Pe scurt
Electroliza este un proces electrochimic non-spontan, forțat prin aplicarea unui curent electric continuu, în care la catod are loc reducerea, iar la anod are loc oxidarea. Legile lui Faraday cuantifică relația dintre cantitatea de substanță transformată și sarcina electrică consumată, fiind fundamentale pentru calculele din electroliză. Procesele anodice și catodice depind de natura electrolitului, a electrozilor și de potențialele standard de electrod.
Definiția și principiile de bază ale electrolizei
Electroliza este un proces electrochimic prin care o reacție chimică non-spontană este forțată să aibă loc prin aplicarea unui curent electric continuu printr-o soluție de electrolit sau printr-un electrolit topit. Procesul implică doi electrozi:
- Catodul – electrodul negativ, unde are loc reducerea (câștig de electroni)
- Anodul – electrodul pozitiv, unde are loc oxidarea (pierdere de electroni)
Legile lui Faraday
Legile lui Faraday sunt fundamentale pentru electroliză și cuantifică relația dintre cantitatea de substanță transformată și cantitatea de electricitate consumată.
Prima lege a lui Faraday
Masa de substanță depusă sau eliberată la un electrod este direct proporțională cu cantitatea de electricitate (sarcină electrică, Q) care trece prin electrolit:
- m = k × Q, unde k este echivalentul electrochimic al substanței
- Forma extinsă: m = (M × I × t) / (n × F)
A doua lege a lui Faraday
Pentru aceeași cantitate de electricitate, masele de substanțe transformate sunt direct proporționale cu echivalenții lor chimici (masa molară împărțită la numărul de electroni transferați):
- m₁ / (M₁/n₁) = m₂ / (M₂/n₂)
Relații și constante importante
- Sarcina electrică totală: Q = I × t
- Numărul de moli de electroni: n(e⁻) = Q / F
- Constanta lui Faraday: F = 96485 C/mol
Procese anodice și catodice
Procesele anodice și catodice depind de natura electrolitului și a electrozilor. Este crucial să se țină cont de potențialele standard de electrod și de supratensiuni pentru a prezice corect reacțiile.
Exemple de reacții la electroliză
- Electroliza clorurii de sodiu topite:
- La catod: Na⁺ + e⁻ → Na
- La anod: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
- Electroliza apei acidulate:
- La catod: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
- La anod: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Exemple detaliate cu calcule
Exemplul 1: Electroliza clorurii de sodiu topite (NaCl topit) la 800°C
Se aplică un curent de 2 A timp de 30 de minute.
Reacții:
- La catod: Na⁺ + e⁻ → Na (metal lichid)
- La anod: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
Calcule:
- Q = I × t = 2 A × (30 × 60) s = 3600 C
- Moli de electroni = Q / F = 3600 / 96485 ≈ 0,0373 mol e⁻
- La catod, 1 mol Na necesită 1 mol e⁻, deci moli Na = 0,0373 mol
- Masa Na = 0,0373 × 22,99 ≈ 0,857 g
- La anod, 2 mol Cl⁻ pierd 2 mol e⁻, deci moli Cl₂ = 0,0373 / 2 = 0,01865 mol
- Volumul Cl₂ = 0,01865 × 22,4 = 0,418 L la c.n.
Exemplul 2: Electroliza apei acidulate cu H₂SO₄ (inert)
Se trece un curent de 5 A timp de 1 oră.
Calcule:
- Q = 5 A × 3600 s = 18000 C
- Moli e⁻ = 18000 / 96485 ≈ 0,1866 mol
- La catod: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. Pentru 1 mol H₂ sunt necesari 2 mol e⁻, deci moli H₂ = 0,1866 / 2 = 0,0933 mol
- V(H₂) = 0,0933 × 22,4 = 2,09 L
- La anod: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. Pentru 1 mol O₂ sunt necesari 4 mol e⁻, deci moli O₂ = 0,1866 / 4 = 0,04665 mol
- V(O₂) = 0,04665 × 22,4 = 1,045 L
- Raportul volumelor H₂:O₂ este 2:1
Exemplul 3: Electroliza unei soluții de CuSO₄ 0,5 M cu electrozi de cupru (anod activ) și catod inert de platină
Se electrolizează 500 mL soluție timp de 20 de minute cu un curent de 1 A.
Reacții:
- La catod: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
- La anod: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ (anodul se consumă)
Calcule:
- Q = 1 A × (20 × 60) s = 1200 C
- Moli e⁻ = 1200 / 96485 ≈ 0,01244 mol
- La catod, 1 mol Cu necesită 2 mol e⁻, deci moli Cu depus = 0,01244 / 2 = 0,00622 mol
- Masa Cu = 0,00622 × 63,55 = 0,395 g
- La anod, aceeași cantitate de cupru se dizolvă (anod activ), deci pierderea de masă a anodului este tot 0,395 g
Concepte cheie
- Electroliza este un proces non-spontan care necesită curent electric
- Catodul = reducere, anodul = oxidare
- Prima lege a lui Faraday: m = (M × I × t) / (n × F)
- A doua lege a lui Faraday: masele sunt proporționale cu echivalenții chimici
- Constanta Faraday F = 96485 C/mol
- Procesele anodice și catodice depind de potențialele de electrod și supratensiuni
Verifică-te!
- Care este relația matematică dintre masa de substanță depusă la electrod și cantitatea de electricitate care trece prin electrolit, conform primei legi a lui Faraday?
- În cazul electrolizei apei acidulate, câți moli de electroni sunt necesari pentru a produce 1 mol de hidrogen la catod și 1 mol de oxigen la anod?
- Ce se întâmplă cu masa anodului în cazul electrolizei unei soluții de CuSO₄ cu electrozi de cupru (anod activ)?