Processo químico- ELETRÓLISE

Disciplina – Processos Químicos

Professora Selma Violato Frazão

ELETRÓLISE

1 Introdução

Uma reação de oxi-redução é espontânea quando o valor de E da reação da célula combinada for positiva. Inversamente se o valor de E da célula for negativo, a reação não poderá ocorrer espontaneamente na direção em que está escrita, porque o processamento de tal reação requereria a adição de energia. Se a energia elétrica requerida for fornecida ao sistema é possível uma reação não espontânea ocorrer; uma reação deste tipo é chamada REAÇÃO DE ELETRÓLISE.

2 Condutividade elétrica

Os líquidos, em particular as soluções, podem ser classificados em dois grupos, em função do seu comportamento sob o efeito de um campo elétrico. Líquidos que contêm apenas moléculas covalentes;

Líquidos que contêm íons(esses íons podem ter estado nessa forma sólido iônico original, ou podem ter resultado da reação de um soluto covalente com um solvente polar).

Os líquidos que contêm íons podem sofrer um processo de eletrólise e são condutores de corrente elétrica. Esses líquidos são designados eletrólitos; as soluções são, comumente, chamadas eletrolíticas.

Por outro lado, os líquidos(soluções) que contêm apenas moléculas não sofrem eletrólise e não são capazes de conduzir a corrente elétrica.

Os elétrons envolvidos em uma ligação metálica são relativamente livres para mudar-se de átomo em átomo; desse modo, se for aplicada uma diferença de potencial entre duas partes de um metal esses elétrons da estrutura metálica migram na direção da região carregada positivamente, deslocando-se sucessivamente dos orbitais de um átomo para os seus vizinhos. Diz-se, então, que os metais conduzem a corrente elétrica eletronicamente.

Portanto a Eletrólise consiste em uma reação de oxi-redução não espontânea. É o inverso de uma pilha. Na eletrólise há a necessidade de uma

fonte externa de corrente elétrica (contínua) para que essa reação não espontânea ocorra.

O recipiente em que se realiza a eletrólise recebe o nome de célula eletrolítica ou cuba eletrolítica.

O eletrólito, ou substância que conduz eletricidade, deve ser um composto iônico líquido (fundido), ou então em solução. Pode ser um composto molecular, desde que este se ionize quando em solução. Como exemplos têm-se os ácidos.

Uma célula eletroquímica é normalmente composta por dois eletrodos, onde vão ocorrer as duas semi-reações: uma de oxidação e outra de redução.

O eletrodo no qual ocorre a oxidação é chamado de anodo. O eletrodo em que ocorre a redução é chamado de catodo. Além desses eletrodos, a célula é composta ainda por um eletrólito, que é o meio (geralmente uma solução) em que estão imersos os eletrodos e é responsável pela condução da corrente elétrica, na forma de íons, do anodo para o catodo. Para fechar o circuito, há ainda uma ligação entre os eletrodos por onde os elétrons migram do anodo para o catodo

3.Como Funciona a Eletrólise

Os íons negativos são atraídos pelo pólo (ânodo), onde irão perder elétrons (oxidação). Os elétrons cedidos ao pólo migram através do circuito externo até o pólo (cátodo). Lá, estes serão "ganhos" pelos íons positivos (redução).

 Eletrólise Ígnea

Como já vimos anteriormente, para que ocorra uma eletrólise é necessária a presença de íons livres. Um composto iônico, no estado sólido, não deve sofrer eletrólise, já que não possui íons livres. Uma forma de liberar os íons deste composto é aquecê-los até a fusão (fundir). A eletrólise que ocorre, nessas condições, é chamada eletrólise ígnea (do latim igneus = inflamado, ardente).

Exemplo

Eletrólise ígnea do NaCl:

Semi-reações da eletrólise ígnea do NaCl:

Observação

– Normalmente os eletrodos utilizados são de grafite.

- O número de elétrons libertados no ânodo é sempre igual ao número de elétrons absorvidos no cátodo, em qualquer instante da eletrólise.

 Eletrólise em Soluções Aquosas

Quando um eletrólito é dissolvido em água (havendo ionização ou dissociação do mesmo), além dos seus íons, devemos considerar a ionização da própria água.

Observação– Embora a ionização da água ocorra em pequena escala (1 molécula se ioniza em cada 555 milhões de moléculas), seus íons devem ser considerados.

Experimentalmente, observa-se que, na eletrólise aquosa, apenas um tipo de cátion é atraído por vez no cátodo, e, enquanto ele estiver presente na solução, nenhuma outra espécie será atraída. O mesmo ocorre em relação aos ânions no ânodo.

