II.19. Extindere: Efectul chimic al curentului electric. Electroliza

Trecerea curentului electric prin soluţiile de electroliţi determină fenomene chimice la electrozi, numite efecte electrochimice (efecte chimice ale curentului electric).

Efectul chimic al curentului electric (electroliza) constă în degajări de gaze şi depuneri de substanţe la cei doi electrozi legați la o baterie atunci când curentul electric trece prin soluţiile sau topiturile de electroliţi.

Electrolitul este o substanță care, dizolvată sau topită, permite trecerea curentului electric prin ea. Ca exemple de electroliți avem sărurile, acizii și bazele.

Fenomenul fizic în care un electrolit se descompune în ioni la dizolvarea în apă se numește disociație electrolitică.

În urma disocierii electrolitice, ionii formați au o mișcare dezordonată.

La introducerea a doi electrozi legați la o sursă electrică, ionii din soluție încep să se miște ordonat și să se deplaseze către electrodul de semn opus lor, adică trece curentul electric prin soluție.

Odată ajunși la electrozi, au loc reacții chimice, adică ionii se neutralizează, devenind atomi sau molecule.

Vom exemplifica pe clorura de cupru II (CuCl₂).

Trecerea curentului electric prin soluţiile de electroliţi determină fenomene chimice la electrozi, numite efecte electrochimice.

Deci efectul electrochimic (electroliza) unei soluții de clorură cuprică constă în degajări de gaze (Cl₂) şi depuneri de substanţe (Cu) la trecerea curentului prin soluţiile sau topiturile de electroliţi.

👀 Experiment: Electroliza sării de bucătărie

Materiale necesare:
Sursă de alimentare (baterie electrică de 9V sau alimentator), bec 3,5V, electrozi de grafit (mine mai groase de creion mecanic - se pot procura de la o baterie de 4,5V uzată), suport electrozi confecţionat din carton , conductoare de legătură, apă (de preferat, distilată), sare de bucătărie, linguriţă şi pahar.

Descrierea experimentului:

• Fixează electrozii de grafit în suport, pune apă în pahar şi aşază suportul pe pahar.
• Realizează un circuit serie legând un electrod la o bornă a bateriei, celălalt electrod la o bornă a becului şi cu cealaltă bornă a becului închide circuitul la a doua bornă a bateriei.
• Introdu electrozii în apă.
• Ce observi ?

  Becul nu se aprinde.

• Scoate cartonul cu electrozi şi toarnă în apa din pahar o lingură cu sare de bucătărie (amestecând-o) şi repetă experimentul, lăsând aproximativ cinci minute să treacă curentul prin saramură.
• Ce observi?

  Becul se aprinde. La electrodul legat la borna pozitivă (+) a bateriei (anod), se simte mirosul specific al clorului.

Concluzia experimentului:
Apa pură (distilată) este izolatoare electrică.
Apa în care se dizolvă săruri devine conductoare electrică.
Soluţiile (sau topiturile) de săruri, acizi sau baze se numesc electroliţi.
La această electroliză, ionul negativ de clor din soluţie s-a deplasat către anod, unde s-a neutralizat.
Un atom de clor s-a unit cu altul, rezultând molecula de Cl₂, adică binecunoscutul gaz clor, cu mirosul lui specific.
La catod, s-a neutralizat ionul de sodiu. Atomul de sodiu, fiind foarte reactiv, s-a combinat cu apa din soluţie, dând hidroxidul de sodiu (dacă ai picura fenolftaleină în pahar, soluţia s-ar înroşi imediat).

👀 Experiment: Electroliza iodurii de potasiu

Materiale necesare:
Sursă de alimentare (baterie electrică de 9V sau alimentator), electrozi de grafit (mine mai groase de creion mecanic sau se pot procura de la o baterie de 4,5V uzată) , suport electrozi confecţionat din carton, conductoare de legătură, apă, iodură de potasiu, linguriţă şi pahar.

Descrierea experimentului:

• Dizolvă iodura de potasiu în apă.
• Fixează electrozii de grafit în suport, pune soluția în pahar şi aşază suportul pe pahar.
• Leagă un electrod la o bornă a bateriei și celălalt electrod la cealaltă bornă a bateriei.
• Introdu electrozii în soluție.
• Ce observi ?

  La catod apare o colorație maronie.

Concluzia experimentului:
La catod se obține iod, la anod se degajă hidrogen și în soluție se formează hidroxid de potasiu.

👀 Experiment: Electroliza azotatului de sodiu

Materiale necesare:
Sursă de alimentare (baterie electrică sau alimentator), conductoare de legătură, apă , azotat de sodiu, fenolftaleină, linguriţă, hârtie de filtru pahar.

Descrierea experimentului:

• Dizolvă azotatul de sodiu în apă și adaugă câteva picături de fenolftaleină.
• Impregnează o hârtie de filtru cu această soluție.
• Leagă firele la bornele bateriei.
• Atinge capetele firelor de hârtia impregnată cu soluție.
• Ce observi?

  La firul legat la borna negativă apare o colorație roșu-carmin.

Concluzia experimentului:
La catod se concentrează ionii pozitivi de sodiu care cu apa formează hidroxidul de sodiu. Fenolftaleina în mediu bazic se înroșește.

👀 Experiment: Cum determini borna negativă a unei baterii cu ajutorul turmericului

Materiale necesare:
Sursă de alimentare (baterie electrică sau alimentator), conductoare de legătură, apă, alcool 96 %, turmeric (curcumină) pulbere sau pastilă, linguriţă, 2 pahare, hârtie de filtru (sugativă), pâlnie, sare de bucătărie.

