Elettrolisi
L'elettrolisi è la decomposizione di un sistema chimico per
effetto del passaggio di una corrente elettrica continua attraverso di esso (vedi
elettrochimica).
Fra le applicazioni dell'elettrolisi si possono citare la decomposizione
dell'acqua in idrogeno e ossigeno, l'elettrodeposizione dell'argento
(argentatura), il processo industriale di riduzione dell'alluminio e la carica
degli accumulatori. In ogni caso, una
certa quantità di energia elettrica viene convertita in energia potenziale di
natura chimica e immagazzinata nella struttura molecolare dei nuovi composti.
L'acqua pura ha una bassissima conducibilità elettrica, ma le soluzioni
acquose di sali e di molti acidi e basi di uso comune sono eccellenti
conduttori. A esempio, se si collega una batteria da 1,5 volt a due elettrodi
inerti immersi in acqua contenente dell'acido
solforico, l'acqua si decomporrà nei suoi elementi costituenti: l'idrogeno
e l'ossigeno. Ioni idrogeno carichi positivamente migrano verso il catodo
(elettrodo negativo) a causa dell'attrazione tra cariche opposte. Gli ioni
idrogeno che giungono in contatto con il catodo acquistano elettroni e si
riducono (vedi ossidazione e riduzione)
a idrogeno elementare gassoso. Gli ioni solfato bivalente negativi, migrano
verso l'anodo (elettrodo positivo), ma non perdono elettroni altrettanto
facilmente quanto le molecole di acqua. Di conseguenza, la reazione all'anodo è
l'ossidazione dell'acqua, con produzione di ossigeno gassoso. La reazione totale
della cella risulta dalla somma delle due reazioni di semicella che si
sviluppano rispettivamente sul catodo e sull'anodo.
L'elettrolisi è un processo che assorbe energia. Per ottenere 2 grammi di
idrogeno e 16 grammi di ossigeno per elettrolisi di 18 grammi di acqua si deve
fornire l'equivalente di 68.300 cal in energia elettrica. Questa energia può
essere recuperata dall'idrogeno e dall'ossigeno allo stato elementare sia
bruscamente, attraverso una esplosione, sia lentamente, ponendoli insieme in una
cella a combustibile. Le celle fotovoltaiche, che impiegano energia solare per
elettrolizzare l'acqua, utilizzano un sistema idrogeno-ossigeno.
L'elettrolisi è un utile mezzo per isolare metalli attivi dai loro
composti. In alcuni casi questo è l'unico metodo economicamente vantaggioso,
come a esempio per il sodio metallico preparato per elettrolisi di un suo sale
fuso. L'alluminio, il più abbondante tra i metalli che si trovano nella crosta
terrestre, è reperibile in grandi quantità nella bauxite. Questa può essere
purificata fino a ottenere allumina. L'allumina viene poi disciolta in un sale
fuso e la soluzione elettrolizzata. Il sale fuso può essere criolite o una
miscela di fluoruri. In seguito all'elettrolisi, l'alluminio si riduce al catodo
ed è asportato come metallo fuso. I prodotti di ossidazione all'anodo (di
carbonio) sono l'ossigeno, il monossido di carbonio e il biossido di carbonio.
Quantità su scala industriale di alcuni metalli, come il rame, possono essere
ottenute in forma altamente pura per mezzo dell'elettrolisi. Dopo la riduzione
chimica dai suoi minerali, il rame non è abbastanza puro per essere utilizzato
per il suo impiego fondamentale, cioè come conduttore elettrico. Se l'anodo è
costituito da rame impuro e la cella elettrolitica contiene una soluzione di solfato
di rame, il rame si ossiderà mandando ioni rame in soluzione. Questi
migrano quindi al catodo, dove si riducono a rame metallico puro.
La galvanostegia è un processo elettrolitico nel quale gli ioni di un
metallo in soluzione vengono ridotti e si depositano sull'oggetto che deve
essere placcato. A esempio, un cucchiaio caricato negativamente (catodo) può
essere argentato per riduzione di ioni dicianoargento ad argento metallico sulla
sua superficie. La soluzione per placcare in argento può essere preparata
sciogliendo in acqua cianuro d'argento e cianuro
di sodio. L'argento in soluzione viene riportato al valore di partenza
usando un elettrodo positivo di argento puro. La qualità dell'argentatura
dipende fortemente dalla densità di corrente dell'elettrolisi; l'argento
metallico deve essere depositato ad una velocità che permetta una disposizione
ordinata degli atomi di argento nel metallo.
Nella preparazione industriale del cloro viene elettrolizzato il sale
concentrato (cloruro di sodio) di una soluzione salina; all'anodo viene prodotto
il cloro gassoso, mentre al catodo si libera idrogeno. Per mezzo di tecniche
elettrolitiche vengono prodotte anche numerose specie chimiche che non è facile
ottenere per reazione fra sostanze. Il rame metallico, a esempio, è ossidato
facilmente a ioni rame bivalente da molti agenti ossidanti, ma gli atomi di rame
non perdono il terzo elettrone mediante i comuni agenti ossidanti. Tuttavia, se
si elettrolizza una soluzione di ioni, lo ione rame bivalente può essere
ossidato a rame trivalente. Anche se quest'ultimo è instabile ed ha
un'esistenza solo temporanea, è tuttavia presente per un tempo sufficientemente
lungo perché le sue proprietà possano essere studiate e si possa sfruttare il
suo particolare insieme di reazioni.
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