Elektrolyse

Den elektrolyse er en fremgangsmåte for å utføre kjemiske reaksjoner med en elektrisk aktivering. Det er prosessen med å konvertere elektrisk energi til kjemisk energi. Det tillater også, i den kjemiske industrien , separering av grunnstoffer eller syntesen av kjemiske forbindelser . Det er også involvert i klassifiseringen av rene stoffer.

Elektrolyse brukes i forskjellige industrielle prosesser, slik som produksjon av hydrogen ved elektrolyse av vann , produksjon av aluminium eller klor , eller for plettering av gjenstander ved galvanisering .

Historisk

Den første likestrømselektrolysen ( elektrolyse av vann ) ble utført på2. mai 1800av to britiske kjemikere, William Nicholson (1753-1815) og Sir Anthony Carlisle (1768-1842), noen dager etter oppfinnelsen av det første elektriske batteriet (publikasjon sendt på20. mars 1800i et brev på fransk til presidenten for Royal Society , Joseph Banks ) av og takk til Alessandro Volta . Tidligere hadde JR Deiman og A. Paets van Troostwijk allerede utført en elektrolyse av vann i 1789 ved hjelp av en elektrostatisk maskin og en Leyden-flaske uten å lykkes med å tolke den observerte reaksjonen.

Prinsipp

Det materiale som skal nedbrytes eller overføres oppløses i et egnet oppløsningsmiddel , eller smeltet, slik at dens konstituerende ioner er tilgjengelige i oppløsning .

En forskjell i elektrisk potensial blir brukt mellom to elektroder nedsenket i denne løsningen.
Den katode er stedet for reduksjonen og anoden stedet for oksidasjon . Potensialet til anoden er større (eller lik i et kortsluttet batteri) enn katodens potensial, vi kan si at anoden er den positive terminalen og at katoden er den negative terminalen. Vær oppmerksom på at disse terminalene er omvendt i tilfelle et batteri .
Under passeringen av en direkte elektrisk strøm, idet elektrodene tiltrekke ioner av motsatt ladning til dem .

En oksidasjonsreaksjon finner derfor sted ved anoden mens katoden er stedet for en reduksjonsreaksjon. På samme måte migrerer anioner (-) alltid mot anoden (+) mens kationer (+) migrerer mot katoden (-).

Imidlertid ville det være galt å si at elektrolyse koker ned til oksidasjon av anioner ved anoden og reduksjon av kationer ved katoden . Det er faktisk også mulig å oksidere kationer ved anoden . For eksempel :

{\ mathrm {Fe _ {{aq}} ^ {{2 +}} \ longrightarrow \ Fe _ {{aq}} ^ {{3 +}} + \ e ^ {-}}}

eller reduserende anioner ved katoden , for eksempel gir heksacyanoferrat (III) heksacyanoferrat (II):

{\ mathrm {Fe (CN) _ {6} ^ {{3 -}} + \ e ^ {-} \ longrightarrow \ Fe (CN) _ {6} ^ {{4-}}}}

På samme måte kan nøytrale molekyler reagere på elektroder; for eksempel para- kinon er redusert til para- dihydroquinon :

${\ mathrm {+ \ 2e ^ {-} + \ 2H ^ {+} \ longrightarrow \}}$

Dette er mulig fordi transporten av arten til elektroden kan gjøres med tre forskjellige mekanismer: ved migrasjon som forårsaker forskyvning av de ladede kjemiske artene (ionene) i det elektriske feltet i elektrolysecellen, ved diffusjon som gjelder alt det kjemiske arter der det er en konsentrasjonsgradient og ved naturlig eller tvungen konveksjon, avhengig av om omrøringen av løsningen skyldes termisk omrøring eller mekanisk omrøring.

applikasjoner

Produksjon av hydrogen ved elektrolyse av vann

Elektrolyse kan brukes til å bryte ned vann (H 2 O) til dihydrogen (H 2 ) og dioksygen (O 2).

