Elettrolisi: cosa è e le sue applicazioni
L'elettrolisi è un processo che utilizza la corrente elettrica diretta per innescare reazioni chimiche che non avvengono spontaneamente.
Le basi dell'elettrolisi furono gettate alla fine del XVIII secolo, quando gli scienziati iniziarono a sperimentare l'elettricità e i suoi effetti sulle sostanze chimiche.
Nicholson e Carlisle condussero esperimenti rivoluzionari dimostrando l'elettrolisi dell'acqua utilizzando una pila voltaica, convertendo efficacemente l'acqua in gas di idrogeno e ossigeno.
Questo esperimento ha fornito la prima prova di una trasformazione chimica avviata da una corrente elettrica.
Quasi un secolo dopo, nel 1883, Michael Faraday trovò una relazione quantitativa tra elettricità e massa.
Le leggi di Faraday sull'elettrolisi (1), formulate sulla base del suo ampio lavoro sperimentale, hanno fornito una comprensione quantitativa della relazione tra la quantità di sostanza prodotta durante l'elettrolisi e la quantità di elettricità fornita:
nell'equazione (1), m è la massa prodotta, I è l'intensità di corrente, Δt è il lasso di tempo in cui viene applicata la corrente elettrica, Z è la carica ionica e F è la costante di Faraday.
Sperimentalmente, l'elettrolisi avviene in una cella elettrochimica composta da due elettrodi - l'anodo e il catodo - separati da un diaframma o da una membrana.
L'anodo e il catodo sono immersi in una soluzione di particelle cariche positivamente e negativamente chiamate ioni. La soluzione di ioni è il cosiddetto elettrolita e, più precisamente, la soluzione in cui è immerso il catodo è detta catolita, mentre quella anodica è detta anolita.
Durante l'elettrolisi, quando viene applicata una corrente elettrica attraverso gli elettrodi, gli ioni all'interno dell'elettrolita migrano verso gli elettrodi sotto l'influenza del campo elettrico che subiscono reazioni di ossidazione o riduzione, a seconda della loro carica e della polarità dell'elettrodo.
In particolare, l'elettrodo in cui avviene l'ossidazione è chiamato anodo ed è carico positivamente, mentre l'elettrodo in cui avviene la riduzione è chiamato catodo ed è carico negativamente. La reazione di ossidazione significa che le sostanze chimiche perdono elettroni (2), mentre la riduzione significa che una specie chimica guadagna elettroni (3):
De Nora ha una vasta conoscenza dell'elettrochimica e dell'elettrolisi acquisita nel corso della sua storia centenaria e ha sviluppato diverse tecnologie in questo campo, in particolare nei mercati dei cloro-alcali, dell'elettrofiltrazione dei metalli non ferrosi e dell'elettrolisi dell'acqua.
Il processo cloro-alcalino è un processo industriale di elettrolisi del cloruro di sodio (NaCl) per produrre cloro e idrossido di sodio (soda caustica). In questo processo, la salamoia satura viene fornita all'anodo di una cella elettrochimica dove gli ioni cloruro vengono ossidati, perdendo elettroni per diventare cloro gassoso (4):
Al catodo, l'acqua viene ridotta dagli elettroni forniti dal catodo a idrogeno gassoso, rilasciando ioni idrossile nella soluzione (5):
Una membrana a scambio ionico è posta al centro della cella elettrochimica.
Il suo ruolo è quello di separare l'anolita dal catolita e di trasportare gli ioni Na+ dall'anodo al catodo, dando origine al NaOH. La reazione chimica complessiva è illustrata di seguito (6).
L'elettrofiltrazione dei metalli non ferrosi è un'altra applicazione del processo di elettrolisi. Infatti, i minerali metallici contengono i metalli di interesse (cobalto, rame, nichel) allo stato ossidato.
Pertanto, lo scopo delle operazioni metallurgiche è quello di ridurli chimicamente ed estrarli nelle loro forme pure. Il processo di elettrofiltrazione inizia con la dissoluzione del minerale con acido clorico o solforico e, una volta purificato, utilizzando queste soluzioni come elettroliti di una cella elettrochimica. Immerso nella soluzione, abbiamo un anodo, mentre una lastra di metallo puro viene utilizzata come catodo.
Ad esempio, nell'elettrofiltrazione del nichel, abbiamo un anodo e una piastra di nichel puro come catodo. Entrambi sono immersi in una soluzione di cloruro o solfato di nichel (ottenuta dalla dissoluzione del minerale con acido clorico o solforico, rispettivamente). Quando viene applicata una corrente elettrica attraverso gli elettrodi, gli ioni di nichel migrano verso il catodo e vengono ridotti per formare il metallo puro (7):
La reazione all'anodo è la formazione di cloro gassoso, come mostrato nell'equazione (4) se l'elettrolita è costituito da cloruro di nichel, mentre si ha una reazione di evoluzione dell'ossigeno (8) quando si utilizza come elettrolita una soluzione di solfato di nichel.
L'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno verde è un'altra applicazione dell'elettrolisi e consiste nella scomposizione delle molecole d'acqua nei loro costituenti - idrogeno e ossigeno - per mezzo di fonti rinnovabili come fonte di energia (9). Sfruttando le conoscenze centenarie acquisite con i processi di cloro-alcali e di elettrofiltrazione, De Nora ha fatto irruzione nel mercato delle tecnologie verdi con soluzioni innovative per realizzare l'elettrolisi dell'acqua su scala.
In conclusione, l'elettrolisi è il processo mediante il quale una corrente elettrica dà inizio a reazioni chimiche. Queste reazioni chimiche avvengono all'interno di una cella elettrochimica costituita da un anodo e un catodo separati da un diaframma o da una membrana.
L'elettrolisi ha un'ampia gamma di applicazioni industriali, tra cui la produzione di cloro gassoso e idrossido di sodio (processo cloro-alcalino), l'elettrofiltrazione di metalli non ferrosi e la produzione di idrogeno verde attraverso l'elettrolisi dell'acqua.