Exemplo

Suponhamos uma solução aquosa de AB. Os íons presentes na solução serão:

e provenientes do eletrólito AB

e provenientes da água

Consultando a tabela de , se verificarmos que o possui maior que o (hipotético), o vai se reduzir mais facilmente. Assim, a reação que ocorre, neste caso, é a descarga do e não a do .

No caso dos ânions em solução, podemos dizer que, quanto maior a eletronegatividade do ânion, maior será sua tendência de atrair os elétrons e, portanto, mais difícil será doá-los. Suponha, no exemplo anterior, que B– seja

menos eletronegativo que OH–_{. Logo, B}– perderá elétrons mais facilmente

(descarrega primeiro).

A seguir, mostramos a ordem crescente de facilidade de descarga para cátions e ânions.

Ânions: F–, ânions oxigenados, , OH –,

APLICAÇÕES DA ELETRÓLISE

Todos os dias nossas vidas estão direta ou indiretamente relacionadas a produtos de reações de eletrólise

Na maioria das cidades, em que a água é tratada, utiliza-se o cloro para matar os microorganismos patogênicos. O cloro elementar, não existe livre na natureza, assim é necessário obtê-lo por meio do processo de eletrólise.

Muitos dos metais que utilizamos são obtidos por meio da eletrólise. GALVANOPLASTIA

Consiste em revestir a superfície de uma peça metálica com uma fina camada de outro metal por meio da eletrólise aquosa de seu sal. A peça atuará como cátodo e o sal dever conter o íon do metal que se deseja depositar. Os exemplos mais conhecidos são o revestimento pro crômio, a cromação, ou por níquel, a niquelação.

Semireação do cátodo (Cromação) Cr 3+_{(aq) + 3e}-

→

O nome galvanoplastia é uma homenagem ao cientista italiano Luigi Galvani (1737- 1798). Esse processo é muito utilizado para revestir anéis, brinco, pulseiras, relógios, faqueiros, etc. com uma fina camada, que tem espessura da ordem de 2,0 . 10-3 _{cm de prata ou de ouro. A produção de ferro} galvanizado, que consiste no ferro que recebeu uma camada superficial de zinco, também pode ser feita por eletrólise.

Até pouco tempo, na fabricação de automóveis, vários acessórios, como para-choques de aço, eram revestidos de cromo. Esse revestimento era feito pela eletrodeposição, não só para a beleza das peças, como também para sua proteção contra a corrosão. As peças cromadas praticamente desapareceram dos automóveis sendo substituídas por materiais plásticos.

ANODIZAÇÃO

Uma forma de resguardar certos metais contra a corrosão é a formação de uma camada protetora superficial de um óxido do próprio metal. Tal proteção pode ser feita por meio de um processo eletrolítico, que é denominado anodização. Um exemplo de anodização bastante conhecido envolve o alumínio

A peça de alumínio a ser protegida é usada como ânodo(pólo positivo) durante a eletrólise de uma solução aquosa de H2SO4. Nesse eletrodo ocorre a liberação de oxigênio gasoso (graça à descarga do OH- proveniente da água). O gás oxigênio ataca o metal constituinte do ânodo (a peça de alumínio) formando óxido de alumínio

4 Al (s) + 3 O2 (g) → 2 Al2O3 (s)

A camada protetora de Al2O3 que se forma é bastante porosa, o que permite a retenção de corantes em seus poros. Em seguida, os poros são selados mergulhado-se a peça em água quente.

São exemplos de peças anodizadas em que se utilizam esse processo: grade, janelas, portões e tampas de panela de alumínio colorido.

A eletrólise também pode ser usada para a obtenção do alumínio a partir da bauxita, um minério de alumínio

Quantidades comerciais de alumínio são produzidas utilizando-se o processo de eletrólise do óxido de alumínio ( Al2O3 ). Essa reação de obtenção do alumínio pode ser representada pela seguinte equação:

2 Al2O3 (s) → 4 Al (s) + 3 O2 (s) OBTENÇAO DE SUBSTÂNCIAS DE INTERESSE

O silício puro, necessário para a produção de chips de computadores, também é obtido por meio de reação de oxidação e redução entre o triclorosilano (SiHCl3) e hidrogênio de alta pureza e pode ser representada pela seguinte equação:

SiHCl3 (l) + H2 (g) → Si (s) + 3 HCl (l)

NOÇÕES DE METALURGIA

Na superfície da Terra há uma imensa variedade de substâncias formadas ao longo de milhares de anos pela natureza não viva... ( hipótese de Gaia). Essas substâncias são chamadas de minerais.

Grande parte dos minerais contém metais em sua composição química. Às vezes, dependendo da composição química e da abundância do mineral, é possível a extração desses metais. O termo minério designa um mineral a partir do qual é economicamente viável a extração de um elemento químico de interesse.

