Relatório 2 - Eletrólise - Revisão Literária

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Revisão Literária História As primeiras experiências envolvendo eletrólise foram iniciadas pelo químico inglês Humphry Davy , que em 1778 obteve o elemento químico potássio passando uma corrente elétrica atraves do carbonato de potássio (potassa ) fundido. Em 1808 , através de sugestões dadas por Jöns Jacob Berzelius , Davy efetuou melhorias no processo, e conseguiu isolar outros elementos a partir dos seus óxidos como o magnésio e o bário . Eletrólise A eletrólise é um processo eletroquímico, caracterizado pela ocorrência de reações de oxi-redução em uma solução condutora quando se estabelece uma diferença de potencial elétrico entre dois (ou mais) eletrodos mergulhados nessa solução. Vale lembrar que a denominação solução eletrolítica, empregada para designar qualquer solução aquosa condutora de eletricidade, deriva justamente desse processo . Além de sua larga aplicação industrial, a eletrólise se revela bastante adequada e interessante para demonstrações em feiras de ciências, pois não requer montagens complicadas e pode ser observada visualmente (junto aos eletrodos) enquanto ocorre. O entendimento da eletrólise só é possível se conhecermos o comportamento de todas as substâncias envolvidas no processo, pois cada substância se comporta de determinada maneira quando em solução e, em especial, quando uma corrente elétrica atravessa essa solução. Por exemplo: você saberia dizer por que a água deve ser acidulada, para a eletrólise, com algumas gotas de ácido sulfúrico ou nítrico, e não com ácido clorídrico? Ao final desta

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Eletrolise

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Reviso Literria

Histria

As primeiras experincias envolvendo eletrlise foram iniciadas pelo qumico ingls Humphry Davy, que em 1778 obteve o elemento qumico potssio passando uma corrente eltrica atraves do carbonato de potssio (potassa) fundido.

Em 1808, atravs de sugestes dadas por Jns Jacob Berzelius, Davy efetuou melhorias no processo, e conseguiu isolar outros elementos a partir dos seus xidos como o magnsio e o brio.

EletrliseA eletrlise um processo eletroqumico, caracterizado pela ocorrncia de reaes de oxi-reduo em uma soluo condutora quando se estabelece uma diferena de potencial eltrico entre dois (ou mais) eletrodos mergulhados nessa soluo. Vale lembrar que a denominao soluo eletroltica, empregada para designar qualquer soluo aquosa condutora de eletricidade, deriva justamente desse processo.

Alm de sua larga aplicao industrial, a eletrlise se revela bastante adequada e interessante para demonstraes em feiras de cincias, pois no requer montagens complicadas e pode ser observada visualmente (junto aos eletrodos) enquanto ocorre.

O entendimento da eletrlise s possvel se conhecermos o comportamento de todas as substncias envolvidas no processo, pois cada substncia se comporta de determinada maneira quando em soluo e, em especial, quando uma corrente eltrica atravessa essa soluo. Por exemplo: voc saberia dizer por que a gua deve ser acidulada, para a eletrlise, com algumas gotas de cido sulfrico ou ntrico, e no com cido clordrico? Ao final desta exposio, voc ser perfeitamente capaz de responder a essa pergunta.

Voltemos s condies do experimento, supondo que a cuba contenha gua pura. Como sabemos, a gua pura no condutora de eletricidade, e portanto devemos adicionar a essa gua alguma substncia de modo a obtermos uma soluo condutora. Vamos ento acidular essa gua (adicionar cido), conforme as instrues.

cidos, pela definio de Lewis, so substncias que, em soluo aquosa, liberam apenas um tipo de ction, o H+. Essa definio no traduz exatamente o que ocorre na realidade, mas suficiente para escrevermos as equaes simplificadas da eletrlise e assim desvend-la.

Pois bem: quando um cido entra em soluo aquosa, sofre ionizao, liberando nessa soluo ctions H+ e, com o "desmonte" da molcula, nions (os nions que lhe do nome, que diferem, claro, de um cido para outro). Tomemos o cido ntrico, por exemplo:

Como se observa, o nion nitrato (que d nome ao cido ntrico), com a ionizao, separa-se do ction H+. Esses ons (ctions e nions) possuem grande mobilidade, e so eles os responsveis pelo transporte de carga eltrica atravs da soluo quando a corrente comea a circular.A gua, por sua vez, tambm apresenta um comportamento um tanto especial: est sempre se "descombinando" e se recombinando, de modo que sempre h um pequeno nmero de molculas, em qualquer amostra de gua, que se apresenta decomposta da seguinte maneira:

Observemos ento a figura abaixo, supondo a fonte de baixa tenso (6 volts de corrente contnua) j em funcionamento: os ctions (ons positivos) so atrados para o eletrodo negativo (catodo), enquanto os nions provenientes do cido (NO3-) e da prpria gua (OH-) so atrados para o eletrodo positivo (anodo).

