Elettrovincitura dei metalli: estrarre zinco e rame dalla soluzione

Molti metalli non si possono fondere ed elettrolizzare come l’alluminio, ma si possono estrarre da una soluzione: si scioglie il minerale in acido, poi si deposita il metallo puro al catodo facendo passare corrente. È l’elettrovincitura (electrowinning), il modo con cui l’industria produce gran parte dello zinco e quote importanti di rame, nichel e altri metalli.

Vediamo che cos’è l’elettrovincitura, perché serve un’alta sovratensione di idrogeno, come funziona il processo dello zinco e in che cosa differisce dalla raffinazione.

Estrarre un metallo dalla soluzione

Nell’elettrovincitura il punto di partenza è una soluzione contenente il metallo da recuperare. Tipicamente il minerale, di solito un ossido, viene prima trasformato e disciolto in acido solforico; dalla soluzione risultante il metallo si deposita per riduzione al catodo, mentre all’anodo — che qui è insolubile — si sviluppa ossigeno per ossidazione dell’acqua. A differenza della raffinazione, l’anodo non si consuma e non fornisce il metallo: il metallo viene tutto dalla soluzione.

Anodo: H₂O → ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻  ·  Catodo: Me²⁺ + 2 e⁻ → Me

Il ruolo decisivo della sovratensione di idrogeno

C’è un ostacolo termodinamico: molti metalli interessanti (piombo, zinco, nichel, cobalto, cadmio, cromo, stagno, manganese) hanno un potenziale di riduzione più negativo di quello dell’idrogeno. In linea di principio, quindi, al catodo dovrebbe svilupparsi idrogeno prima che si depositi il metallo. Il processo funziona ugualmente grazie a un fenomeno cinetico: su questi metalli lo sviluppo di idrogeno ha una sovratensione molto elevata, cioè è cineticamente lento, e questo lascia depositare il metallo. È un caso in cui un’alta sovratensione di idrogeno è desiderabile, non un difetto.

Il caso dello zinco

L’elettrovincitura più importante è quella dello zinco. In un esempio tipico, celle aperte rivestite di piombo o plastica contengono catodi in lamina di alluminio e anodi di piombo (insolubili). La soluzione di partenza contiene circa 95 g/L di solfato di zinco e 40 g/L di acido solforico concentrato. Applicando una tensione di cella di 3,5–4 V lo zinco si deposita al catodo con densità di corrente di 0,5–1 kA/m², mentre all’anodo si libera ossigeno. La deposizione prosegue finché lo zinco in soluzione scende a circa 35 g/L e l’acido sale a circa 135 g/L; l’acido solforico rigenerato viene poi riutilizzato.

Elettrovincitura contro raffinazione

La differenza chiave con la raffinazione elettrolitica sta nell’anodo. Nella raffinazione l’anodo è solubile e fornisce il metallo, la reazione netta è quasi nulla e la tensione è minima (decimi di volt). Nell’elettrovincitura l’anodo è insolubile e vi avviene una reazione vera, lo sviluppo di ossigeno: serve quindi una tensione molto più alta (qualche volt) e il consumo energetico è ben maggiore. La raffinazione purifica un metallo già esistente; l’elettrovincitura lo estrae dalla soluzione.

Perché conta nella pratica

L’elettrovincitura è la via industriale con cui si producono enormi quantità di zinco e si recuperano rame, nichel e altri metalli, anche da soluzioni di processo e da residui. Capire perché serve un’alta sovratensione di idrogeno, perché l’anodo è insolubile e perché consuma più energia della raffinazione è utile a chi opera in metallurgia estrattiva, recupero di metalli e gestione di soluzioni acide industriali.

Domande frequenti

Che cos’è l’elettrovincitura dei metalli?

È il processo elettrochimico con cui un metallo si estrae da una soluzione di un suo sale, depositandolo per riduzione al catodo mentre all’anodo insolubile si sviluppa ossigeno. Di solito il minerale (un ossido) viene prima sciolto in acido solforico, e dalla soluzione si deposita il metallo puro. È la via industriale per produrre zinco e recuperare rame, nichel e altri metalli.

Perché serve un’alta sovratensione di idrogeno?

Perché molti metalli da estrarre hanno un potenziale di riduzione più negativo di quello dell’idrogeno, quindi in teoria al catodo dovrebbe svilupparsi idrogeno prima del metallo. Funziona ugualmente perché su questi metalli lo sviluppo di idrogeno è cineticamente lento, cioè ha una sovratensione elevata, e ciò lascia spazio alla deposizione del metallo. Qui un’alta sovratensione è un vantaggio.

Come si estrae lo zinco per elettrovincitura?

Da una soluzione che contiene circa 95 g/L di solfato di zinco e 40 g/L di acido solforico, con catodi di alluminio e anodi insolubili di piombo. A 3,5–4 V lo zinco si deposita al catodo e all’anodo si sviluppa ossigeno. La deposizione prosegue finché lo zinco scende a circa 35 g/L; l’acido rigenerato viene riutilizzato nel ciclo successivo.

Che differenza c’è tra elettrovincitura e raffinazione?

Nella raffinazione l’anodo è solubile e fornisce il metallo, la reazione netta è quasi nulla e la tensione è minima. Nell’elettrovincitura l’anodo è insolubile e vi avviene lo sviluppo di ossigeno, una reazione vera che richiede tensioni di qualche volt e molta più energia. La raffinazione purifica un metallo esistente; l’elettrovincitura lo estrae dalla soluzione.

Perché si forma un po’ di idrogeno anche se non si vuole?

Perché la sovratensione, per quanto alta, non sopprime del tutto lo sviluppo di idrogeno: una piccola frazione di corrente lo produce comunque, abbassando l’efficienza. Ha però un effetto collaterale utile: le bollicine agitano la soluzione presso il catodo e migliorano il trasporto degli ioni metallici. Si può ridurre il consumo sostituendo l’ossigeno anodico con l’ossidazione dell’idrogeno, dove disponibile.