Curentul electric in electroliti

Curentul electric in electroliti

a) Electroliza. Curentul electric circula atat prin metale cat si prin lichide. Asa cum s-a mai aratat, curentul electric se deplaseaza in metale datorita electronilor liberi, care sunt pusi in miscare prin aplicarea unei tensiuni electrice intre capetele conductorului. La metale transportul de electricitate nu produce modificari chimice pe conductor.

Conductibilitatea metalelor se numeste conductibilitate electronica pentru ca transportul de electricitate se datoreaza miscarii electronilor. Conductorii metalici sunt considerati conductori de clasa I.

Prin lichide (saruri metalice topite, solutii saline, bazice sau acide) trecerea curentului electric se produce cu totul altfel. Ea constituie o miscare a ambelor feluri de sarcini electrice insotite de un transport de substanta. Faraday a constatat pentru prima data ca la locurile de intrare si iesire a curentului (electrozi) au loc fenomene de descompunere chimica (procese chimice), fenomenul respectiv fiind numit electroliza.

Substanta prin care trece se numeste electrolit, iar conductorii metalici, electrozi.

Trecerea curentilor prin electrolit se face cu ajutorul ionilor, care sunt particule incarcate cu electricitate; particulele incarcate cu electricitate negativa sunt ioni negativi si pentru ca se indreapta spre anod se numesc anioni, iar cele incarcate pozitiv, ioni pozitivi si se indreapta spre catod, formand cationi.

Electrolitul din jurul anodului se numeste anolit, iar cel din jurul catodului, catolit.

Conductibilitatea lichidelor se cheama conductibilitate ionica, deoarece transportul de electricitate se face de catre ioni.

Lichidele conductoare de curent se numesc conductori de clasa a II - a.

La trecerea curentului electric prin electroliti, pe electrozi se separa particulele componente ale electrolitului si anume: la catod se depun metalele si hidrogenul, iar la anod metaloizii, oxigenul si grupele de anioni. La anod, anionii se transforma in atomi neutri (sau grupe de atomi) pierzand electroni, iar la catod, cationii se transforma in atomi neutri (sau grupe de atomi) castigand electroni. De exemplu, la electroliza sarii de bucatarie, la anod se separa clor, iar la catod are loc separarea hidrogenului si formeaza hidroxidului de sodiu; la electroliza sulfatului de cupru se separa cupru sau hidrogen, iar la anod oxigen, formandu-se si acid sulfuric.

Fenomenul de electroliza se produce pe baza unor anumite legi.

Una din legi se refera la influenta curentului electric care produce electroliza si se enunta astfel: masa de substanta depusa la fiecare electrod este proportionala cu intesitatea curentului electric si cu timpul cat circula curentului electric prin electrolit.

Adica,

m = k.I.t,    in g,

in care:

k este un factor de proportionalitate;

I ∙ t = Q reprezinta cantitatea de electricitate transportata de ioni in timpul electrolizei (intensitatea se masoara in amperi si timpul in secunde).

Deci se mai poate scrie:

m = k.Q in g.

O a doua lege exprima influenta electrolitului asupra rezultatelor electrolizei. Ea se enunta astfel: masele de substanta depuse la unui dintre electrozi, din electroliti diferiti parcursi de aceeasi cantitate de electricitate sunt proportionale cu echilavalentii lor chimici.

Aceasta lege poate fi scrisa sub forma unei relatii cantitative, introducand un factor de proportionalitate k₁.

m = k₁ A

n

in care:

A este masa atomica a metalului;

m - valenta metalului.

Ambele legi se pot include intr-o singura relatie, care arata ca masa de substanta depusa este proportionala cu echivalentul chimic, cu intensitatea curentului si cu timpul.

m = λ A ∙ I ∙ t

n

in care λ A = k este echivalentul electrochimic al substantei respective si reprezinta cantitatea de substanta depusa de 1 coulomb.

Electroliza are numeroase aplicatii in industrie.

