Alexandre Machado Ferreira Geraldo Santos da Silva Jorge Eustáquio da Silva
José Augusto Simão Pedro de Resende Wesley Gonçalves Mendes
QUIMICA GERAL
TRABALHO SOBRE APLICAÇÃO DA ELETRÓLISE
CES
Conselheiro Lafaiete
Alexandre Machado Ferreira Geraldo Santos da Silva Jorge Eustáquio da Silva
José Augusto Simão Pedro de Resende Wesley Gonçalves Mendes
QUIMICA GERAL
TRABALHO SOBRE APLICAÇÃO DA ELETRÓLISE
CES
Conselheiro Lafaiete
2009
Trabalho sobre Eletrólise para avaliação do rendimento escolar na disciplina Química Geral do curso de Engenharia Elétrica, ministrado pela professora Telma Chaves Leles.
SUMÁRIO
1-INTRODUÇÃO
... 3 1.1- Objetivo...3 1.2- Definição de eletrólise...32-GALVANOSPLASTIA
...4 2.1-Galvanização...5 2.1.2-Douração...5 2.1.3-Cromagem...5 2.1.4-Prateação...6 2.1.5-Zincagem...63-ANODIZAÇÃO
...7 3.1-Camada anódica...7 3.2-Barreiras de óxido...83.3-Camada porosa de óxido...9
4-TINGIMENTO
...114.1-Anodização dura...11
4.2-Tingimento integral...11
5-OBTENÇÃO DE SUBSTÂNCIAS
...135.1-Soda cáustica...13
5.2-Cloro, do ácido clorídrico e do hipoclorito de sódio...14
5.3-Obtenção do sódio e de outros metais alcalinos...14
5.4-magnésio e de outros metais alcalino-terrosos...15
SUMÁRIO
6-CONCLUSÃO
...171-INTRODUÇÃO
1.1- Objetivo.
O trabalho visa explicar as principais aplicações da eletrólise no cotidiano. Também explica cientificamente como ocorre o processo de galvanoplastia, anodização e obtenção de substâncias puras.
1.2- Definição de eletrólise.
Eletrólise é definida como o processo químico provocado por corrente elétrica, tendo como base que substâncias iônicas possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica quando estão em soluções aquosas. A eletrólise é um processo que se baseia na descarga de íons, onde ocorre uma perda de carga por parte de cátions e ânions.
2-GALVANOSPLASTIA
É um tratamento cujo nome homenageia o físico e químico italiano Luigi Galvani (1737-1798), que descobriu o galvanismo (eletricidade na contracção muscular). A galvanoplastia é um tratamento de superfície que consiste em depositar um metal sobre outro, através da redução química ou eletrolítica para proteção, melhor condutividade e melhor capacitação para se soldar sobre a superfície tratada.
Utilidade:
• Proteção;
• Melhora na condutividade; • Auxílio na soldagem; • Estética (aparência);
• Aglutinação de partículas não condutoras de eletricidade; • Diminuição de atrito;
• Aumento da dureza superficial;
• Resistência à temperatura, entre outras.
Como funciona:
O processo da Galvanoplastia consiste em um metal que, submergível em um substrato, transfere íons para outra superfície (metálica ou não), através da eletrólise. O objeto cuja superfície será revestida sofre a redução e deve estar ligado ao pólo negativo, o cátodo, de uma fonte de energia, enquanto o metal que sofre a oxidação deve ser ligado a um pólo positivo, o ânodo. No processo, as reações não são espontâneas. É necessário fornecer energia elétrica para que ocorra a deposição dos elétrons (eletrólise). Trata-se, então, de uma eletrodeposição na qual o objeto que recebe o revestimento metálico é ligado ao pólo negativo de uma fonte de corrente contínua enquanto o metal que dá o revestimento é ligado ao pólo positivo.
2.1-Galvanização
A Galvanização ou electroformação é todo o processo de Galvanoplastia em que metais são revestidos por outros mais nobres, geralmente para proteger da corrosão ou para fins estéticos/decorativos.