Descrierea experimentului:

• Dizolvă turmericul în alcool și filtrează.
• Adaugă câteva picături din această soluție portocalie într-o soluție de sare de bucătărie.
• Impregnează o hârtie de filtru cu această soluție.
• Leagă firele la bornele bateriei.
• Atinge capetele firelor de hârtia impregnată cu soluție.
• Ce observi ?

  La firul legat la borna negativă apare o colorație maronie.

Concluzia experimentului:
La catod se concentrează ionii pozitivi de sodiu care cu apa formează hidroxidul de sodiu. Curcumina în mediu bazic se maronește.

👀 Experimentul 30: Rafinarea (purificarea) cuprului
🔥 Atenție! Piatra vânătă este toxică ! Nu o atinge și nu o gusta.

Materiale necesare:
Alimentator (baterie de 9V), 2 electrozi de cupru (sârmă mai groasă), carton folosit ca suport pentru electrozi, soluţie de sulfat de cupru (piatra vânătă-se găseşte la chimicale pentru stropit viţa-de-vie), pahar sau borcan, conductoare de legătură.

Descrierea experimentului:

• Taie un disc de carton cât gura paharului.
• Leagă cei doi electrozi la bornele bateriei şi introdu-i în paharul cu soluţie de sulfat de cupru.
• Lasă să treacă curentul electric prin soluţie timp de cel puţin 5-10 min. şi observă suprafaţa catodului (electrodul legat la polul negativ al bateriei).
• Ce observi ?

  Pe suprafaţa catodului s-a depus un strat subţire roşiatic de cupru.

Concluzia experimentului:
Acest experiment arată una din aplicaţiile electrolizei, foarte importantă în tehnică, şi-anume rafinarea metalelor care, numai pe cale electrolitică, permite obţinerea metalelor cu cea mai înaltă puritate (99,99% ). Ionii pozitivi de cupru din soluţie se neutralizează la catod. Cuprul depus pe catod se înnegreşte repede la contactul cu aerul atmosferic, deoarece se oxidează (oxidul de cupru este negru). Anodul, confecţionat din cupru, se consumă.

👀 Experiment: Argintarea electrochimică
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
🔥 Atenție! Azotatul de argint este toxic și caustic!

Materiale necesare:
Alimentator (baterie de 9V), 1 electrod de cupru (sârmă mai groasă), 1 electrod de argint, carton folosit ca suport pentru electrozi, soluţie de azotat de argint, pahar sau borcan, conductoare de legătură

Descrierea experimentului:

• Taie un disc de carton cât gura paharului.
• Leagă electrodul de cupru la catod (borna negativă a bateriei) și obiectul de argint la anod (borna pozitivă a bateriei).
• Introdu cei doi electrozi în paharul cu soluţie de azotat de argint.
• Lasă să treacă curentul electric prin soluţie timp de cel puţin 5-10 min. şi observă suprafaţa catodului (electrodul legat la polul negativ al bateriei).
• Ce observi ?

  Pe suprafaţa catodului de cupru s-a depus un strat subţire de argint.

Concluzia experimentului:
Ionii de argint din soluție se neutralizează la catod, depunându-se sub formă metalică. Prin această metodă se acoperă unele metale cu alte metale care nu se oxidează în aerul atmosferic (argintare, aurire, nichelare, cromare etc.).

👀 Experimentul 32: Galvanoplastia
🔥 Atenție! Piatra vânătă este toxică ! Nu o atinge și nu o gusta.

Materiale necesare:
Alimentator (baterie de 9V), 2 electrozi de cupru (sârmă mai groasă), carton folosit ca suport pentru electrozi, soluţie de sulfat de cupru, pahar sau borcan, conductoare de legătură, ceară, grafit pulbere (obținută prin fărâmițarea minelor de creion).

Descrierea experimentului:

• Taie un disc de carton cât gura paharului.
• Modelează din ceară o figurină.
• Tăvălește figurina prin pulberea de grafit petru a deveni conductoare
• Agață figurina de o sârmă de cupru și leagă acest electrod la catod (borna negativă a bateriei)
• Leagă celălalt electrod de cupru la anod (borna pozitivă a bateriei).
• Introdu cei doi electrozi în paharul cu soluţie de sulfat de cupru.
• Lasă să treacă curentul electric prin soluţie timp de cel puţin 30 min. şi observă suprafaţa figurine agățată la catod (electrodul legat la polul negativ al bateriei).
• Ce observi ?

  Pe suprafaţa figurinei de ceară impregnată cu grafit s-a depus un strat subţire de cupru.

Concluzia experimentului:
Operația de reproducere a unor obiecte prin electroliză se numește galvanoplastie. Obiectul ce trebuie reprodus se așază întotdeauna la catod iar metalul cu care se acoperă mulajul se așază la anod.

🔐 Aplicații

Electroliza are foarte multe aplicații:

1. Obținerea unor substanțe pe cale electrolitică: aluminiu, sodiu, magneziu, oxigen, hidrogen, clor, sodă caustică (NaOH) etc.

2. Rafinarea (purificarea) metalelor obținându-se metale de cea mai înaltă puritate.

3. Galvanostegia constă în adică acoperirea unui obiect metalic cu un strat subţire dintr-un alt metal depus prin electroliză: aurire, argintare, cromare, nichelare, zincarea etc. De exemplu medaliile de aur câștigate de olimpici nu sunt din aur, ci din argint placat cu aur. La catod se așază metalul care trebuie acoperit, iar la anod metalul cu care dorim să acoperim.

4. Galvanoplastia constă în reproducerea în relief a unor obiecte. Mulajul obiectului se face din ceară impregnată cu grafit pentru a deveni conductoare și se așază la catod, iar la anod se pune metalul cu care se face reproducerea.