Obținerea metalelor prin electroliză

1. GENERALITĂŢI

1.1 Metale, stare naturală, metode de obţinere

Metalul este o substanţă care în stare solidă se deosebeşte de celelalte substanţe şi posedă o serie de proprietăţi comune, diferenţiindu-se de la un metal la altul: luciul caracteristic ( reflectarea înaltă a luminii vizibile), ductibilitate înaltă şi maleabilitate ( reţeaua cristalină nu este rigidă şi planurile reţelei sunt capabile să alunece unele peste altele), conductibilitatea termică şi electrică înalte ( deplasarea sarcinilor prin reţeaua electrică se face uşor), caracter electropozitiv sau bazic accentuat ( electronii de valenţă se pot îndepărta uşor de atomii metalelor).(2)

Existenţa la metale a proprietăţilor menţionate sugerează existenţa unei legături speciale numită legatură metalică.

Majoritatea metalelor se găsesc în pământ, şi numai puţine în stare liberă, adică nativă. Acestea sunt metalele cele mai puţin active: aurul, platina, argintul şi mercurul. Celelalte se găsesc sub formă de combinaţii: oxizi, sulfuri, carbonaţi etc.Combinaţiile metalelor existente în natură se numesc minerale. Amestecul de minerale care se exploatează se numeşte minereu. Minereul cuprinde una sau mai multe minerale utile amestecate cu altele fără valoare (dpdv ind), care alcătuiesc sterilul sau ganga.

Pt. prepararea metalelor din mineralele naturale sau din alte combinaţii se utilizează diferite procedee, care depind de natura metalului de obţinut sau de mineralul în care se găseşte. Separarea metalelor din combinaţiile lor depinde de o serie de proprietăţi fizico-chimice, ca potenţialele normale, foarte deosebite ale metalelor, sau variaţia mare a căldurilor de formare a oxidului celui mai obişnuit.

Aceste metode de preparare se pot clasifica în 3 grupe:

1. Descompunerea termică

2. Procese de reducere

3. Electroliza

1.2. Definiţia şi legile electrolizei

Electroliza

Procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se împart în 2 categorii: procedee electrotermice, când curentul electric serveşte drept sursă de căldură, şi procedee electrochimice, când curentul electric are acţiune electrolitică asupra soluţiei sau topiturii.(6)

Inainte de anul 1880, energia electrică avea o utilizare foarte limitată în industria chimică, cu toate că primele cercetări de laborator în domeniul electrochimiei datează încă de la începutul secolului al XIX-lea Dezvoltarea largă a electrochimiei industriale a început abia după inventarea şi perfecţionarea dinamului. Un rol important în dezvoltarea electrochimiei îi revine lui M. Faraday care a formulat legile fundamentale ale electrolizei.

Producerea diferitelor fenomene chimice sub acţiunea curentului electric la suprafaţa de contact electrolit-electrod metalic constituie fenomenul de electroliză. Acesta poate fi definit după Faraday ca o descompunere permanentă a unei substanţe sub acţiunea curentului electric, caz în care ionii soluţiei se vor dirija spre electrodul cu încarcarea electrică opusă celei pe care o iau ionii, unde se depun.

Procesele de electroliză se supun legilor lui Faraday. Cantitatea teoretică, m, de metal, cu masa A şi număr de oxidare z, care se poate obţine la catod depinde de intensitatea curentului continuu aplicat, I, (A), şi de durata procesului, t,(s), conform cu legea electrolizei ( legea lui Faraday). Se notează cu K raportul A/zF şi se denumeşte echivalent electrochimic al metalului:

<m> = [g] , F=96489 (4)

Fenomenul de electroliză este complicat şi depinde de o serie de factori fizici şi chimici, a căror acţiune a impus clarificarea a însăşi modului prin care se face disocierea unui electrolit sub acţiunea curentului electric. Fenomenul constă în migraţia ionilor pozitivi către catod şi a ionilor negativi spre anod, cât şi în neutralizarea acestora. Astfel, la electrozi, ionii captează, respectiv cedează electroni, transformându-se în atomi neutri sau grupe de atomi. Aceştia se pot depune ca atare pe electrod sau pot reacţiona; cu moleculele dizolvantului, cu electrodul, sau între ei. Se formează astfel produşi secundari ai electrolizei. De fapt, procesele la electrozi, având loc cu transfer de electroni sunt transformări redox.

Obţinerea metalelor uşoare (metale1e a1caline, alcalino-pământoase, alurniniu), care sunt foarte active şi formează oxizi greu de redus cu cărbune, sau care dau uşor carburi, se face prin electroliză. (reducere catodică).

In procesul de electroliză , ionii metalici se reduc la catod unde primesc electroni. Pentru obţinerea metalelor menţionate mai înainte, electroliza se face fie în stare topită a unor săruri anhidre şi procedeul este economic mai ales dacă metalul se obţine în stare topită, fie în soluţie.

Prin electroliza din săruri topite se pot obţine între altele şi lantanidele, Ti, Zr, Ta, Th, U. Metalele grele se pot obţine din soluţiile apoase ale sărurilor 1or. Mai frecvent însă electroliza se aplică pentru afinarea (purificarea) metalelor grele, când metalul brut serveşte drept electrod, (anod). Aşa se purifică Ag, Au, Cu, 1a Baia-Mare.

Electroliza este utilizată pentru obținerea metalelor pure (Cu, Ag, Al, Zn, Pt) în galvanoplastie, galvanostegie. Galvanoplastia constă în depunerea unor straturi metalice subțiri pe obiecte metalice în scop de protecție sau decorativ (nichelare, cromare, argintare, aurire etc.)

Galvanostegia constă în depuneri electrolitice de metal pe mulaje din materiale plastice (sau ceară), impregnate cu un strat de grafit, pentru a le face conductoare. Mulajul este montat la catod și după depunerea metalului se îndepărtează materialul mulajului. Se obțin astfel reproduceri foarte fidele ale formei unor obiecte (sculpturi, alte opere de artă). (4)

Procedeul electrometalurgic este procedeul prin care reducerea cationilor metalici se realizează electrolitic.