2.1.2-Douração
Ao banhar de ouro um anel feito de alumínio:
a) O anel será o cátodo ligado ao pólo negativo da pilha enquanto que no pólo positivo (ânodo) deverá haver uma lâmina de ouro.
Esses elétrodos podem estar mergulhados numa solução aquosa de um sal de ouro, por exemplo, o Nitrato de ouro (III) (Au(NO3)3). Como há a lâmina, não é necessária uma concentração muito elevada.
• Pólo negativo (cátodo): Au3++ 3e- → Au} - semi-reação: Redução
• Pólo positivo (ânodo): Au → Au3+ + 3e-} - semi-reação no ânodo: Oxidação
b) Também pode ser usado um elétrodo inerte (platina, por exemplo) no ânodo, o anel de alumínio no cátodo e uma solução aquosa de Au(NO3)3). Nesse caso, a deposição de ouro sobre o anel não se origina no ânodo, mas sim da própria solução que precisa ser de alta concentração:
• Pólo negativo (cátodo): Au3+ + 3e- → Au} – semi-reação: Redução
• Pólo positivo (ânodo): H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2e-} – semi-reação: Oxidação.
2.1.3-Cromagem
Ao cromar um pára-choque de ferro de um carro:O pára-choque será o cátodo ligado ao pólo negativo da pilha enquanto que no pólo positivo (ânodo) deverá haver uma barra de cromo ou um elétrodo inerte.
Esses elétrodos devem estar mergulhados numa solução aquosa de um sal de cromo (Cr3+) (de concentração alta, no caso do elétrodo inerte).
Industrialmente, o processo de Cromagem de pára-choques de automóveis é feito em três etapas que garantem a aderência do Cromo, reduzindo o desgaste:
1. Cobreação; 2. Niquelagem; 3. Cromagem.
• Pólo positivo (ânodo): H2O → 2 H+ + ½ O2 + 2e-} - semi-reação: Oxidação
2.1.4-Prateação
Ao banhar de prata um anel feito de alumínio:
2.4.1 – O anel será o cátodo ligado ao pólo negativo da pilha enquanto que no pólo positivo (ânodo) deverá haver uma lâmina de prata.
Esses elétrodos podem estar mergulhados numa solução aquosa de um sal de prata, preferencialmente de concentração alta.
• Pólo negativo (cátodo): Ag2++ 2e- → Ag} – semi-reação: Redução
• Pólo positivo (ânodo): Ag → Ag2+ + 2e-} – semi-reação no ânodo: Oxidação
2.1.5-Zincagem
A Zincagem é o processo mais antigo e mais utilizado na proteção de objetos feitos de ferro ou de aço. O processo é o mesmo utilizado para outros materiais, porém o zinco possui uma temperatura de fusão de aproximadamente 419°C e, por isso, a solução (substrato) deve estar a uma temperatura entre 430 e 460°C, acelerando a reação entre ferro e zinco. Esse processo popularmente conhecido como galvanização a fogo ou galvanização a quente foi descoberto pelo químico francês Melouin em 1741 e patenteado pelo engenheiro Sorel em 1837.
3-ANODIZAÇÃO
Processo eletrolítico de tratamento de superfície do alumínio para fins arquitetônicos. A anodização promove a formação de uma camada uniforme de óxido de alumínio na superfície do alumínio como objetivo aumentar, de maneira controlada e uniforme, a camada superficial de óxido de alumínio. Esta camada protetora será tanto mais eficiente quanto maior for a sua espessura, aliada a fatores tecnológicos específicos de processo.
