Erreakzio kimikoak zelula elektrolitikoetan
Zelula elektrolitiko bat energia elektrikoa erabiltzen duen gailu bat da, normalean berez gertatuko ez litzatekeen erreakzio kimiko bat behartzeko. Zelula galbanikoek (zelula voltaikoek) ez bezala, erredukzio-erreakzio espontaneoetatik elektrizitatea sortzen dutenak, zelula elektrolitikoek elektrizitatea "kontsumitzen" dute substantziak beste forma batzuetara bihurtzeko oxidazio- eta erredukzio-prozesuen bidez. Teknologia hau funtsezkoa da industria modernoan, metal-plakatzetik eta kobre-fintzetik hasi eta hidrogeno eta oxigeno gasaren ekoizpenera eta aluminioaren fabrikaziora arte. Zelula elektrolitiko baten eginkizun nagusia bere erreakzio kimikoetan datza: materiaren eraldaketa kontrolatua korronte elektriko baten bidez.
Oinarrizko kontzeptuak: erredox erreakzioak eta elektroi mugimendua
Elektrolisiaren funtsa erredukzio-oxidazio erreakzio bat da. Oxidazioa elektroien askapena da, eta erredukzioa, berriz, elektroien irabaztea. Zelula elektrolitiko batean, kanpoko iturri elektriko batek elektroiak zirkuituan zehar isurtzera behartzen ditu, erredukzio-erreakzioa elektrodoen gainazaletan gerta dadin.
Bi elektrodo nagusi daude: anodoa eta katodoa. Zelula elektrolitiko batean, anodoa oxidazioa gertatzen den elektrodoa da, eta katodoa, berriz, erredukzioa gertatzen den elektrodoa. Hau askotan nahasgarria da, zelula galbanikoetan elektrodoen kargen zeinuak desberdinak direlako, baina anodoko oxidazioaren eta katodoko erredukzioaren definizioak beti koherenteak dira zelula elektrokimiko guztientzat.
Elektrolitoa ioien mugimenduaren bidez korrontea eroaten duen medioa da. Elektrolitoak gatz-disoluzioak, azidoak, baseak edo konposatu ioniko urtuak izan daitezke. Korrontea igarotzen denean, katioiak (positiboki kargatutako ioiak) katodorantz mugitzen dira erredukzioa jasateko, eta anioiak (negatiboki kargatutako ioiak) anodorantz mugitzen dira oxidazioa jasateko. Horrela, kanpoko zirkuituko elektroien fluxuaz gain, ioien fluxua dago elektrolitoaren barruan karga-oreka mantentzeko.
Zelula elektrolitikoen osagaiak eta haien eginkizunak
Oro har, zelula elektrolitiko batek honako hauek ditu:
1. Elikatze-iturria: potentzial-diferentzia bat ematen du, erreakzio ez-espontaneoak gerta daitezen.
2. Bi elektrodo: elektrodo geldoak (adibidez, grafitoa edo platinoa) edo elektrodo aktiboak (adibidez, kobrea kobrea fintzean) izan daitezke.
3. Elektrolitoak: korrontea eroateko ionizatzen diren substantziak.
4. Ontziak eta zirkuituak: sistema egonkorra mantentzen dute eta erreakzio-produktuak behatzea ahalbidetzen dute.
Elektrodoaren eta elektrolitoaren aukeraketak eragin handia du gertatzen den erreakzio motan. Adibidez, elektrodo geldo batek ez du erreakzioan parte hartzen estekiometrikoki, elektrodo aktibo batek, berriz, disolbatu edo prezipitatu egin dezake erreakzioaren parte gisa.
Erreakzio kimikoak katodoan: murrizketa prozesua
Katodoan, erredukzioa gertatzen da, hau da, espezie kimiko batek elektroiak irabazten ditu. Ur-disoluzioetan, erredukzioaren hautagaiak normalean metal katioiak edo ur molekulak (edo hidrogeno ioiak) dira. Gertatzen den erreakzioa espezie bakoitzaren erredukzio-joeren araberakoa da.
Adibide ohikoenak:
1. Metal ioien murrizketa
Adibidez, CuSO₄ disoluzioaren elektrolisia elektrodo geldoekin:
\[
\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu(s)}
\]
Cu²⁺ ioiek elektroiak hartzen dituzte eta katodoan kobre solido gisa hauspeatzen dute.
2. Uraren murrizketak hidrogenoa sortzen du
Katioiak zailak diren disoluzioetan (adibidez, Na⁺ edo K⁺ uretan), ura errazago erreduzitzen da:
\[
2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^-
\]
Ondorioz, hidrogeno gasa sortzen da katodoan, eta katodoaren inguruko disoluzioa basikoagoa bihurtzen da OH⁻-ren eraketaren ondorioz.
Beraz, katodoan, metalaren metaketa edo gasaren eraketa gerta daiteke, sistemaren baldintzen arabera.
Anodoko erreakzio kimikoak: oxidazio prozesua
Anodoan oxidazioa gertatzen da, hau da, elektroiak askatzea. Oxida daitezkeen espezieak normalean anioiak (Cl⁻, Br⁻ bezalakoak) edo ura (O₂ sortuz) dira. Katodoan bezala, anodoko produktuak ioi motaren eta oxidazioaren erraztasunaren araberakoak dira.
