Por que o grafite é usado como eletrodo na eletrólise?

O grafite, uma forma amorfa de carbono que ocorre naturalmente, é dotado de muitas propriedades exclusivas que o tornam adequado para uso em vários processos eletroquímicos. Devido à alta condutividade elétrica, estabilidade térmica, inércia química, longevidade e pureza, o grafite encontra muitos usos como eletrodo em nível comercial.

A eletrólise, um processo de extração de elementos puros usando corrente elétrica direta, é outro processo eletroquímico que pode ser conduzido com eficiência usando grafite.

Eletrólise em termos científicos

Durante a eletrólise, dois eletrodos são colocados em uma solução eletrolítica (uma solução que auxilia a passagem da corrente). Na presença de uma fonte de corrente externa, a eletrólise é realizada. Essa configuração funciona como uma bateria.

Grafite - um material de eletrodo comum

Em geral, um material condutor, como metais como ouro, prata, platina, cobre e latão, é usado para fazer eletrodos. Entretanto, como esses metais são caros, seu uso em nível comercial não é viável.

O grafite, por outro lado, possui todas as qualidades preferidas de um bom eletrodo e está prontamente disponível, o que o torna adequado para eletrólise.

Composição química e ocorrência do grafite

O grafite é uma forma de carbono que ocorre naturalmente e tem uma estrutura cristalina. Sob condições padrão, o grafite permanece estável e não reativo. Em setores como fundiçõesNos setores de energia elétrica, de baterias de íons de lítio, etc., o grafite é usado em larga escala. Seu baixo custo, disponibilidade e inércia térmica e química o tornam útil em muitas aplicações industriais.

Propriedades físicas

O grafite tem uma aparência opaca e brilhante. É muito macio e escorregadio ao toque. Além disso, não é solúvel em água ou solventes orgânicos. Não é inflamável e se quebra perfeitamente na forma de folhas flexíveis.

Por que o grafite é adequado para eletrólise

Aqui estão as propriedades químicas e físicas do grafite que o tornam adequado para eletrólise:

• Condutividade elétrica - A estrutura interna exclusiva do grafite o torna um bom condutor elétrico. Assim, a eletrólise pode ser conduzida com eficiência.
• Inércia química - O fato de ser quimicamente inerte indica que o grafite não reage com a maioria dos meios orgânicos e inorgânicos, de modo que as chances de contaminação são insignificantes.
• Alto ponto de fusão - O ponto de fusão de 3600 graus Celsius torna o grafite aplicável em várias aplicações de alta temperatura.
• Baixo custo e disponibilidade - O grafite é comumente encontrado em depósitos em vários locais na forma de rochas metamórficas, como mármore, xisto e gnaisse. Sua disponibilidade abundante o torna barato e muito procurado.

Grafite como eletrodo em eletrólise

Papel na condução de eletricidade

Devido à estrutura hexagonal do grafite, ele permite o livre fluxo de eletricidade. Além disso, os elétrons livres na estrutura se movem carregando carga.

Interação com eletrólitos e íons

O desempenho do grafite como eletrodo varia de acordo com o tipo de eletrólito usado e os íons envolvidos. Geralmente, os íons de lítio, sódio e potássio têm bom desempenho com o grafite como eletrodo. Portanto, usá-lo com o eletrólito correto pode proporcionar resultados preferíveis.

Vantagens do grafite usado como eletrodo

Durabilidade e longevidade

A estrutura robusta do grafite permite que ele mantenha o desempenho por longos períodos, reduzindo assim a frequência de substituição, minimizando o tempo de inatividade e diminuindo os custos operacionais gerais.

Versatilidade

Os eletrodos de grafite são amplamente utilizados em vários setores, desde a fabricação de fósforo, carbeto de cálcio e metais de silício até as indústrias de produção de aço.

Resistência à corrosão

A resistência natural do grafite à corrosão o torna adequado para uso em ambientes onde os eletrodos são expostos a produtos químicos ou eletrólitos agressivos. Assim, ele pode ter um desempenho superior em ambientes altamente reativos, como indústrias químicas.

Capacidade de resistir a altas temperaturas

O grafite pode suportar temperaturas de até 3000°C (5432°F) sem derreter e tem boa resistência a choques térmicos. Dessa forma, os eletrodos de grafite podem suportar temperaturas altas e que mudam rapidamente sem rachar ou perder a integridade estrutural em aplicações industriais.

Custo-benefício

Embora o custo inicial possa ser mais alto, a relação custo-benefício geral dos eletrodos de grafite, combinada com sua eficiência, faz deles uma opção economicamente viável para uso comercial.

Aplicações específicas de eletrodos de grafite em eletrólise

Eletrodos de grafite desempenham um papel crucial em vários processos de eletrólise devido às suas propriedades exclusivas. Algumas de suas aplicações específicas são:

1. Produção de cloro e álcalis

Na indústria de cloro e álcalis, os eletrodos de grafite são usados como ânodo para a eletrólise da solução de cloreto de sódio para produzir cloro, hidróxido de sódio e hidrogênio.

2. Produção de alumínio

O grafite forma tanto o cátodo quanto o ânodo no processo Hall-Héroult usado para a produção de alumínio.

3. Eletrofiação de zinco

No setor de zinco, os eletrodos de grafite são usados no processo de eletro-abrasão para extrair zinco de soluções de sulfato de zinco.

4. Refino de cobre

Os eletrodos de grafite são usados para produzir cobre de alta pureza a partir de ânodos de cobre menos puros no processo de refino eletrolítico.

5. Tratamento de água

Nos processos eletroquímicos de tratamento de água, os eletrodos de grafite são usados para a geração de oxidantes para desinfecção.

Limitações e considerações sobre o uso do grafite como eletrodo

Com inúmeras vantagens, há certas limitações e considerações ao usar o grafite como eletrodo. Por exemplo, o grafite pode se oxidar em altas temperaturas, normalmente acima de 400°C (752°F) no ar. Isso pode alterar o processo químico. Portanto, é necessário o controle da temperatura. Além disso, sob alta tensão mecânica ou abrasão, os eletrodos de grafite podem se desgastar mais rapidamente do que as alternativas de metal.

Além disso, a estrutura porosa do grafite pode levar à permeabilidade do gás, causando a penetração do eletrólito. Isso pode afetar a vida útil geral. Em aplicações que exigem pureza ultra-alta, o grafite pode introduzir partículas de carbono. O grafite tem um coeficiente de expansão térmica relativamente alto, o que significa que ele pode se expandir com o aumento da temperatura. Isso pode causar problemas em aplicações com grandes flutuações de temperatura. Esses sistemas devem ser projetados levando-se em conta a expansão térmica.

Ao considerar essas limitações, um sistema de eletrólise ideal pode ser projetado com grafite ou alternativas mais adequadas.

Alternativas aos eletrodos de grafite

Embora os eletrodos de grafite sejam amplamente utilizados, alguns materiais alternativos podem ser considerados para uso, dependendo de seus requisitos específicos. Os eletrodos de metal, como a platina, têm excelente estabilidade química, enquanto o ouro é altamente condutor. Os eletrodos de óxido metálico, devido à sua alta estabilidade, longa vida útil e propriedades catalíticas, são outra opção para aplicações como produção de cloro e tratamento de água.

Conclusão

O grafite é um excelente eletrodo para eletrólise devido às suas propriedades químicas e físicas. Por ser facilmente disponível e barato, ele é considerado uma ótima opção para aplicações comerciais que envolvem eletrólise. Entretanto, devido a certas limitações, é importante considerar suas alternativas para uso em determinadas aplicações.