Reaksjoner:

Oksidasjon ved anoden (koblet til + polen til generatoren):

{\ begin {matrix} & \\ 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (væske)}} & \ overrightarrow {\ qquad} & {\ mbox {O}} _ { 2} {\ mbox {(gas)}} + 4 \, {\ mbox {H}} ^ {+} {\ mbox {(vandig)}} + 4 \, e ^ {-} \ \\\ end { matrise}}

Reduksjon ved katoden (koblet til generatorens pol):

{\ displaystyle {\ begin {matrix} & \\ 4 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (væske)}} + 4 \, e ^ {-} & {\ overrightarrow { \ qquad}} & 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {(gas)}} + 4 \, {\ mbox {OH}} ^ {-} {\ mbox {(vannaktig) }} \ \\\ slutt {matrise}}}

Totalt sett har vi:

{\ displaystyle {\ begin {matrix} & \\ 2 \, {\ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {O (flytende)}} og {\ overrightarrow {\ qquad}} & 2 \, { \ mbox {H}} _ {2} {\ mbox {(gas)}} + {\ mbox {O}} _ {2} {\ mbox {(gas)}} \ \\\ end {matrix}}}

Imidlertid, hvis denne metoden er effektiv ( Faraday-utbytte på 90% i alkalisk løsning), er den ikke den billigste for å produsere dioksygen og hydrogen i industriell skala. Det er ofte foretrukket å ekstrahere dioksygenet fra luften og hydrogenet ved å reformere metanet : CH 4 . Men i motsetning til elektrolyse, produserer denne metoden også CO 2(se artikkel hydrogen )

Merk: når vann blir elektrolysert, har tungt vann (som inneholder den tunge isotopen deuterium i stedet for 1 H) en tendens til å dissosiere seg ved slutten av elektrolyse, siden DO-bindingen er litt sterkere enn bindingen 1 HO av lett vann ("normalt" vann 1 H 2 O).

Klorproduksjon

Den klor er en giftig gass gulaktig. For tiden brukes elektrolysatorer som bruker elektrolyse av en vandig løsning av NaCl ( bordsalt ) for å produsere hypoklorittioner til bruk ved behandling av bassengvann.

Plating

Den elektroplettering eller plette objekt ved elektrolyse, er å belegge gjenstander med et tynt, jevnt lag av en generelt edelt metall eller en legering: gull , forsølving , fornikling , forkromming , kadmium , kobber plating ...

For eksempel er en ring nedsenket i en løsning av sølvnitrat (Ag + + NO 3 - ) koblet til en generator .

Sølvionene blir avsatt på ringen i henhold til reduksjonsreaksjonen :

Ag + (aq) + e - → Ag (s) .

Dermed, en sølvbelagt ring, kalles denne teknikken forsølving .

Mer generelt kan de kjemiske derivatene av et gitt metall brukes til formål med plating med sistnevnte. For eksempel kan et kobbermetallgjenstand dekkes med kobbersulfatbadet som vanligvis brukes til å behandle vintreet.

Vi kan teste med følgende eksperiment med:

En justerbar likestrømskilde som kan levere 1 til 10 ampere.
En beholder for badekaret (må ikke være metallisk).

Den katode (-) er koplet til den del som skal belegges, den anode (+) er forbundet med et stykke av kobber som skal brukes til å forsyne plettering. De to elektrodene er nedsenket i badekaret, noen få centimeter fra hverandre, og strømmen blir passert så lenge som nødvendig.

Faktorer som favoriserer fenomenet:

Badekonsentrasjon : jo mer konsentrert badet er, desto raskere blir pletteringen.
Overflaten til delen som skal belettes: jo større overflaten på delen, jo høyere må den elektriske intensiteten være.
Avsetningens hastighet: den er proporsjonal med mengden strøm som går gjennom delen som skal belates.
Den temperatur : varme fremmer ytelse bad .

Forkrommet av ståldeler fortsetter som følger:

Metaldelen som utgjør katoden, nedsenkes med en kromanode i en løsning (elektrolytten) som inneholder kromioner (Cr 3+ );
Generatoren plassert mellom anoden og katoden gir en likestrøm;
Metaldelen får elektroner og tiltrekker seg kromioner som fester seg til overflaten.