Vamos analisar o que acontece no eletrodo negativo. Carregado de eltrons, por ao da fonte CC, o catodo comea a transferir esses eltrons para os ons H+, que passam ento para a forma H0 (reao de reduo). Nessa forma, porm, o elemento hidrognio no quimicamente estvel, e assim, buscando a estabilidade qumica, esses tomos comeam a se combinar entre si, formando molculas de gs hidrognio (H2). fcil ver as bolhas de gs se formando junto ao eletrodo e se acumulando na parte mais alta do tubo de ensaio, j que este se encontra emborcado sobre o eletrodo. A reao pode ser escrita, de forma simplificada, da seguinte maneira:

O eletrodo positivo, simultaneamente, comea ento a absorver os eltrons "em excesso" dos nions prximos, fechando assim o circuito enquanto os eltrons circulam nos condutores, so os ons que transportam as cargas eltricas na soluo, levando-as aos eletrodos. Como se v, a funo da fonte CC , na prtica, retirar eltrons dos nions (oxidao) e entreg-los aos ctions (reduo). (Lembre-se: "oxidar-se perder eltrons".)Analisemos agora a reao ocorrida no anodo. Para que possamos entend-la, porm, faz-se necessrio um esclarecimento: os nions apresentam uma ordem de prioridade para entregarem seus eltrons ao anodo (ordem de descarga) e, no caso, o nion OH- (hidroxila) tem prioridade sobre o NO3- (radical nitrato). Essa ordem de prioridade para descarga de nions foi estabelecida experimentalmente (realizando-se centenas de eletrlises em soluo aquosa, em laboratrio), chegando-se seguinte seqncia:

Resumindo: afora as excees mostradas no quadro acima, nions no-oxigenados descarregam-se antes da hidroxila, e oxigenados, depois. E graas prioridade da hidroxila sobre o radical nitrato (nion oxigenado), nas condies do experimento, que ser possvel a obteno do gs oxignio (O2), no anodo, segundo a seguinte reao (oxidao):

Convm ilustrar melhor a "quebra" da hidroxila:

Perceba que no faz diferena escrevermos O0 (elemento oxignio) ou O2 (gs oxignio), pois o que se deseja, quando se escreve uma equao qumica, apenas exprimir proporcionalidade, significando, nesse caso, que so necessrios 2 moles de tomos do elemento oxignio (O0) para formar 1 mol de molculas de oxignio gasoso O2 ;logo, so necessrios 4 moles de ons hidroxila para a formao de 1 mol de molculas de gs oxignio (para visualizar melhor essa proporcionalidade, basta multiplicar ambos os membros da equao do anodo por 2). Alm disso, cabe destacar que a formao do elemento oxignio (O0) uma etapa intermediria da formao do gs oxignio (O2), e por isso, usualmente, omitida quando escrevemos a reao do anodo, na qual so apresentados apenas os produtos finais.De posse desse conhecimento, podemos ento responder ao desafio formulado na descrio do experimento: por que no seria adequado utilizarmos o cido clordrico, em soluo aquosa, para eletrolisar a gua?A resposta simples: ao sofrer ionizao, o cido clordrico (HCl) liberaria na soluo ctions H+ (o que est de acordo com o objetivo de obter gs hidrognio, no catodo) mas, em contrapartida, liberaria tambm nions cloreto (Cl-). Ora, sendo o cloreto um nion no-oxigenado, este se descarregaria antes da hidroxila, e teramos a formao de gs cloro (Cl2) no anodo. Esse processo seria til se quisssemos mesmo obter cloro gasoso, mas fica claro que, acidulando-se a gua com cido clordrico, s seria possvel eletrolisar (decompor) o cido e no a gua, como se deseja para o experimento proposto.A formao do Cl2 no nodo, em lugar do O2, no possibilitar a combusto do hidrognio durante a fasca, pois o Cl2 no comburente.

