Elettrolisi

L’elettrolisi è il passaggio di una corrente elettrica diretta attraverso un elettrolita che produce reazioni chimiche agli elettrodi e la decomposizione dei materiali.

I componenti principali necessari per ottenere l’elettrolisi sono un elettrolita, elettrodi e una fonte di alimentazione esterna. Una partizione (ad esempio una membrana a scambio ionico o un ponte di sale) è opzionale per evitare che i prodotti si diffondano nelle vicinanze dell’elettrodo opposto.

L’elettrolita è una sostanza chimica ionica conduttiva che contiene ioni liberi e trasporta corrente elettrica (ad es., un polimero conduttore di ioni, una soluzione o un composto ionico liquido). Se gli ioni non sono mobili, come nella maggior parte dei sali solidi, l’elettrolisi non può verificarsi. Un elettrolita liquido viene prodotto da:

• Solvatazione o di reazione di un composto ionico con un solvente (acqua) per produrre gli ioni mobili
• Un composto ionico sciolto dal riscaldamento

Gli elettrodi sono immersi separati da una distanza tale che un flusso di corrente tra di loro attraverso l’elettrolita e sono collegati alla fonte di alimentazione che completa il circuito elettrico., Una corrente continua fornita dalla fonte di alimentazione guida la reazione causando ioni nell’elettrolito per essere attratti verso il rispettivo elettrodo carica opposta.

Gli elettrodi di metallo, grafite e materiale semiconduttore sono ampiamente utilizzati. La scelta dell’elettrodo adatto dipende dalla reattività chimica tra l’elettrodo e l’elettrolito e dai costi di produzione. Storicamente, quando si desideravano anodi non reattivi per l’elettrolisi, venivano scelti grafite (chiamata plumbago ai tempi di Faraday) o platino. Sono stati trovati per essere alcuni dei materiali meno reattivi per gli anodi., Il platino erode molto lentamente rispetto ad altri materiali e la grafite si sbriciola e può produrre anidride carbonica in soluzioni acquose, ma altrimenti non partecipa alla reazione. I catodi possono essere fatti dello stesso materiale, o possono essere fatti da uno più reattivo poiché l’usura dell’anodo è maggiore a causa dell’ossidazione all’anodo.

Processo di elettrolisi

Il processo chiave dell’elettrolisi è lo scambio di atomi e ioni mediante la rimozione o l’aggiunta di elettroni a causa della corrente applicata., I prodotti di elettrolisi desiderati sono spesso in uno stato fisico diverso dall’elettrolita e possono essere rimossi da processi fisici (ad esempio raccogliendo gas sopra un elettrodo o facendo precipitare un prodotto dall’elettrolita).

La quantità dei prodotti è proporzionale alla corrente e quando due o più celle elettrolitiche sono collegate in serie alla stessa fonte di alimentazione, i prodotti prodotti nelle celle sono proporzionali al loro peso equivalente. Queste sono note come leggi di elettrolisi di Faraday.

Ogni elettrodo attira ioni che sono della carica opposta., Gli ioni caricati positivamente (cationi) si muovono verso il catodo (negativo) che fornisce elettroni. Gli ioni caricati negativamente (anioni) si muovono verso l’anodo (positivo) che estrae l’elettrone. In questo processo gli elettroni vengono effettivamente introdotti al catodo come reagente e rimossi all’anodo come prodotto. In chimica, la perdita di elettroni è chiamata ossidazione, mentre il guadagno di elettroni è chiamato riduzione.

Quando atomi neutri o molecole, come quelli sulla superficie di un elettrodo, guadagnano o perdono elettroni diventano ioni e possono dissolversi nell’elettrolita e reagire con altri ioni.,

Quando gli ioni guadagnano o perdono elettroni e diventano neutri, possono formare composti che si separano dall’elettrolita. Ioni metallici positivi come Cu2+ si depositano sul catodo in uno strato. I termini per questo sono galvanotecnica, elettrofinitura, e electrorefining.

Quando uno ion guadagna o perde elettroni senza diventare neutro, la sua carica elettronica viene alterata nel processo.