Produksjon av kobber og aluminium

Den aluminium primærdelen er oppnådd ved elektrolyse av aluminiumoksyd Al 2 O 3. Fremgangsmåten består i å redusere ved elektrolyse aluminiumoksyd oppløst i et bad av kryolitt ( dobbel aluminium og natrium -fluorid : AlF 3 , 3 NaF) smeltet ved omkring 950 ° C , i en tank som gjennomtrenges av en høy elektrisk strømstyrke.. Under påvirkning av likestrøm transporteres ionene til de to elektrodene.

Den positive elektroden tiltrekker seg negative ioner, her oksygen O 2– . Anoden ( oksidasjon ) er plassert på toppen av digelen der elektrolysen foregår; oksygen kan således frigjøres i form av CO 2etter å ha brent karbonet som utgjør anoden.

Den negative elektroden tiltrekker seg positive ioner, i dette tilfellet aluminium Al 3+ . Katoden ( reduksjon ) er plassert på bunnen av digelen der aluminiumet som er tyngre enn badet, legger seg og blir liggende som et lag av flytende metall ved høy temperatur. Det flytende metall suges og transporteres regelmessig støperi til å størkne i form av halvferdige produkt ( støpeblokk , barre , plate av rullende ).

Det globale fenomenet gjenspeiles i reaksjonen:

2 Al 2 O 3+ 3 C → 4 Al + 3 CO 2

Den industrielle raffinering av rå kobber utføres ved elektrolyse av rå kobberanoder i et kobbersulfatbad . Rent kobber (opptil 99,95%) binder seg til katoden , med urenheter igjen i badekaret.

På samme måte kan nikkel raffineres ved elektrolyse. Den samler seg på katoden , mens oksygenet slipper ut ved anoden , og elektrolytten er nikkelsulfat blandet med svovelsyre . Katodene høstes etter ca. 7 dager. I 2009 ble rundt 200.000 tonn per år med 99,9% rent nikkel, av de 1.500.000 tonn primærnikkel produsert over hele verden, raffinert ved elektrolyse.

Produksjon av ozon

Gjennomgang av elektrisk strøm lar vann brytes ned i de forskjellige elementene: oksygen og hydrogen. De frie oksygenatomene er veldig reaktive: de kan rekombinere til ozon (O 3 ).

Mengden generert ozon er proporsjonal med ladningen som krysser cellen (i henhold til Faradays lov ), derfor proporsjonal med den elektriske strømmen.

Merk: siden oppløsningen av ozon i vann er mer effektiv når temperaturen synker og når vannet har færrest mulig elektrolytter, anbefales det å bruke demineralisert og avkjølt vann (ideelt er vann med en temperatur på rundt 1 ° C ).

Grunnleggere

De banebrytende forskerne innen elektrolyse er:

William Nicholson (1753-1815) og Sir Anthony Carlisle (1768-1840) utførte den første elektrolysen på2. mai 1800.
Michael Faraday , britisk forsker , er en av skaperne av elektrokjemi , sammen med Humphry Davy og med den italienske forskeren Carlo Matteucci .
Svante Arrhenius
Adolph Wilhelm Hermann Kolbe

Merknader og referanser

Biografi om Adriaan Paets Van Troostwijk
(i) Frank K. Krundwell , Michael S. vollgraver , Venkoba Ramachandran , Timothy G. Robinson og William G. Davenport , Extractive Metallurgi av nikkel, kobolt og platinagruppe metaller , Elsevier ,2011, 610 s. ( ISBN 978-0-08-096809-4 , leses online ) , s. 297
Krundwell et al. 2011 , s. 327.

Kilder

[PDF] Elektrokjemiske celler: termodynamiske og kinetiske aspekter , Didier Devilliers og Éric Mahé, Kjemiske nyheter - januar 2003 , på nettstedet cultureciences.chimie.ens.fr.

Se også

Relaterte artikler

Eksterne linker

Faraday, elektrolyse, anioner og kationer ...