Come primo argomento si affronterà lo studio delle soluzioni elettrolitiche poi gli aspetti legati ai processi elettrodici e per ultimo le modalità di controllo dei processi. Prof. M. Pasquali Elettroliti Definizione: CONDUTTORI IONICI ALLO STATO CONDENSATO (liquidi o solidi), contenenti ioni mobili in grado di spostarsi sotto l’azione di un gradiente di potenziale chimico o elettrico. Gradiente di potenziale chimico → diffusione Gradiente di potenziale elettrico → conduzione Il trasporto di materia per d i f f u s i o n e comporta una separazione di cariche (carica spaziale) con formazione di un potenziale di diffusione Il trasporto di cariche elettriche per conduzione è accompagnato da un trasporto di materia che dà luogo a gradienti di concentrazione (polarizzazione di concentrazione) Doppio flusso degli ioni in soluzione a fronte di un passaggio di elettroni nel circuito esterno Mobilità ioniche, conducibilità elettrica e numeri di trasporto Mobilità ionica Su uno ione di valenza zi in un campo elettrico con gradiente di potenziale (Volt/cm) agisce la forza elettrica in cui e = carica elettrica dell’elettrone che tende a farlo muovere in direzione del campo elettrico a secondo del segno di zi . In condizioni stazionarie la forza agente sullo ione è bilanciata da una forza resistente (equazione di Stokes) Fr = 6# r !" ! vi proporzionale alla velocità vi con cui lo ione si muove, al suo raggio r e alla viscosità del mezzo η. vi = V zi e 6" r #! Se il gradiente del campo elettrico ( ) è unitario, la velocità assume un valore caratteristico per lo ione ed è detta mobilità che è definita dalla relazione: µi = dimensionalmente zi e 6" r #! ovvero sottintendendo la condizione di 1V/cm. Conducibilità elettrica Dalla legge di Ohm V = R!I Si ricorda che I è la quantità di corrente (misurata in Ampere) che attraversa il conduttore metallico quando ai suoi estremi si applica una differenza di potenziale V . R detta resistenza del conduttore è costante a Temperatura costante e si misura in Ohm (Ω). R="! L S In cui ρ è la resistenza specifica o resistività del mezzo, L è la lunghezza del conduttore ed S è la sua sezione. Quindi ρ è la resistenza offerta al passaggio di corrente da un conduttore che ha lunghezza di 1 cm e superficie 1cm2. ρ si misura in Ω cm. Spesso si fa uso del concetto di conducibilità del conduttore e non di resistenza; la conducibilità non è altro che l’inverso della resistenza != 1 1 S = ! R " L si misura in Siemens (S o Ω-1 ) "=#! S L In cui χ è la conducibilità specifica o conduttanza del mezzo, è l’inverso della resistenza specifica e si misura in S cm-1 oppure in Ω-1 cm-1. Prof. M. Pasquali Conducibilità elettrica Ora se si scrive la legge di Ohm in funzione della conducibilità χ, della lunghezza L e della sezione S si ha: V =I! Introducendo il gradiente di potenziale e la densità di corrente si ha: Oppure sostituendo ad si ha 1 L ! " S (volt/cm) La conducibilità specifica χ , espressa in Ω-1 cm-1, si può definire come la quantità di carica elettrica q che attraversa nel tempo unitario (t = 1 sec) un cubetto di lato unitario (L =1 cm; S = 1 cm2) tra le cui facce opposte sia applicata la differenza di potenziale di 1 volt (= 1 V/cm). Conducibilità Equivalente La conducibilità equivalente è la conducibilità misurata tra due elettrodi tra i quali vi è un volume di soluzione che contiene un equivalente di elettrolita. N : 1000 (cm3) = 1 eq : Veq Veq = 1000 N & cm 3 # $$ !! % eq " Ω-1cm-1 cm3 eq-1 Λ = (Ω-1cm2 eq-1) Numeri di trasporto La conducibilità specifica χ , espressa in Ω-1 cm-1, è la quantità di carica elettrica q che attraversa in 1 sec, un cubetto di lato unitario 1cm, quando viene applicato un gradiente di potenziale di 1 V/cm. La carica trasportata dai singoli ioni µ+ e µ- la loro mobilità (velocità sotto il gradiente unitario di campo elettrico, = 1 V/cm) Per la condizione di elettroneutralità il numero di cariche elettriche positive sono uguali al numero di cariche elettriche negative cioè Conducibilità in termini di mobilità Definiamo ora il numero di trasporto che per i diversi ioni sarà: Per un elettrolita binario si ha Prof. M. Pasquali Più genericamente Trasporto di materia nelle soluzioni elettrolitiche in seguito al passaggio di corrente Nella soluzione elettrolitica si ha un movimento di ioni nelle due direzioni: i cationi vanno verso il polo negativo mentre gli anioni vanno verso il polo positivo Alla superficie di