Ad esempio, l’elettrolisi della salamoia produce idrogeno e gas di cloro che bolle dall’elettrolita e vengono raccolti., L’iniziale reazione complessiva è così:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

La reazione all’anodo risultati di cloro gas provenienti da ioni di cloro:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

La reazione al catodo risultati in gas idrogeno e ioni idrossido di:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Senza una partizione tra gli elettrodi, gli ioni OH− prodotta al catodo sono liberi di diffondere l’elettrolita per l’anodo., Come elettrolita diventa più di base a causa della produzione di OH−, meno Cl2 emerge dalla soluzione, come si inizia a reagire con l’idrossido di produzione di ipoclorito all’anodo:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

La possibilità più Cl2 per interagire con idrossido di sodio in soluzione, la meno Cl2 emerge alla superficie della soluzione e la più veloce la produzione di ipoclorito progredisce. Ciò dipende da fattori quali la temperatura della soluzione, la quantità di tempo in cui la molecola Cl2 è in contatto con la soluzione e la concentrazione di NaOH.,

Allo stesso modo, quando l’ipoclorito aumenta di concentrazione, da essi vengono prodotti clorati:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

Si verificano altre reazioni, come l’autoionizzazione dell’acqua e la decomposizione dell’ipoclorito al catodo, la velocità di quest’ultimo dipende da fattori come la diffusione e l’area superficiale del catodo a contatto con l’elettrolita.,

Potenziale di decomposizioneedit

Potenziale di decomposizione o tensione di decomposizione si riferisce alla tensione minima (differenza nel potenziale dell’elettrodo) tra anodo e catodo di una cella elettrolitica necessaria per l’elettrolisi.

La tensione alla quale l’elettrolisi è termodinamicamente preferita è la differenza dei potenziali dell’elettrodo calcolati utilizzando l’equazione di Nernst. L’applicazione di tensione aggiuntiva, indicata come sovrapotenziale, può aumentare la velocità di reazione ed è spesso necessaria al di sopra del valore termodinamico., È particolarmente necessario per le reazioni di elettrolisi che coinvolgono gas, come ossigeno, idrogeno o cloro.

Ossidazione e riduzione all’elettrodesEdit

L’ossidazione di ioni o molecole neutre avviene all’anodo. Ad esempio, è possibile ossidare ioni ferrosi in ioni ferrici all’anodo:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

La riduzione di ioni o molecole neutre avviene al catodo. È possibile ridurre gli ioni ferricianuro a ioni ferrocianuro al catodo:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

Le molecole neutre possono anche reagire a uno degli elettrodi., Ad esempio: p-Benzochinone può essere ridotto a idrochinone al catodo:

+ 2 e− + 2 H+ →

Nell’ultimo esempio, anche gli ioni H+ (ioni idrogeno) prendono parte alla reazione e sono forniti dall’acido nella soluzione o dal solvente stesso (acqua, metanolo, ecc.). Le reazioni di elettrolisi che coinvolgono ioni H + sono abbastanza comuni nelle soluzioni acide. Nelle soluzioni acquose alcaline, le reazioni che coinvolgono OH – (ioni idrossido) sono comuni.

A volte i solventi stessi (di solito acqua) vengono ossidati o ridotti agli elettrodi., È anche possibile avere elettrolisi che coinvolge gas, ad esempio utilizzando un elettrodo di diffusione del gas.

Variazioni di energia durante l’elettrolisi

La quantità di energia elettrica che deve essere aggiunta equivale alla variazione dell’energia libera di Gibbs della reazione più le perdite nel sistema. Le perdite possono (in teoria) essere arbitrariamente vicine allo zero, quindi l’efficienza termodinamica massima è uguale al cambiamento di entalpia diviso per il cambiamento di energia libera della reazione., Nella maggior parte dei casi, l’ingresso elettrico è maggiore del cambiamento entalpico della reazione, quindi una certa energia viene rilasciata sotto forma di calore. In alcuni casi, ad esempio, nell’elettrolisi del vapore in idrogeno e ossigeno ad alta temperatura, è vero il contrario e l’energia termica viene assorbita. Questo calore viene assorbito dall’ambiente circostante e il valore di riscaldamento dell’idrogeno prodotto è superiore all’ingresso elettrico.

Variazionimodifica

La corrente pulsante produce prodotti diversi da DC., Ad esempio, pulsare aumenta il rapporto tra ozono e ossigeno prodotto all’anodo nell’elettrolisi di una soluzione acquosa acida come l’acido solforico diluito. L’elettrolisi dell’etanolo con corrente pulsata evolve un’aldeide anziché principalmente un acido.

Tecnica correlatamodifica

Le seguenti tecniche sono correlate all’elettrolisi:

• Le celle elettrochimiche, inclusa la cella a combustibile a idrogeno, utilizzano differenze nel potenziale degli elettrodi standard per generare un potenziale elettrico che fornisce potenza utile., Sebbene correlati all’interazione di ioni ed elettrodi, l’elettrolisi e il funzionamento delle cellule elettrochimiche sono abbastanza distinti. Tuttavia, una cellula chimica non dovrebbe essere vista come l’esecuzione di elettrolisi al contrario.