Din solutiile sarurilor metalice, in industrie, se separa cantitati mari de metal pur, prin depunere electrolitica. Un astfel de procedeu se aplica mai ales la zinc si cupru.

Prin procedeul de galvanizare anumite piese metale ordinare pot fi acoperite, cu un strat subtire de alt metal ca nichel, crom, argint etc.

Fenomenul de electroliza se mai foloseste si la obtinerea unor matrite pentru reproducerea unor obiecte dintr-un numar mare de exemplare. Mulajul obiectului (de exemplu medalie) se acopera cu un strat de grafit ca sa devina conductibil si se introduce ca electrod negativ intr-o baie de galvanizare pentru a obtine o copie in relief a obiectului respectiv sub forma unei pojghite metalice care sa serveasca apoi ca matrita. Procedeul se numeste galvanoplastie.

Prin electroliza apei se obtine hidrogenul si oxigenul. Daca se efectueaza o electroliza repetata apa grea, care contine deuteriu, un izotop al hidrogenului cu masa atomica 2 folosita la reactoarele nucleare.

Din electroliza sarurilor topite de aluminiu se obtin cantitati insemnate de aluminiu. Tot prin electroliza se obtine clorul, din clorurile topite.

Electroliza aluminei pentru obtinerea aluminiului metalic. Alumina (Al₂O₃) obtinuta din bauxita este supusa electrolizei dupa ce a fost dizolvata mai intai in criolita topita.

Celula de electroliza este formata dintr-un creuzet prismatic din material refractar, captusit cu placi de carbune. In ea se introduce criolita topita (florura de aluminiu si de sodiu) in care, in mod treptat, se adauga alumina care se dizolva.

Anozii formati din carbune sunt introdusi in materialul topit in celula de electroliza. Curentul trece prin electrolit, de la anod la catod si mentine o temperatura ridicata, aproximativ 1000sC. Alumina se descompune sub actiunea curentului electric, in aluminiu si oxigen.

In timpul procesului de electroliza aluminiul se depune la catod, iar oxigenul la anod.

Aluminiul fiind incarcat pozitiv, merge la electrodul negativ, si se strange pe fundul celulei, deoarece captuseala acestuia, in functie de catod, este in legatura cu sursa de curent electric.

Oxigenul fiind incarcat negativ este atras de anod, care fiind suspendat deasupra, este introdus in baia de electrolit topit pe masura ce se consuma, ca urmare a reactiei care are loc intre carbunele din electrod si oxigenul degajat.

b) Pile electrice. Prin denumirea de pile, elemente sau baterii electrice se intelege, unele tipuri speciale de generatori electrici, capabili sa transforme enegia chimica in energie electrica, sa produca o forta electromotoare si sa asigure un regim stationar al curentului, intr-un circuit conductor, care se leaga la borne numite poli.

Orice element galvanic este compus dintr-un electrolit care vine in contact cu doua conductoare de natura diferita. In regiunea de contact a electrolitului cu electrozii se produc potentiale electrice neegale, datorita naturii diferite a celor doua metale.

Tensiunea electrica obtinuta prin procese chimice se explica prin teoria electronica. Electrolitul in care se introduce un electrod metalic dizolva metalul in proportie mai mare sau mai mica. El primeste sarcina electrica pozitiva a ionilor trimisa de electrodul de metalin urma dizolvarii lui, care ramane cu exces de electroni, adica incarcat negativ. Deci prin dizolvarea metalului se comunica electrolitul sarcina pozitiva a ionilor, iar metalul se incarca negativ. In felul acesta, apare o diferenta de potential de contact, care se va stabiliza la valoarea pentru care campul electric rezultat reuseste sa opreasca formarea noilor ioni metalici.

Pe suprafata metalului se manifesta o presiune de dizolvare, care trimite ioni de metal in solutie, iar ionii din solutie exercita la randul lor o presiune denumita osmotica, cu tendinta de depunere a ionilor din solutie de metal.