3.1-Camada anódica
As espessuras de camadas anódicas devem ser solicitadas em função da agressividade do meio ambiente, de acordo com a tabela abaixo:
Especificação das Camadas Camada Anódica (mícron) Zona Agressividade do Meio Ambiente A13 11 a 15 Urbana / Rural Média
A18 16 a 20 Marítima Alta
A23 21 a 25 Industrial Excessiva
Vantagens da anodização
Durabilidade A maior parte dos produtos anodizados têm um tempo de vida extremamente longo oferecendo vantagens significativas do ponto de vista econômico e de manutenção. Estabilidade da cor O exterior da camada anódica é bastante estável aos raios ultravioleta sem lascar nem descascar.Facilidade de manutenção Superfícies fáceis de limpar com água, detergente neutro e alcool, restaurando a aparência original. Um abrasivo médio pode eventualmente ser utilizado para remover depósitos mais aderentes.
Estética A anodização oferece um largo leque de polimentos e de colorações. A anodização do alumínio permite manter o aspecto metálico da peça.
Segurança A anodização é segura para a saúde, e é estável do ponto de vista químico, não se decompõe, não é tóxico e é resistente à temperatura.
3.2-Barreiras de óxido
Metais que podem ser anodizados também reagem prontamente com o oxigênio do ar (oxidam), portanto suas superfícies estão sempre cobertas com uma camada fina de óxido. No alumínio, que será usado aqui como exemplo, existe sempre uma barreira de óxido de cerca de 2 a 3 nm (1nm = 0,000 001mm) de espessura. Esta barreira estabiliza a superfície, impedindo que a oxidação continue. Esta camada é também um excelente isolante elétrico, suportando um campo elétrico da ordem de 1V/nm, ou seja, um milhão de volts por milímetro! Quando uma peça de alumínio com esta camada natural de óxido é colocada como anodo em uma célula eletrolítica contendo, digamos, um borato, não há fluxo significante de corrente elétrica até se atingir entre 1 e 2 volts. Somente quando o campo elétrico supera a capacidade de isolamento desta camada de óxido é que os íons de oxigênio e alumínio começam a percorrer o óxido. Esta corrente dentro do óxido é uma corrente iônica e estes íons reagem para engrossar a camada de óxido.
O processo de condução de íons através da camada de óxido sob altos campos elétricos é de fundamental importância para a anodização. Os ânions de oxigênio se movem para dentro da camada de óxido, indo até a interface oxido-metal para reagir com o alumínio e formar óxido na superfície do metal. Os cátions de alumínio se movem para fora até atingir a interface oxido-eletrólito onde reagem com a água para formar óxido naquela superfície.
O óxido se forma em ambas as interfaces. A taxa de formação de óxido é proporcional a densidade de corrente (A/cm2). O campo elétrico no óxido não se altera com a mudança na espessura da camada de óxido, e tem apenas uma pequena dependência da densidade de corrente e da temperatura.
Enquanto a camada de óxido ganha espessura, a voltagem através do óxido aumenta proporcionalmente e, à temperatura ambiente, é próxima de 1,2 nm/V. A espessura da camada é muito uniforme porque em toda a superfície a queda de voltagem deve ser a mesma. Para cada composição de banho e temperatura, existe uma máxima voltagem que pode ser suportada antes de ocorrer a ruptura. A maior voltagem obtida em eletrólitos aquosos é de cerca de 1000V. neste ponto, a espessura da barreira de óxido é cerca de 1 µm (0,001mm), ou seja, 300 a 500 vezes mais espessa que o óxido inicial gerado pelo oxigênio do ar ambiente.
3.3-Camada porosa de óxido
É importante diferenciar dois tipos de anodização: a criação de uma “barreira de óxido”, que é possível em todos os metais citados (alumínio, nióbio, tântalo, titânio, tungstênio e zircônio), e o processo especialmente aplicado ao alumínio que, mediante o uso de um banho ácido, permite a criação de uma “camada porosa de óxido”, muito mais espessa que a “barreira de óxido”. Esta camada pode ter os poros fechados, resultando no conhecido “alumínio anodizado”.
