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Electrólisis de compuestos iónicos fundidos

Publicado el 30 octubre, 2020

Electrólisis y compuestos iónicos

El aluminio es el metal más abundante en la tierra. Pero, ¿alguna vez se preguntó cómo obtenemos este versátil metal? El aluminio en realidad no se produce en estado natural y tenemos que recurrir al proceso de electrólisis o, más precisamente, a la electrólisis de un compuesto iónico fundido.

Por lo general, un compuesto iónico, con fórmula general MN, está formado por fuertes enlaces electrostáticos que existen entre iones positivos y negativos. Estos iones con carga opuesta están bloqueados en una estructura rígida donde no pueden moverse libremente. Esta estructura no permite que el sólido iónico conduzca electricidad y, por lo tanto, no puede tener lugar la electrólisis.

Una forma de hacer que esta estructura rígida conduzca electricidad es calentarla hasta su punto de fusión. A la temperatura de fusión, tanto los cationes (M x + ) como los aniones (N y- ) adquieren suficientes energías que les permiten moverse libremente. Este líquido resultante ahora se conoce como electrolito . Si el electrolito está conectado a una fuente de alimentación a través de electrodos inertes, se produce la electrólisis .


Disposición electrolítica para compuestos iónicos
Disposición electrolítica para compuestos iónicos.

Los cationes (M x + ) serán atraídos por el electrodo negativo o el cátodo donde ganarán electrones para convertirse en átomos. La reducción tiene lugar en el cátodo de acuerdo con la siguiente ecuación:

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Los aniones (N y- ) serán atraídos por el electrodo positivo o el ánodo donde perderán electrones para convertirse en átomos. La oxidación tiene lugar en el ánodo de acuerdo con esta ecuación:

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Electrólisis de bromuro de plomo (II) fundido

Consideremos ahora la electrólisis del bromuro de plomo (II) fundido utilizando electrodos inertes.

A temperatura ambiente, si conectamos el bromuro de plomo (II) en polvo blanco a través de electrodos a un suministro eléctrico, no parece que suceda nada ya que el bromuro de plomo (II) sólido no puede conducir la electricidad. Sin embargo, a una temperatura de alrededor de 370 grados Celsius, los iones de plomo y los iones de bromuro se liberan de la estructura de bromuro de plomo sólido (II). El bromuro de plomo fundido (II) permite la conducción de electricidad y, posteriormente, que se produzcan reacciones químicas. Entonces, ¿qué sucede tanto en el ánodo como en el cátodo?

En el cátodo, se ve un depósito plateado de plomo.

Los iones de plomo migran hacia el cátodo donde cada catión gana dos electrones para formar un átomo de plomo.

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En el ánodo, se ve un gas marrón. Este gas producido es bromo.

Los iones de bromuro se mueven hacia el ánodo donde cada ión pierde un electrón para formar un átomo de bromo. Luego, dos de los átomos de bromo se combinan para formar gas bromo.

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Pasemos ahora a las aplicaciones de la electrólisis que involucran compuestos iónicos fundidos. A continuación, discutiremos las extracciones de aluminio y sodio a partir de alúmina fundida y cloruro de sodio fundido, respectivamente.

Extracción de aluminio a partir de óxido de aluminio fundido

El óxido de aluminio o alúmina, Al 2 O 3 , se obtiene a partir de la bauxita, un mineral que también contiene impurezas como óxido de hierro (III), Fe 2 O 3 y dióxido de silicio, SiO 2 . La purificación se lleva a cabo mediante un proceso conocido como proceso Bayer .

Resumen del proceso de Bayer.

A continuación, la alúmina purificada se electroliza en criolita fundida, Na 3 AlF 6 , mediante un proceso comúnmente conocido como proceso Hall-Heroult . La criolita no solo reduce el punto de fusión de la alúmina de alrededor de 2000 grados Celsius a alrededor de 980 grados Celsius, sino que también aumenta su conductividad. La electrólisis se realiza en un horno eléctrico, utilizando electrodos de carbono.


Extracción de Aluminio
Extracción de Aluminio

La alúmina fundida contiene iones Al 3+ y O 2- .

En el cátodo, que incluye la parte inferior y los lados de la celda de electrólisis, los iones de aluminio se reducen a metal de aluminio.

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En el ánodo, los iones de óxido se oxidan a gas oxígeno.

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A esa temperatura de funcionamiento, el oxígeno producido reacciona con los ánodos de carbono para producir ambos dióxido de carbono. También encontrará que los ánodos se queman y es necesario reemplazarlos continuamente.

La ecuación general para la extracción de aluminio se resume mediante la ecuación química:

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Extracción de sodio a partir de cloruro de sodio fundido.

Tanto el sodio como el cloro son muy reactivos y no se encuentran en la naturaleza. Se pueden obtener si se pasa una corriente eléctrica a través del cloruro de sodio fundido. El desafío era producir cloro y sodio por separado para que no reaccionaran entre sí. Esto fue logrado por primera vez en la década de 1920 por un ingeniero químico llamado J. Cloyd Downs a través de una celda que desarrolló y nombró como la celda Downs .


Célula de Down
Célula de Down

En una celda Downs, el ánodo de carbono está rodeado por un cátodo de hierro circular. Los productos se forman por separado para que el sodio y el cloro no se unan.

Los iones presentes en el cloruro de sodio fundido o condensado son Na + (líquido) y Cl (líquido).

En el ánodo de grafito, los iones de cloruro se oxidan a cloro gaseoso. Dado que el gas es menos denso que el cloruro de sodio fundido, se eleva y se recoge en la superficie.

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En el cátodo de hierro, los iones de sodio se reducen a un átomo de sodio. Dado que el sodio metálico es menos denso que el cloruro de sodio fundido, también se eleva y se recoge en la superficie.

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Resumen de la lección

La electrólisis es un proceso que hará que cualquier ion fundido se descomponga en su elemento. En la electrólisis del bromuro de plomo (II) fundido, los iones de plomo se reducen a átomos de plomo, mientras que los iones de bromuro se oxidan a gas bromo.

El proceso es útil en muchos procesos industriales. Dos de esos ejemplos son:

1. La extracción industrial de aluminio a partir de alúmina mediante el proceso Hall-Heroult, en el que se electroliza óxido de aluminio fundido con electrodos de grafito. El cátodo produce aluminio mientras que el ánodo produce oxígeno.

2. La extracción industrial de sodio del cloruro de sodio fundido (fundido) por la celda Downs, en la cual el cátodo produce sodio mientras que el cloro se forma en el ánodo. Tanto el cloro como el sodio se recogen por separado.

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