In cazul in care presiunea de dizolvare este mai redusa decat presiunea osmotica, ionii din metal sunt trimisi in electrolit pana cand se stabileste un echilibru dinamic. Asa se intampla de exemplu, cu zincul intr-o solutie diluata de acid sulfuric.

In schimb, daca presiunea de dizolvare este mai mica decat presiunea osmotica a electrolitului atunci ionii din solutie se depun pe metal, incarcandu-l pozitiv (de exemplu, cupru in solutie de sulfat de cupru).

In ordinea crescanda a presiunii electrolitice de dizolvare, metalele ocupa urmatoarele locuri: Cr, Pt, Au, Ag, Cu, Fe, Sn, Pb, Zn, Al, Mg, Na.

Ce se intampla daca in locul unui singur electrod metalic se introduc doi electrozi intr-un electrolit ? De exemplu, in aceeasi solutie de acid sulfuric se introduc doua metale diferite (Zn si Cu). In acest caz apare o tensiune electrica intre cei doi electrozi, dupa acelasi mecanism, dupa care s-a creat tensiunea intre un metal si o solutie.

Cuprul, de exemplu, trimite in solutie un numar mai redus de ioni decat zincul; deci sarcina electrica a electrodului de cupru este mai scazuta decat a celui de zinc.

Daca se leaga cei doi electrozi metalici cu un conductor metalic, se constata ca prin el circula un curent electric, electronii deplasandu-se in circuitul exterior de la Cu la Zn, iar in masa electrolitului de la Zn catre Cu.

In acest caz avem de-a face cu un element galvanic.

In timpul functionarii unui element galvanic sarcinile pozitive mai sunt purtate si de ionii de hidrogen rezultati prin disociatia electrolitica a moleculelor de acid sulfuric, in apa. Acesti ioni sunt transportati pe placa de cupru, adica la electrodul pozitiv, unde se depun peste stratul metalic ce contine zinc.

Depunerea de hidrogen la polul pozitiv creeaza o forta electromotoare de polarizare ce se opune celei initiale, pentru ca hidrogenul depus izoleaza electrodul de electrolit si formeaza impreuna cu zincul un alt element. Acest fenomen se numeste polarizarea electrozilor.

Daca electrodul se inveleste cu o substanta oxidanta (acid azotic, solutie de bicromat de potasiu, granule de bioxid de mangan etc.), patura de hidrogen aparuta prin polarizare se combina cu oxigenul, formeaza apa si deci dispare. Asemenea substante se numeste depolarizante.

Prin procesul de depolarizare se mentine cat mai constanta presiunea la bornele elementului galvanic. Se cunosc numeroase elemente galvanice, insa ele astazi nu mai prezinta interes, fiind inlocuite cu acumlatoare sau cu dinamuri.

c) Termoelemente. S-a stabilit ca orice contact intre doua corpuri metalice diferite determina un schimb de sarcini electrice.

De asemenea, intr-un circuit inchis, format exclusiv din metale, suma fortelor electromotoare de contact este nula daca pe acel circuit nu exista diferente de temperatura. Altfel, se petrece fenomenul daca se incalzeste regiunea de contact intre doua metale diferite. In acest caz apar forte electromotoare termoelectrice sau electrochimice, iar sistemul devine un generator de energie electrica, datorita transformarii energiei calorice sau chimice.

Forta electromotoare formata trimite in circuit un curent electric daca unul dintre punctele de contact sau de sudura, intre doua metale adiacente are o alta temperatura decat al doilea punct.

Deci prin incalzirea locului de unire a doua sarme din metale diferite ia nastere un curent electric, daca celelalte doua capete sunt unite si mentinute la o temperatura mai coborata.

Fenomenul reprezinta efectul termoelectric si apare datorita variatiei fortei electromotoare de contact cu temperatura dintre sudura calda si cea rece.

Efectul termoelectric are aplicatii practice la masurarea temperaturilor cu ajutorul cuplurilor termoelectrice si de la detectarea incendiilor prin detectoare cu termocupluri.