Eletrlise gnea

O termo gnea vem do latim igneu: ardente.

A eletrlise gnea exige eletrodos inertes que possuam elevado ponto de fuso. Geralmente so usados a platina ou grafita.A eletrlise do NaCl um processo economicamente importante. O NaCl se funde temperatura de 808 C.NaCl(slido) => NaCl(lquido)Atravs de dissociao...NaCl => Na1+ + Cl1-Os ons Cl1- se dirigem para o nodo (plo positivo), perdem seus eltrons e so transformados em gs cloro, Cl2 .2 Cl1- => Cl2 + 2 e- (oxidao)Os ons Na1+ se dirigem para o ctodo (plo negativo), recebem um eltron e so transformados em sdio metlico (Na0). A equao foi multiplicada por 2 para igualar o nmero de eltrons na reduo e na oxidao.2 Na1+ + 2 e- => 2 Na0 (reduo)A equao global da eletrlise dada pela soma das reaes de dissociao do sal e das reaes que ocorrem nos eletrodos.2 NaCl => 2 Na1+ + 2 Cl1-2 Cl1- => Cl2 + 2 e- (oxidao)2 Na1+ + 2 e- => 2 Na0 (reduo)reao global: 2 NaCl => Cl2 + 2 Na0A eletrlise gnea permite a obteno do alumnio a partir da bauxita (Al2O3). Em condies normais a bauxita funde a 2050 C. Com a utilizao da criolita (Na3AlF6) como fundente, esta temperatura cai para 1000 C.Al2O3 => 2 Al3+ + 3 O2-No plo negativo...4 Al3+ + 12 e- => 4 Al0No plo positivo...6 O2- => 3 O2 + 12e-equao global...2 Al2O3 => 4 Al3+ + 6 O2-4 Al3+ + 12 e- => 4 Al06 O2- => 3 O2 + 12e-2 Al2O3 => 4 Al0 + 3 O2O gs oxignio formado na oxidao reage com o carbono do eletrodo de grafita produzindo CO2 .Eletrlise em soluo aquosaUma substncia qualquer pode gerar ons em soluo aquosa. Neste caso, os ons que podem vir a sofrer eletrlise podem se originar dessa substncia ou da prpria auto-ionizao da gua. Apesar da auto-ionizao da gua ocorrer em baixa extenso, ela oferece esta possibilidade de um ou outro on vir a se descarregar.Apenas uma espcie de on positivo ou negativo descarrega por vez. Cada on possui uma voltagem adequada para se descarregar. O par ction/nion de apresentar menor voltagem para descarregar ser o que vai descarregar primeiro.A auto-ionizao da gua fornece os ons H1+ (H3O1+) e OH1-.H20 => H1+ + OH1-ou ainda2 H2O => H2O + H1+ + OH1- => H3O1+ + OH1-No caso dos ctions, metais pouco reativos descarregam primeiro, pois possuem maior tendncia a aceitar os eletrons de volta e se descarregar. Metais altamente reativos como metais alcalinos e alcalino terrosos se descarregam depois. A ordem de prioridade a seguinte:aumenta dificuldade de descarga ===>Au3+ Pt2+ Hg2+ Ag1+ Cu2+ Ni2+ Cd2+ Pb2+ Fe2+ Zn2+ Mn2+ H3O1+ Al3+ Mg2+ Na1+ Ca2+ Ba2+ K1+ Li1+ Cs1+O H1+ ou H3O1+ se descarrega antes alumnio, de metais alcalinos e alcalinos terrosos. Mas perde em prioridade de descarga para os demais ctions.Quanto menor for a eletronegatividade do nion para prender o eltron, maior a facilidade de descarga do mesmo.aumenta dificuldade de descarga ===>nions no oxigenados e HSO41- OH1- nions oxigenados e F1-

O OH1- se descarrega antes dos nions oxigenados e do F1-. Mas perde em prioridade de descarga para os nions no oxigenados e o HSO41-. As reaes que os ons resultantes da auto-ionizao da gua so mostradas abaixo:H1+ (reduo no catodo) 2 H1+ + 2 e- => H2OH1- (oxidao no anodo) 2 OH1- => H2O + 1/2 O2 + 2 e-

A eletrlise do NaCl em soluo aquosa um exemplo em que participam da eletrlise o ction oriundo da auto-ionizao da gua e o nion do sal.

Leis de FaradayGaiola de Faraday Num corpo neutro, as cargas eltricas positivas e negativas distribuem-se pelo corpo.

