Metale ogólne

Elektroliza

Jeśli elektrody metaliczne zanurzone w roztworze elektrolitu lub innym przewodniku typu jonowego połączy się z zewnętrznym źródłem prądu stałego o odpowiednim napięciu, zajdą na nich procesy określane ogólnie mianem elektrolizy. Układ , w którym prowadzi się elektrolizę, nosi nazwę elektrolizera. Elektrodę połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu nazywa się anodą, a elektrodę ujemną- katodą. Na anodzie zachodzi proces utleniania a na katodzie – redukcji. Aby mógł zachodzić proces elektrolizy, napięcie zewnętrznego źródła prądu musi być wyższe od SEM ogniwa, w którym zachodzi reakcja , będąca odwróceniem reakcji w elektrolizerze. Jeśli więc nawet przed rozpoczęciem elektrolizy potencjały obu elektrod były jednakowe, to wydzielenie minimalnych ilości produktów na katodzie i anodzie po rozpoczęciu elektrolizy spowoduje utworzenie dwóch różnych półogniw o różnych potencjałach. Czynnikami decydującymi o tym, jakie reakcje zajdą na elektrodach podczas przepływu prądu przez elektrolizer, s przede wszystkim skład roztworu i materiał elektrod, ale znaczący wpływ mają także napięcie elektrolizy oraz temperatura. Brak jest ścisłych, ogólnych reguł przewidywania, skutecznych w każdej sytuacji, ale wiele można przewidzieć stosując kilka prostych zasad. Na dodatniej elektrodzie elektrolizera, czyli na anodzie, zachodzą procesy utleniania, natomiast na katodzie – redukcji. W reakcji anodowej mogą uczestniczyć tylko drobiny mogące oddać elektrony, a w katodowej te, które mogą elektrony pobrać. O tym, które drobiny będą się utleniać lub redukować łatwiej od innych , decyduje przede wszystkim potencjał danej reakcji elektrodowej, czyli jej położenie w szeregu napięciowym. Proces katodowy będzie zachodzić tym łatwiej, im wyższy jest jego potencjał, a proces anodowy - odwrotnie. Na katodzie w pierwszej kolejności rozładowują się kationy metali ciężkich, czyli metali położonych w szeregu napięciowym na prawo od glinu. Jeśli roztwór elektrolitu nie zawiera jonów metali ciężkich, na katodzie wydziela się wodór pochodzący z rozładowania kationów H + lub z redukcji cząsteczek wody. W przypadku zakwaszonego roztworu soli metalu ciężkiego wydzielanie metalu i wodoru może zachodzić równocześnie, Na anodzie w pierwszej kolejności rozładowują się aniony kwasów beztlenowych. Jeśli są one nieobecne w roztworze, na anodzie wydziela się tlen pochodzący z rozładowania jonów OH- lub utleniania cząsteczek wody. Jeśli anoda nie jest wykonana z metalu szlachetnego lub grafitu, to może się ona roztwarzać, jak np. podczas elektrolizy roztworu CuSO4 na elektrodach miedzianych. Z powyższych przykładów wynika, że elektroliza roztworów kwasów tlenowych, wodorotlenków litowców i berylowców oraz soli tych metali i kwasów tlenowych sprowadza się do rozkładu wody na tlen i wodór, dlatego też często nazywana jest elektrolizą wody.

Elektrolityczne otrzymywanie metali

Zgodnie z definicją elektrolizy może ona przebiegać nie tylko w wodnych roztworach elektrolitów, ale i w każdym innym przewodniku jonowym, np. stopionych substancjach o budowie jonowej : tlenkach metali, wodorotlenkach i solach. Stopienie tych substancji powoduje zniszczenie ich sieci krystalicznej , dzięki czemu kationy i aniony mogą się poruszać, a co za tym idzie – przewodzić prąd elektryczny i uczestniczyć w reakcjach elektrodowych. W ten sposób otrzymuje się na skale przemysłową metale, które w szeregu elektrochemicznym leżą na lewo od glinu : Li, Na, K, Mg, Ca oraz glin. Jako elektrolity służą najczęściej niskotopliwe chlorki lub wodorotlenki. Największe znaczenie praktyczne ma otrzymywanie tą metodą metalicznego glinu, zwanego potocznie aluminium. Surowcem do otrzymywania glinu jest jego tlenek produkowany z boksytu. Tlenek ten ma jednak bardzo wysoką temperaturę topnienia – ok. 2000 oC , której nie wytrzymałaby żadna konstrukcja elektrolizera. Problem ten rozwiązano wykorzystując rozpuszczalność tlenku glinu w stopionym kriolicie. Dzięki temu udało się obniżyć temperaturę elektrolizy do ok. 1000 oC. Opisana metoda produkcji aluminium jest bardzo uciążliwa dla środowiska, ponieważ powstające w niej gazy zanieczyszczone są silnie toksycznymi i wywołującymi korozję związkami fluoru , powstającymi z rozkładu kriolitu. Z tego też powodu trwają prace nad wprowadzeniem innych, „czystszych” metod produkcji aluminium. Ważnym przemysłowym procesem elektrochemicznym jest elektrorafinacja miedzi. Miedź metaliczna otrzymywana w procesach hutniczych jest zawsze zanieczyszczona, co powoduje znaczny spadek jej przewodnictwa elektrycznego. Oczyszczanie surowej miedzi w procesie elektrorafinacji polega na prowadzeniu elektrolizy zakwaszonego kwasem siarkowym roztworu CuSO4, w którym umieszcza się anody wykonane z miedzi hutniczej i katody w formie blach z oczyszczonej miedzi. Część zanieczyszczeń obecnych w miedzi hutniczej przechodzi do roztworu a pozostałe opadają na dno elektrolizera jako tzw. szlam anodowy, będący bogatym źródłem metali szlachetnych, głównie srebra, które często towarzyszy rudom miedzi.