Corrente elettrica negli elettroliti
La corrente elettrica negli elettroliti è sempre correlata al trasferimento di materia. Nei metalli e nei semiconduttori, ad esempio, la materia quando la corrente li attraversa non viene trasferita, perché in questi mezzi gli elettroni e le lacune sono portatori di corrente, ma negli elettroliti vengono trasferiti. Questo perché negli elettroliti gli ioni caricati positivamente e negativamente della sostanza agiscono come portatori di cariche libere, non come elettroni o lacune.
I composti fusi di molti metalli, così come alcuni solidi, appartengono agli elettroliti. Ma i principali rappresentanti di questo tipo di conduttori, ampiamente utilizzati nella tecnologia, sono soluzioni acquose di acidi, basi e sali inorganici.
La sostanza, quando una corrente elettrica passa attraverso il mezzo elettrolitico, viene rilasciata sugli elettrodi. Questo fenomeno è chiamato elettrolisi… Quando una corrente elettrica passa attraverso l'elettrolita, gli ioni caricati positivamente e negativamente della sostanza si muovono simultaneamente in direzioni opposte.
Gli ioni con carica negativa (anioni) si precipitano verso l'elettrodo positivo della sorgente di corrente (anodo) e gli ioni con carica positiva (cationi) verso il suo polo negativo (catodo).
Le fonti di ioni nelle soluzioni acquose di acidi, basi e sali sono molecole neutre, alcune delle quali si dividono sotto l'azione di una forza elettrica applicata. Questo fenomeno di scissione delle molecole neutre è chiamato dissociazione elettrolitica. Ad esempio, il cloruro di rame CuCl2 si decompone per dissociazione in soluzione acquosa in ioni cloruro (a carica negativa) e rame (a carica positiva).
Quando gli elettrodi sono collegati a una sorgente di corrente, il campo elettrico inizia ad agire sugli ioni in una soluzione o si scioglie, poiché gli anioni di cloro si spostano verso l'anodo (elettrodo positivo) e i cationi di rame verso il catodo (elettrodo negativo).
Raggiunto l'elettrodo negativo, gli ioni di rame caricati positivamente vengono neutralizzati dagli elettroni in eccesso al catodo e diventano atomi neutri che si depositano sul catodo. Quando raggiungono l'elettrodo positivo, gli ioni di cloro caricati negativamente donano un elettrone ciascuno durante l'interazione con la carica positiva sull'anodo. In questo caso, gli atomi di cloro neutri formati si combinano a coppie per formare molecole di Cl2 e il cloro viene rilasciato sotto forma di bolle di gas all'anodo.
Spesso il processo di elettrolisi è accompagnato dall'interazione dei prodotti di dissociazione (si parla di reazioni secondarie), quando i prodotti di decomposizione rilasciati sugli elettrodi interagiscono con il solvente o direttamente con il materiale dell'elettrodo. Prendiamo, ad esempio, l'elettrolisi di una soluzione acquosa di solfato di rame (solfato di rame — CuSO4).In questo esempio, gli elettrodi saranno realizzati in rame.
La molecola di solfato di rame si dissocia per formare uno ione rame caricato positivamente Cu + e uno ione solfato caricato negativamente SO4-. Gli atomi neutri di rame vengono depositati come deposito solido sul catodo. In questo modo si ottiene rame chimicamente puro.
Lo ione solfato dona due elettroni all'elettrodo positivo e diventa il radicale neutro SO4, che reagisce immediatamente con l'anodo di rame (reazione anodica secondaria). Il prodotto di reazione all'anodo è solfato di rame, che va in soluzione.
Si scopre che quando una corrente elettrica passa attraverso una soluzione acquosa di solfato di rame, l'anodo di rame si dissolve gradualmente e il rame precipita sul catodo, in questo caso la concentrazione della soluzione acquosa di solfato di rame non cambia.
Nel 1833, il fisico inglese Michael Faraday, nel corso del lavoro sperimentale, stabilì la legge dell'elettrolisi, che ora prende il suo nome.
La legge di Faraday consente di determinare la quantità di prodotti primari che vengono rilasciati sugli elettrodi durante l'elettrolisi. La legge afferma quanto segue: "La massa m della sostanza rilasciata sull'elettrodo durante l'elettrolisi è direttamente proporzionale alla carica Q che è passata attraverso l'elettrolita".
Il fattore di proporzionalità k in questa formula è chiamato equivalente elettrochimico.
La massa della sostanza che viene rilasciata sull'elettrodo durante l'elettrolisi è uguale alla massa totale di tutti gli ioni giunti a questo elettrodo:
La formula contiene la carica q0 e la massa m0 di uno ione, nonché la carica Q che è passata attraverso l'elettrolita N è il numero di ioni che sono arrivati all'elettrodo quando la carica Q è passata attraverso l'elettrolita.Pertanto, il rapporto tra la massa dello ione m0 e la sua carica q0 è chiamato l'equivalente elettrochimico di k.
Poiché la carica di uno ione è numericamente uguale al prodotto della valenza della sostanza e della carica elementare, l'equivalente chimico può essere rappresentato nella seguente forma:
Dove: Na è la costante di Avogadro, M è la massa molare della sostanza, F è la costante di Faraday.
Infatti, la costante di Faraday può essere definita come la quantità di carica che deve passare attraverso l'elettrolita per liberare una mole di sostanza monovalente sull'elettrodo. La legge dell'elettrolisi di Faraday assume quindi la forma:
Il fenomeno dell'elettrolisi è ampiamente utilizzato nella produzione moderna. Ad esempio, l'alluminio, il rame, l'idrogeno, il biossido di manganese e il perossido di idrogeno sono prodotti industrialmente mediante elettrolisi. Molti metalli vengono estratti dai minerali e lavorati mediante elettrolisi (elettroraffinazione ed elettroestrazione).
Inoltre, grazie all'elettrolisi, fonti di corrente chimica… L'elettrolisi viene utilizzata nel trattamento delle acque reflue (elettroestrazione, elettrocoagulazione, elettroflottazione). Molte sostanze (metalli, idrogeno, cloro, ecc.) sono ottenute per elettrolisi per galvanica e galvanica.
Guarda anche:Produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua - tecnologia e attrezzature