separazione elettrodo/elettrolita la corrente elettrica è trasportata solo dagli ioni di un dato segno: i cationi al polo negativo e gli anioni al polo positivo. Supponiamo di dividere idealmente in tre scomparti la soluzione elettrolitica di un elettrolizzatore: uno scomparto anodico in vicinanza dell'anodo, uno scomparto centrale, ed uno scomparto catodico in vicinanza del catodo Prof. M. Pasquali Considerazioni sul trasporto di materia Supponiamo che la mobilità del catione e dell'anione siano diverse, per esempio: µ+ = 2 ed µ- = 1, studiamo il movimento degli ioni quando si fa passare corrente elettrica. Supponiamo di far passare tre cariche elementari Ricordando che q+ e q_ sono direttamente proporzionali alle mobilità µ+ e µ- , si avrà: Da qui risulta che q+=2 e q-=1 Δja= -2 Δjc= -1 La variazione di concentrazione nel comparto anodico e catodico,risulta proporzionale alla mobilità degli anioni I° esempio esplicativo Un elettrolizzatore in cui non si abbia scarica degli anioni all'anodo, ma dissoluzione dell'elettrodo a formare cationi, come ad esempio Ag/AgN03/Ag. Si suppone che sia: µ+=3 e µ-=2, e di far passare 5 cariche elettriche equivalenti (q = 5). 5Ag →5Ag+ +5e- Quindi si ha q+ + q-= q = 5 ; Prof. M. Pasquali 5Ag+ + 5e- → 5Ag ; q+=3 ; q-=2 II° esempio esplicativo Un elettrolizzatore in cui non si ha scarica di cationi al catodo, ma formazione di anioni. Due elettrodi di platino-iridio immersi in una soluzione di ioduro potassico e iodio. 2 I- → I2 + 2e- I2 + 2e- → 2 I- Risulta che per K+ e I- è µ+= µ- , e di far passare 4 cariche elettriche equivalenti (q = 4). Quindi si ha q+ + q-= q = 4 ; Prof. M. Pasquali ; q+=2 ; q-=2 In pratica Consideriamo una soluzione di HCl contenente ad esempio 5 grammoequivalenti/litro, che elettrolizzata svolga idrogeno al catodo (2H+ +2e- →H2) e cloro all'anodo (2Cl- →Cl2 +2e-), potremo calcolare le variazioni di concentrazione dalle mobilità che risultano rispettivamente: µ+ = 36,2·10-4 cm2 sec-1 V-1 e µ- = 7,91·10-4 cm2 sec-1 V-1 e se si fanno circolare 1,1 F di elettricità si ha: Si ha: Approssimando: q+=0,9F e q-=0,2F La variazione del n° di grammoequivalenti all'anodo (Δja) risulterà uguale a -1,1 Cl- + 0,2 Cl- = - 0,9 ClLa variazione del n° di grammoequivalenti al catodo (Δjc) risulterà uguale a -1,1 H+ + 0,9 H+ = - 0,2 H+ Se il volume delle zone anodica e catodica è di 0.5 litri ciascuna il Δca. nella zona anodica è 1,8 g equ/lit e Δcc nella zona catodica è 0,4 g equ/lit la nuova concentrazione risulta quindi 5 - 1,8 = 3,2 grammoequivalenti/litro all'anodo, e 5 - 0,4 = 4,6 grammoequivalenti/litro al catodo Prof. M. Pasquali Si ha quindi dove il numero di trasporto del catione il numero di trasporto dell’anione Considerando una soluzione elettrolitica comprendente “i” diverse specie ioniche, avremo: Prof. M. Pasquali Concludendo • La mobilità (ed il coefficiente di diffusione) rappresenta la proprietà di trasporto assoluta del singolo ione; • La conducibilità rappresenta la proprietà di trasporto cumulativa di tutti gli ioni presenti nella soluzione elettrolitica: la conducibilità specifica si riferisce agli ioni presenti nell'unità di volume della soluzione elettrolitica considerata; la conducibilità equivalente invece si riferisce agli ioni la cui carica corrisponde ad un grammoequivalente di ioni positivi e ad un grammoequivalente di ioni negativi; • Il numero di trasporto rappresenta la proprietà di trasporto relativa di uno ione rispetto alle proprietà di trasporto di tutti gli altri ioni globalmente presenti nella soluzione elettrolitica. Analisi dimensionale V= V kg " m 2 " s !3 A!1 = m m zi ! e = coulomb = A ! s # = viscosità = kg " s-1 " m!1 vi = V zi e 6" r #! kg " m " s !3 " A!1 " A " s vi = = m " s !1 !1 !1 m " kg " s m Torna alla presentazione Prof. M. Pasquali Gli elettroliti binari, rappresentano la stragrande maggioranza degli elettroliti e sono quelli più comunemente trattati in elettrochimica, si distinguono in: simmetrici (aventi il catione e l'anione di ugual valenza, cioè gli uni/uni-valenti (NaCl), bi/bi-valenti (CaCO3) , tri/tri-valenti (FePO4), ... , z/z-valenti) asimmetrici (aventi il catione e l'anione di diversa valenza, cioè gli uni/bi-valenti (Na2SO4), uni/tri-valenti (K3PO4), uni/tetra-, bi/tri- ( Ca3(PO4)2 ), ... , z/w-valenti). Gli elettroliti ternari (esempi: KNaC03, K(SbO)C4H4O6, KNaC4H4O6) o i quaternari sono di limitato interesse, sia dal punto di vista teorico che pratico.