Adibide ohikoenak:
1. Kloruro ioien oxidazioak kloroa sortzen du
NaCl disoluzio kontzentratu baten (gatzunaren) elektrolisian, Cl⁻ anioia oxida daiteke:
\[
2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2(g) + 2e^-
\]
Kloro gasa anodoan sortzen da.
2. Uraren oxidazioak oxigenoa sortzen du
Anioia zaila bada oxidatzen (adibidez, SO₄²⁻ edo NO₃⁻), ura oxidatuko da:
\[
2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^+ + 4e^-
\]
Oxigeno gasa sortzen da anodoan, eta anodoaren inguruko disoluzioa azidoagoa bihurtzen da H⁺-aren eraketaren ondorioz.
Anodoan “zein oxidatzen den” erabakia askotan ioi-kontzentrazioaren, elektrodo motaren eta funtzionamendu-baldintzen (tentsioa, pHa eta gainpotentziala) arabera zehazten da.
Kasu Garrantzitsuaren Adibidea: Uraren Elektrolisia
Uraren elektrolisia bi elektrodoetan gertatzen den erreakzioa erakusten duen adibide klasikoa da. Praktikan, ur purua elektrizitatearen eroale oso ahula da, beraz, elektrolito bat (adibidez, H₂SO₄ edo KOH diluitua) gehitzen da normalean eroankortasuna handitzeko.
Erreakzioa katodoan:
\[
2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^-
\]
Anodoan gertatzen den erreakzioa:
\[
2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^+ + 4e^-
\]
Elektroiak orekatu eta batzen badira, erreakzio osoa hau da:
\[
2\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g)
\]
Erreakzio honetatik ikus daiteke ura hidrogeno eta oxigeno gasetan deskonposatzen dela 2:1eko bolumen-erlazioarekin, erreakzio-ekuazioaren estekiometriaren arabera.
NaCl disoluzioaren elektrolisia: kloroaren eta sodio hidroxidoaren ekoizpena
Industrian, elektrolisi prozesu garrantzitsuenetako bat mintz edo diafragma zelulak erabiliz NaCl soluzio kontzentratuen elektrolisia da. Gertatzen diren erreakzioak hauek dira:
Katodoa:
\[
2\text{H}_2\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^-
\]
Anodoa:
\[
2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2(g) + 2e^-
\]
Erreakzio osoa:
\[
2\text{NaCl(aq)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{Cl}_2(g) + \text{H}_2(g) + 2\text{NaOH(aq)}
\]
Emaitzak oso baliotsuak dira: kloroa industria kimikorako, hidrogenoa erregai edo lehengai gisa, eta NaOH xaboi, paper eta hainbat garbiketa-prozesutarako.
Faradayren legea: karga elektrikoaren eta substantzia kantitatearen arteko erlazioa
Zelula elektrolitiko batean gertatzen diren erreakzio kimikoak estuki lotuta daude igarotzen den karga elektrikoaren kantitatearekin. Faradayren legeak dio elektrodo batean eratzen edo deskonposatzen den substantzia baten masa bertatik igarotzen den karga elektrikoaren (Q) kantitatearekin proportzionala dela.
Karga elektrikoa:
\[
Q = I \t
\]
non I korrontea (ampereetan) eta t denbora (segundoetan). Elektroi mol kopurua:
\[
n(e^-) = \frac{Q}{F}
\]
non F Faradayren konstantea den (≈ 96485 C/mol elektroi). Hortik abiatuta, metatutako metalaren masa edo sortutako gasaren bolumena kalkula dezakegu elektrodoaren erreakzioaren estekiometrian oinarrituta. Horregatik da hain erabilgarria elektrolisia: produktuak zehaztasunez aurreikusi eta kontrolatu daitezke.
Elektrolisi erreakzioetan eragina duten faktoreak
Zelula elektrolitikoetan erreakzio kimikoetan eragina duten faktore nagusietako batzuk hauek dira:
1. Elektrolitoan dagoen ioi mota: erreduzitu/oxidatu daitezkeen espezieak zehazten ditu.
2. Ioi kontzentrazioa: ioi kontzentratuagoak errazago parte hartzen dute erreakzioetan.
3. Elektrodoaren materiala: elektrodo geldoek eta aktiboek produktu desberdinak ekoiz ditzakete.
4. Tentsioa eta korrontea: erreakzio-abiadura eta albo-erreakzioen aukera zehaztu.
5. pH-ak eta tenperaturak: erreakzioaren orekan eta zinetikan eragina dute.
Faktore hauek kudeatzea garrantzitsua da elektrolisi prozesua eraginkorra izan dadin eta nahi diren produktuak ekoizteko.
Itxiera
Zelula elektrolitiko batean gertatzen diren erreakzio kimikoak adibide zehatz bat dira elektrizitateak materiaren eraldaketa nola kontrola dezakeen erredox mekanismoen bidez. Katodoan, erredukzioa gertatzen da, eta horrek metal prezipitatua edo hidrogeno gasa sor dezake, eta anodoan, berriz, oxidazioa, eta horrek kloroa edo oxigeno gasa sor dezake. Elektrolisiaren industria-aplikazio ugariek erakusten dute prozesu hau ez dela laborategiko kontzeptu bat soilik, baizik eta ekoizpen kimiko modernoaren oinarria. Elektrodo bakoitzeko erreakzioak eta horietan eragina duten faktoreak ulertuz, elektrolisi-prozesu eraginkorragoak, seguruagoak eta ekonomikoagoak diseinatu ditzakegu.