Se eletrizarmos o corpo, as cargas em excesso repelem-se mutuamente e concentram-se na periferia do corpo, na sua superfcie exterior.

Passado um curto tempo inicial aps a eletrizao, o corpo fica em equilbrio eletrosttico, no havendo movimentos de cargas eltricas a nvel macroscpico.Estes fatos comprovou experimentalmente Michael Faraday ao encerrar-se no interior de uma gaiola condutora, onde verificou no haver manifestao de fenmenos eltricos no seu interior.Uma gaiola de Faraday, para alm de ser condutora, no necessita ser contnua, podendo ser constituda por uma rede metlica. Desta configurao lhe veio o nome de gaiola. A verificao do seu comportamento eltrico pode ser feita colocando pndulos eltricos nas suas paredes interiores e exteriores e eletroscpios no seu interior. No havendo cargas eltricas no seu interior, verifica-se que, ao eletrizar a gaiola por contato com um gerador eletrosttico, os pndulos exteriores se desviam das paredes, acusando a sua eletrizao, enquanto os interiores permanecem imveis, assim como as folhas dos eletroscpios, comprovando a no existncia de cargas eltricas no interior da gaiola.

Duas leis de Faraday sintetizam as observaes experimentais.1 lei de Faraday- Nos condutores em equilbrio a eletricidade distribuda apenas na superfcie externa ; no seu interior no h trao de eletricidade.2 lei de Faraday- No equilbrio eltrico a fora eltrica no interior dos condutores completamente fechados e desprovidos de corpos eletrizados nula.A gaiola de Faraday foi adotada para proteger instrumentos e aparelhos de grande sensibilidade colocados no seu interior. Tambm serve para garantir a segurana de instalaes perigosas como paiis e locais de preparao de explosivos. A proteo de edifcios contra descargas atmosfricas outra aplicao da gaiola. Devido a esta funo de proteo, a gaiola tambm conhecida como cran eletrosttico.Aplicaes da eletrlise

Obteno de metais (Al, Na, Mg)

Obteno de NaOH, H2 e Cl2 Purificao eletroltica de metais

Galvanoplastia

Substncias inicas possuem a capacidade de conduzir corrente eltrica quando esto em solues aquosas. A eletrlise provm dessa propriedade inica, ou seja, um processo que se baseia na descarga de ons, onde ocorre uma perda de carga por parte de ctions e nions.

A eletrlise uma transformao artificial, pois provocada por um gerador, mas tem uma enorme importncia prtica. Ela tem grande utilizao em indstrias, na produo de muitas substncias, dentre elas metais alcalinos, alcalino-terrosos, gs hidrognio e gs cloro. A eletrlise um processo til na obteno de vrios elementos qumicos. Por exemplo:

Sdio: eletrlise gnea de NaCl (cloreto de sdio) fundido em um processo que ocorre a cerca de 800C.

Alumnio: eletrlise gnea de Al2O3(bauxita). Soda custica (NaOH): eletrlise aquosa do NaCl (cloreto de sdio). Gs hidrognio: eletrlise aquosa do NaCl (cloreto de sdio).

Cloro: eletrlise gnea do gs cloro (Cl2). O cloro muito utilizado na produo de compostos orgnicos clorados e alvejantes, e tambm para o tratamento de gua para consumo e de piscinas. Observao: Eletrlise gnea a passagem da corrente eltrica em uma substncia inica no estado de fuso, diferente da eletrlise aquosa em que a passagem eltrica ocorre atravs de um lquido condutor.

A eletrlise muito utilizada na galvanoplastia, isto , no recobrimento de objetos com uma fina camada de metal. Vrios ctions metlicos, aps a reduo, ficam grudados no ctodo, o que provoca a formao de uma camada de metal. Por exemplo:

Niquelao: recobrimento de um objeto com nquel; Cromao: recobrimento de um objeto com cromo.

Bibliografia Ciscato, Carlos Alberto Matoso, Revista de Ensino de Cincia no 21, Aplicaes da Eletrlise, Setembro 1988.

http://www.brasilescola.com/quimica/produtos-eletrolise.htm (visitada em 28/08/10)

http://www.coladaweb.com/quimica/eletroquimica/eletrolise (visitada em 28/08/10)

Atkins, P.W. Jones, L.L. Principio de Qumica: questionando a vida moderna e o meio ambiente, Ed. Bookman, 2001