¿Qué es la electrólisis y dónde se usa?

La cuestión de qué es la electrólisis se considera en el curso de física de la escuela, y para la mayoría de las personas no es un secreto. Otra cosa es su importancia y aplicación práctica. Este proceso se utiliza con gran beneficio en diversas industrias y puede ser útil para el artesano del hogar.

¿Qué es la electrólisis?

La electrólisis es un complejo de procesos específicos en el sistema de electrodos y electrolito cuando una corriente eléctrica directa fluye a través de él. Su mecanismo se basa en la aparición de una corriente iónica. El electrolito es un conductor tipo 2 (conductividad iónica) en el que se produce la disociación electrolítica. Se asocia con la descomposición en iones con positivo (catión) y negativo (anión) cobrar.

El sistema de electrólisis contiene necesariamente un positivo (ánodo) y negativo (cátodo) electrodo. Cuando se aplica una corriente eléctrica continua, los cationes comienzan a moverse hacia el cátodo y los aniones, hacia el ánodo. Los cationes son principalmente iones metálicos e hidrógeno, y los aniones son oxígeno, cloro. En el cátodo, los cationes se adhieren a sí mismos a los electrones en exceso, lo que asegura la ocurrencia de la reacción de reducción Men+ + ne → Me (donde n es la valencia del metal). En el ánodo, por el contrario, se dona un electrón del anión y tiene lugar una reacción oxidativa.

Por lo tanto, se proporciona un proceso redox en el sistema. Es importante considerar que para su flujo se necesita energía adecuada. Debe ser proporcionado por una fuente de corriente externa.

Las leyes de la electrólisis de Faraday

El gran físico M. Faraday, con su investigación, hizo posible no solo comprender la naturaleza de la electrólisis, sino también realizar los cálculos necesarios para su implementación. En 1832 aparecieron sus leyes, vinculando los principales parámetros de los procesos en curso.

primera ley

La primera ley de Faraday establece que la masa de la sustancia que se reduce en el ánodo es directamente proporcional a la carga eléctrica inducida en el electrolito: m = kq = k*I*t, donde q es la carga, k es el coeficiente o equivalente electroquímico de la sustancia, I es la fuerza de la corriente que fluye a través del electrolito, t es el tiempo de paso de la corriente.

segunda ley

La segunda ley de Faraday permitió determinar el coeficiente de proporcionalidad k. Suena así: el equivalente electroquímico de cualquier sustancia es directamente proporcional a su masa molar e inversamente proporcional a su valencia. La ley se expresa como:

k = 1/F*A/z, donde F es la constante de Faraday, A es la masa molar de la sustancia, z es su valencia química.

Teniendo en cuenta ambas leyes, es posible derivar la fórmula final para calcular la masa depositada en el electrodo de la sustancia: m = A*I*t/(n*F), donde n es el número de electrones involucrados en la electrólisis. Normalmente n corresponde a la carga del ion. Desde un punto de vista práctico, es importante la conexión entre la masa de una sustancia y la corriente aplicada, lo que permite controlar el proceso cambiando su fuerza.

Derretir electrólisis

Una de las opciones para la electrólisis es el uso de una masa fundida como electrolito. En este caso, solo los iones fundidos participan en el proceso de electrólisis. Un ejemplo clásico es la electrólisis de sal fundida NaCl (sal). Los iones negativos se precipitan hacia el ánodo, lo que significa que se libera gas (cl). La reducción de metal ocurrirá en el cátodo, es decir depósito de Na puro formado a partir de iones positivos que han atraído electrones en exceso. Otros metales se pueden obtener de manera similar (K, Ca, Li, etc.) de la masacre de las sales correspondientes.

Durante la electrólisis en fusión, los electrodos no se disuelven, sino que participan solo como fuente de corriente. En su fabricación, puede utilizar metal, grafito, algunos semiconductores. Es importante que el material tenga suficiente conductividad. Uno de los materiales más comunes es el cobre.

Características de la electrólisis en soluciones.

La electrólisis en una solución acuosa difiere significativamente de una masa fundida. Aquí tienen lugar tres procesos competitivos: oxidación del agua con evolución de oxígeno, oxidación de aniones y disolución anódica del metal. Los iones de agua, electrolito y ánodo están involucrados en el proceso.En consecuencia, la reducción de hidrógeno, cationes de electrolitos y metal del ánodo puede ocurrir en el cátodo.

La posibilidad de que ocurran estos procesos competitivos depende de la magnitud de los potenciales eléctricos del sistema. Solo procederá el proceso que requiera menos energía externa. En consecuencia, los cationes con el potencial de electrodo máximo se reducirán en el cátodo y los aniones con el potencial más bajo se oxidarán en el ánodo. El potencial de electrodo del hidrógeno se toma como "0". Por ejemplo, para el potasio es (-2,93 V), sodio - (-2,71 V), Plomo (-0.13V), mientras que la plata tiene (+0,8 V).

Electrólisis en gases

El gas puede desempeñar el papel de un electrolito solo en presencia de un ionizador. En este caso, la corriente que atraviesa el medio ionizado provoca el proceso necesario en los electrodos. Sin embargo, las leyes de Faraday no se aplican a la electrólisis de gases. Para su implementación, son necesarias las siguientes condiciones:

1. Sin ionización artificial del gas, ni el alto voltaje ni la alta corriente ayudarán.
2. Solo los ácidos que no contienen oxígeno y se encuentran en estado gaseoso, y algunos gases, son adecuados para la electrólisis.