Metalurgia é a sequência de processos que visa obter um metal a partir do minério correspondente

Como já sabemos, os metais possuem, de modo geral, alta tendência a doar elétrons. Assim, eles são frequentemente encontrados em seus minérios com número de oxidação positivo, e, para que se possa obter o metal ( isto é, a substância simples formada por esse metal), a partir do minério é necessário que ele sofre redução. Perceba que se trata exatamente do contrário da corrosão, um processo natural que tende a oxidar os metais.

Cátion do metal em substância composta

M

M

METALURGIA E POTENCIAIS DE REDUÇÃO

Consultando a tabela de potenciais de redução a seguir é possível entender por que alguns metias como ouro, prata, mercúrio e cobre são encontrados como substâncias simples na natureza (no chamado estado nativo ou metálico) enquanto outros são encontrados apenas na forma de substância composta( combinados com outros elementos)

Obtidos por meio Da redução Por eletrólise ígnea

Semi-reação Eo _(V) Li+_{(aq) + e}- _{Li(s) -3,05} K+ _{(aq) + e}- _{K(s) -2,93} Ca2+_{(aq) + 2e}- _{Ca(s) -2,87} Na+_{(aq) + e}- _{Na(s) -2,71} Mg2+_{(aq) + 2e}- _{Mg(s) -2.37} Al3+_{(aq) + 3e}- _{Al(s) -1,66}

Obtido por meio da redução do minério utilizando C, CO ou Al0 _{como agente} redutor Zn2+_{(aq) + 2e}- _{Zn(s) -0,76} Fe3+_{(aq) + 2e}- _{Fe(s) -0,44}

Ni2+_{(aq) +2e}- _{Ni(s) -0,25}

Sn2+_{(aq) + 2e}- _{Sn(s) -0,14}

Pb2+_{(aq) + 2e}- _{Pb(s) -0,13}

Encontrados livres na natureza ou facilmente obtidos a

partir dos minérios

Cu2_{(aq) + e}- _{Cu(s) +0,52}

Hg2+

2(aq) + 2e- 2Hg(l) +0,85

Ag+_{(aq) + e}- _{Ag(s) +0,80}

 OURO, PLATINA, PRATA, MERCÚRIO E COBRE

Esses são metais nobres, isto é, têm baixa tendência a sofrer redução. Daí o fato de serem encontrados na natureza sob a forma de substâncias simples. Neste caso a redução é desnecessária, executando-se apenas a purificação para remover as impurezas que porventura acompanharem o metal.

Prata, cobre e mercúrio, além de serem encontrados no estado nativo, existem também na forma de minério, os sulfetos Ag2S ( argentita), Cu2S (calcosita) e HgS (cinábrio). Nesse caso, os metais podem se facilmente obtidos a partir da ustulação do minérios.

Ustulação é o nome dado ao aquecimento de um sulfeto na presença de gás oxigênio ( O2 ), também conhecido como “queima do sulfeto”

Ag2S + O2 → 2 Ag + SO2 ( ustulação da argentita)

 FERRO, ESTANHO, ZINCO E CHUMBO

Esses metais não são nobres como os anteriores e, por essa razão, não se encontram livres na natureza. Assim, é necessário utilizar um agente redutor para obtê-los a partir de seus minérios. O monóxido de carbono (CO) é o agente redutor geralmente empregado. Carvão (C ) também é utilizado. No caso da obtenção do ferro a partir da hematita (Fe2O3), a reação pode ser equacionada do seguinte modo:

Fe2O3 + 3CO → 2 Fe + 3 CO2

Siderurgia é o ramo da indústria metalúrgica que visa obter ferro metálico a partir de seus minérios. A reação executada nos altos-fornos siderúrgicos ( o nome se deve à altura do forno). Neles é despejada uma mistura de coque (carão com alto teor de carbono), minério de ferro e calcário (CaCO3). A combustão do coque produz CO, que reduz o minério de ferro. O Calcário sofre decomposição, produzindo a cal extinta CaO, que reage com a impurezas do minério, fazendo-as flutuar no ferro fundido.

O ferro que sai do forno chama-se ferro-gusa ou ferro fundido. Contém cerca de 5% de carbono, sendo, por esse motivo, muito quebradiço. Após sofrer processo de purificação, pode chegar até cerca de 0,2% de carbono e recebe o nome de ferro doce. O ferro com até cerca de 1,5% de carbono é chamado de aço. Trata-se de uma liga metálica mais usada por nossa civilização

Metais como o sódio (alcalino), magnésio (alcalino-terroso) e o alumínio possuem baixos potenciais de redução, ou seja, não são facilmente reduzidos. Não se conhece um agente redutor barato que provoque sua redução. O meio mais econômico de obtê-los e forçar a redução utilizando uma corrente elétrica, ou seja, executando uma eletólise.

