat prin electroliză. Se colectează pe catod , în timp ce oxigenul scapă la anod , electrolitul fiind sulfat de nichel amestecat cu acid sulfuric . Catodii sunt recoltați după aproximativ 7 zile. În 2009, aproximativ 200.000 de tone pe an de 99,9% nichel pur, din cele 1.500.000 de tone de nichel primar produse la nivel mondial, au fost rafinate prin electroliză.

Producția de ozon

Trecerea curentului electric permite descompunerea apei în diferitele sale elemente: oxigen și hidrogen. Atomii liberi de oxigen sunt foarte reactivi: se pot recombina în ozon (O 3 ).

Cantitatea de ozon generată este proporțională cu sarcina care traversează celula (conform legii lui Faraday ), prin urmare proporțională cu curentul electric.

Notă: întrucât dizolvarea ozonului în apă este mai eficientă atunci când temperatura scade și când apa are cei mai puțini electroliți posibili, se recomandă utilizarea apei demineralizate și răcite (idealul fiind apa cu o temperatură de aproximativ 1  ° C ).

Fondatori

Oamenii de știință pionieri în electroliză sunt:

• William Nicholson (1753-1815) și Sir Anthony Carlisle (1768-1840) au efectuat prima electroliză pe2 mai 1800.
• Michael Faraday , om de știință britanic , este unul dintre creatorii de electrochimie , alături de Humphry Davy și de omul de știință italian Carlo Matteucci .
• Svante Arrhenius
• Adolph Wilhelm Hermann Kolbe

Note și referințe

1. Biografia lui Adriaan Paets Van Troostwijk
2. (în) Frank K. Krundwell , Michael S. Moats , Venkoba Ramachandran , Timothy G. Robinson și William G. Davenport , Metalurgia extractivă a metalelor din nichel, cobalt și platină , Elsevier ,2011, 610  p. ( ISBN  978-0-08-096809-4 , citit online ) , p.  297
3. Krundwell și colab. 2011 , p.  327.

Surse

• [PDF] Celule electrochimice: aspecte termodinamice și cinetice , Didier Devilliers și Éric Mahé, Știri chimice - ianuarie 2003 , pe site-ul culturesciences.chimie.ens.fr.

Vezi și tu

Articole similare

• Electroliza apei
• Reducerea electrolitică a aluminiului
• Electroliza clor-sodă
• Galvanizare

linkuri externe

• Faraday, electroliză, anioni și cationi ...