¡Importante! Cuando se cumplen las condiciones necesarias, el proceso procede de manera similar a la electrólisis en un electrolito líquido.

Características de los procesos que ocurren en el cátodo y el ánodo.

Para la aplicación práctica de la electrólisis, es importante comprender qué sucede en ambos electrodos cuando se aplica una corriente eléctrica. Los procesos típicos son:

1. Cátodo. Los iones cargados positivamente corren hacia él. Aquí tiene lugar la reducción de metales o el desprendimiento de hidrógeno. Hay varias categorías de metales según su actividad catiónica.Los metales como Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al se reducen bien solo a partir de sales fundidas. Si se usa una solución, se libera hidrógeno debido a la electrólisis del agua. Es posible lograr la reducción en solución, pero con una concentración suficiente de cationes, para los siguientes metales: Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. El proceso procede más fácilmente para Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Ánodo. Los iones cargados negativamente ingresan a este electrodo. Oxidados, toman electrones del metal, lo que conduce a su disolución anódica, es decir, transición a iones cargados positivamente, que se envían al cátodo. Los aniones también se clasifican según su actividad. Dichos aniones PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F solo pueden descargarse de fundidos En soluciones acuosas, no son ellos los que se someten a electrólisis, sino el agua con la liberación de oxígeno. Los aniones como OH, Cl, I, S, Br reaccionan más fácilmente.

Al asegurar la electrólisis, es importante tener en cuenta la tendencia del material del electrodo a oxidarse. En este sentido, destacan los ánodos inertes y activos. Los electrodos inertes están hechos de grafito, carbón o platino y no participan en el suministro de iones.

Factores que afectan el proceso de electrólisis.

El proceso de electrólisis depende de los siguientes factores:

1. Composición de electrolitos. Varias impurezas tienen un efecto significativo. Se dividen en 3 tipos: cationes, aniones y compuestos orgánicos. Las sustancias pueden ser más o menos negativas que el metal base, lo que interfiere en el proceso. Entre las impurezas orgánicas destacan los contaminantes (pe aceites) y los tensioactivos. Su concentración tiene valores máximos permisibles.
2. densidad actual. De acuerdo con las leyes de Faraday, la masa de la sustancia depositada aumenta al aumentar la intensidad de la corriente. Sin embargo, surgen circunstancias desfavorables: polarización concentrada, aumento de voltaje, calentamiento intenso del electrolito. Teniendo esto en cuenta, existen valores óptimos de densidad de corriente para cada caso específico.
3. pH del electrolito. La acidez del ambiente también se selecciona teniendo en cuenta los metales. Por ejemplo, el valor óptimo de acidez electrolítica para el zinc es de 140 g/m3.
4. Temperatura del electrolito. Tiene un efecto ambiguo. Con un aumento de la temperatura, aumenta la tasa de electrólisis, pero también aumenta la actividad de las impurezas. Hay una temperatura óptima para cada proceso. Por lo general, está en el rango de 38-45 grados.

¡Importante! La electrólisis puede acelerarse o ralentizarse por diversas influencias y la elección de la composición del electrolito. Cada aplicación tiene su propio régimen, que debe observarse estrictamente.

¿Dónde se usa la electrólisis?

La electrólisis se utiliza en muchas áreas. Hay varias áreas principales de uso para obtener resultados prácticos.

galvanoplastia

Se puede aplicar un revestimiento de metal delgado y duradero mediante electrólisis. El producto a recubrir se instala en el baño en forma de cátodo, y el electrolito contiene una sal del metal deseado. Así que puedes recubrir el acero con zinc, cromo o estaño.

Electrorefinación - refinación de cobre

Un ejemplo de limpieza eléctrica puede ser la siguiente opción: cátodo - cobre puro ánodo - cobre con impurezas, electrólito - una solución acuosa de sulfato de cobre. El cobre del ánodo pasa a los iones y se deposita en el cátodo ya sin impurezas.

Minería de metales

Para obtener metales a partir de sales, se transfieren a la masa fundida y luego se proporciona electrólisis. Tal método es bastante efectivo para obtener aluminio a partir de bauxitas, sodio y potasio.

anodizado

En este proceso, el recubrimiento está hecho de compuestos no metálicos. Un ejemplo clásico es el anodizado de aluminio. La parte de aluminio se instala como ánodo. El electrolito es una solución de ácido sulfúrico. Como resultado de la electrólisis, se deposita una capa de óxido de aluminio sobre el ánodo, que tiene propiedades protectoras y decorativas. Estas tecnologías son ampliamente utilizadas en diversas industrias. Puede realizar los procesos con sus propias manos cumpliendo con las normas de seguridad.

Los costos de energía

La electrólisis requiere altos costos de energía. El proceso tendrá un valor práctico si la corriente del ánodo es suficiente y para ello es necesario aplicar una corriente continua significativa desde la fuente de alimentación. Además, cuando se lleva a cabo, se producen pérdidas de tensión laterales: sobretensión de ánodo y cátodo, pérdidas en el electrolito debido a su resistencia. La eficiencia de la instalación se determina relacionando la potencia de consumo energético con una unidad de masa útil de la sustancia obtenida.

La electrólisis se ha utilizado en la industria durante mucho tiempo y con alta eficiencia. Los recubrimientos anodizados y galvanizados se han vuelto comunes en la vida cotidiana, y la extracción y el beneficio de materiales ayudan a extraer muchos metales del mineral. El proceso se puede planificar y calcular, conociendo sus principales patrones.

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