No entanto é necessário que essas substâncias sejam ígneas, pois de acordo com o que já foi apresentado, em meio aquoso os íons de H+ _{têm maior} facilidade de descarga do que os íons Na+ _{, Mg}2+ _{e Al}3+

Assim, sódio e magnésio são obtidos por eletrólise ígnea do NaCl e MgCl2 , provenientes da água do mar. O alumínio obtido por eletrólise ígnea da bauxita, já demonstrado anteriormente.

Ligas de alumínio e magnésio são leves e resistentes, sendo usadas na fabricação de rodas e na carcaça de aeronaves. O alumínio vem ganhando cada vez mais destaque em nossa civilização, tendo inúmeras utilizações.

Estequiometria da Eletrólise

Cada elétron que atravessa o circuito transporta uma carga de 1,6·10–19 C. Se x

elétrons atravessam o circuito, eles transportarão uma carga de x·1,6·10–19 C.

Assim, para um mol de elétrons, teremos:

Conclusão

Quando 1 mol de elétrons atravessa um circuito, transporta a carga de 96.500C.

Esta carga é denominada 1 Faraday.

Desta forma:

A carga Q (coulombs) que atravessa o circuito pode ser calculada, multiplicando a corrente (ampères) pelo tempo (segundos).

EXERCÍCIOS

1) Um estudante resolveu folhear sua chave com prata, utilizando a seguinte montagem: Responda:

a) qual reação que ocorre na chave b) qual pólo é o anodo

c) quem sofre corrosão

2) A eletrólise ígnea do cloreto de sódio resulta em sódio metálico e gás cloro. Nesse processo, cada íon

a) cloreto recebe um elétron. b) sódio recebe dois elétrons. c) sódio recebe um elétron. d) sódio perde um elétron. e) cloreto perde dois elétrons

3) Dada a reação Cu + 2HCl CuCl2 + H2 , assinale a afirmativa incorreta→

sabendo-se que os potenciais-padrão de redução do cobre e do hidrogênio são respectivamente 0,34 Volts e 0,00 Volts.

a) A reação produz corrente elétrica. b) A reação não ocorre espontaneamente. c) A reação ocorre nas pilhas de Daniell. d) O cobre é o agente oxidante.

e) O hidrogênio sofre oxidação. 4) Dados:

- o indicador fenolftaleína é incolor em pH < 8 e rosa em pH acima de 8.

- o amido é utilizado como indicador da presença de iodo em solução, adquirindo uma intensa coloração azul devido ao complexo iodo-amido formado.

Um experimento consiste em passar corrente elétrica contínua em uma solução aquosa de iodeto de potássio (KI). O sistema está esquematizado a seguir.

Para auxiliar a identificação dos produtos são adicionadas, próximo aos eletrodos, solução alcoólica de fenolftaleína e dispersão aquosa de amido.

Sobre o experimento é incorreto afirmar que a) haverá formação de gás no eletrodo B.

b) a solução ficará rosa próximo ao eletrodo A. c) no eletrodo B ocorrerá o processo de oxidação. d) o eletrodo A é o cátodo do sistema eletrolítico. d) a solução ficará azul próximo ao eletrodo B.

5) Em relação à eletrólise de uma solução aquosa concentrada de CuCl2, selecione a afirmativa ERRADA

a) há deposição de cobre metálico no eletrodo negativo b) há formação de cloro gasoso no eletrodo positivo c) os íons Cu2+ são reduzidos

d) os íons Cl- são oxidados

e) a reação que se passa na eletrólise pode ser representada pela equação: Cu (s) + Cl2 (g) Cu→ 2+ _{(aq) + 2 Cl}- _(aq)

6. Nos altos-fornos, o ferro é obtido pela redução de um de seus minérios: a hematita. O redutor que atua nesse processo é:

a) nitrogênio b) oxigênio c) monóxido de carbono d) dióxido de carbono c) óxido de cálcio

7) considere os processos de obtenção de alumínio a partir da alunina e do ferro a partir da hematita. Ambos

I. envolvem oxirerdução II. utilizam eletrólise

III requerem uso de energia È correto afirmar SOMENTE

a) I b) II c) III d) I e II e) I e III

BIBLIOGRAFAIA

CESAR, P. Eletrólise. Disponível em

http://www.profpc.com.br/eletroqu%C3%ADmica.htm#3._Eletrólise Acesso em 06.07.1012.

PERUZZO, F.M., CANTO, E. L. Química na abordagem do cotidiano. Vol 2. Ed. Moderna. SP . 2010