Corriente eléctrica en electrolitos.
La corriente eléctrica en electrolitos siempre está relacionada con la transferencia de materia. En metales y semiconductores, por ejemplo, cuando la corriente pasa a través de ellos, la materia no se transfiere, porque en estos medios los electrones y los huecos son portadores de corriente, pero en los electrolitos se transfieren. Esto se debe a que en los electrolitos, los iones cargados positiva y negativamente de la sustancia actúan como portadores de cargas libres, no como electrones ni huecos.
Los compuestos fundidos de muchos metales, así como algunos sólidos, pertenecen a los electrolitos. Pero los principales representantes de este tipo de conductores, que son ampliamente utilizados en tecnología, son soluciones acuosas de ácidos inorgánicos, bases y sales.
La sustancia, cuando una corriente eléctrica pasa a través del medio electrolítico, se libera sobre los electrodos. Este fenómeno se llama electrólisis… Cuando una corriente eléctrica pasa a través del electrolito, los iones cargados positiva y negativamente de la sustancia se mueven simultáneamente en direcciones opuestas.
Los iones cargados negativamente (aniones) corren hacia el electrodo positivo de la fuente de corriente (ánodo) y los iones cargados positivamente (cationes) hacia su polo negativo (cátodo).
Las fuentes de iones en soluciones acuosas de ácidos, bases y sales son moléculas neutras, algunas de las cuales se dividen bajo la acción de una fuerza eléctrica aplicada. Este fenómeno de división de moléculas neutras se denomina disociación electrolítica. Por ejemplo, el cloruro de cobre CuCl2 se descompone al disociarse en solución acuosa en iones de cloruro (cargados negativamente) y cobre (cargados positivamente).
Cuando los electrodos están conectados a una fuente de corriente, el campo eléctrico comienza a actuar sobre los iones en una solución o derretimiento, ya que los aniones de cloro se mueven hacia el ánodo (electrodo positivo) y los cationes de cobre hacia el cátodo (electrodo negativo).
Al llegar al electrodo negativo, los iones de cobre con carga positiva son neutralizados por el exceso de electrones en el cátodo y se convierten en átomos neutros que se depositan en el cátodo. Al llegar al electrodo positivo, los iones de cloro cargados negativamente donan un electrón cada uno durante la interacción con la carga positiva del ánodo. En este caso, los átomos de cloro neutro formados se combinan en pares para formar moléculas de Cl2 y el cloro se libera en forma de burbujas de gas en el ánodo.
A menudo, el proceso de electrólisis va acompañado de la interacción de los productos de disociación (esto se denomina reacciones secundarias), cuando los productos de descomposición liberados en los electrodos interactúan con el solvente o directamente con el material del electrodo. Tomemos, por ejemplo, la electrólisis de una solución acuosa de sulfato de cobre (sulfato de cobre — CuSO4).En este ejemplo, los electrodos serán de cobre.
La molécula de sulfato de cobre se disocia para formar un ion de cobre Cu+ con carga positiva y un ion de sulfato SO4- con carga negativa. Los átomos de cobre neutro se depositan como un depósito sólido en el cátodo. De esta forma se obtiene cobre químicamente puro.
El ion sulfato dona dos electrones al electrodo positivo y se convierte en el radical neutro SO4, que reacciona inmediatamente con el ánodo de cobre (reacción del ánodo secundario). El producto de reacción en el ánodo es sulfato de cobre, que se disuelve.
Resulta que cuando una corriente eléctrica pasa a través de una solución acuosa de sulfato de cobre, el ánodo de cobre simplemente se disuelve gradualmente y el cobre precipita sobre el cátodo. En este caso, la concentración de la solución acuosa de sulfato de cobre no cambia.
En 1833, el físico inglés Michael Faraday, en el curso de un trabajo experimental, estableció la ley de la electrólisis, que ahora lleva su nombre.
La ley de Faraday le permite determinar la cantidad de productos primarios que se liberan en los electrodos durante la electrólisis. La ley establece lo siguiente: "La masa m de la sustancia liberada en el electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la carga Q que ha pasado a través del electrolito".
El factor de proporcionalidad k en esta fórmula se llama equivalente electroquímico.
La masa de la sustancia que se libera en el electrodo durante la electrólisis es igual a la masa total de todos los iones que llegaron a este electrodo:
La fórmula contiene la carga q0 y la masa m0 de un ion, así como la carga Q que pasó por el electrolito.N es el número de iones que llegaron al electrodo cuando la carga Q pasó por el electrolito.Por lo tanto, la relación entre la masa del ion m0 y su carga q0 se denomina equivalente electroquímico de k.
Dado que la carga de un ion es numéricamente igual al producto de la valencia de la sustancia y la carga elemental, el equivalente químico se puede representar de la siguiente forma:
Donde: Na es la constante de Avogadro, M es la masa molar de la sustancia, F es la constante de Faraday.
De hecho, la constante de Faraday se puede definir como la cantidad de carga que debe pasar a través del electrolito para liberar un mol de sustancia monovalente en el electrodo. La ley de electrólisis de Faraday toma entonces la forma:
El fenómeno de la electrólisis es ampliamente utilizado en la producción moderna. Por ejemplo, el aluminio, el cobre, el hidrógeno, el dióxido de manganeso y el peróxido de hidrógeno se producen industrialmente por electrólisis. Muchos metales se extraen de las menas y se procesan mediante electrólisis (electrorefinación y electroextracción).
Además, gracias a la electrólisis, fuentes de corriente química… La electrólisis se utiliza en el tratamiento de aguas residuales (electroextracción, electrocoagulación, electroflotación). Muchas sustancias (metales, hidrógeno, cloro, etc.) se obtienen por electrólisis para galvanoplastia y galvanoplastia.
Ver también:Producción de hidrógeno por electrólisis del agua: tecnología y equipos