Na célula de anodização, a peça de alumínio a anodizar é ligada ao pólo positivo de uma fonte de corrente contínua, se tornando o anodo. O catodo é conectado ao pólo negativo. Este catodo pode ser uma placa ou barra de carbono (como grafite), chumbo, níquel, aço inoxidável ou qualquer outro condutor que não reaja com o banho de anodização. Quando o circuito é fechado, os elétrons são retirados do metal no pólo positivo, permitindo que os íons que vão se formando reajam com a água, aumentando a camada de óxido sobre o metal. Os elétrons retornam do banho no catodo, onde eles reagem com os íons de hidrogênio para formar hidrogênio elementar (gás). Cabe notar que alguns tratamentos usam corrente alternada para obter seus resultados. A composição do banho é que determina se ocorrerá a formação de uma barreira de óxido ou de uma camada porosa de óxido. A barreira de óxido se forma em soluções quase neutras, onde o óxido de alumínio é quase insolúvel, sendo as mais comuns as de borato, fosfato ou tartrato de amônia. As camadas porosas de óxido se formam em eletrólitos ácidos, nos quais o óxido não só se deposita, mas também dissolve. A solução mais comum é a de ácido sulfúrico, tipicamente 10 a 20% em peso (1 a 2 gramas de ácido para 9 gramas de água, lembrando que a densidade do ácido sulfúrico é de 1,81g/ml). Este tipo de anodização tem uma corrente típica de 0,3 a 3 amperes por decímetro quadrado. Outros banhos para aplicações especiais podem ser feitos com ácido oxálico, ácido crômico, ácido fosfórico ou misturas de ácidos orgânicos e inorgânicos.
Uma característica comum a estes banhos de anodização é a capacidade de reter uma alta concentração de alumínio em solução. Isto é essencial, pois uma grande parte do alumínio que é oxidado não fica retido na camada de óxido, mas passa para a solução.
Filmes porosos de 100 µm podem ser feitos facilmente. Isto é 100 vezes a espessura do filme de “barreira de oxido” mais espesso. Ao contrário da barreira de óxido, alta voltagem não é necessária para fazer um filme mais grosso. Isto se deve ao tipo particular de estrutura dessas
camadas. O óxido tem uma estrutura celular com um poro central em cada célula. As dimensões das células e dos poros depende da composição do banho, da temperatura e da voltagem, mas o resultado é sempre uma alta densidade de poros finos. O diâmetro da célula é na faixa de 50 a 300 nm e o diâmetro dos poros fica entre 0,3 e 0,5 do diâmetro da célula. Inicialmente, uma fina barreira de óxido se forma na base de cada poro. O caminho mais curto entre o metal e o eletrólito é através desta zona. Aí o campo é uniforme e tem valor máximo. Os ânions de oxigênio do eletrólito penetram na camada de óxido em direção a interface metal-óxido e lá se combinam com o alumínio, engrossando a camada de óxido. Os cátions de alumínio são movidos pelo campo elétrico até o eletrólito no poro, onde passam à solução, portanto, a formação de óxido é limitada à interface metal-óxido na base do poro. A medida que o alumínio é oxidado, a interface metal-óxido se desloca para o interior do metal. A parede da célula e o poro aumentam em altura, isto é, o filme engrossa, enquanto a célula e o diâmetro do poro permanecem fixos. Uma vez que a barreira de óxido permanece com espessura constante no fundo do poro, a voltagem da célula e a corrente permanecem constantes enquanto o filme ganha espessura.
4-TINGIMENTO
Antes de proceder a selagem (fechamento dos poros) é possível impregnar o óxido poroso com pigmentos coloridos. O pigmento fica retido no poro após o seu fechamento (selagem). O fechamento dos poros é feito normalmente reagindo a camada oxidada com água quente, algumas vezes misturada com acetato de níquel. O óxido na superfície e dentro dos poros reage para formar um óxido hidratado (boehmita), que tem uma estrutura diferente e uma densidade mais baixa do que o óxido anódico (tipo gama). Por causa da densidade mais baixa, o óxido hidratado ocupa um volume maior do que o óxido anódico do qual se forma. O produto desta reação preenche os poros e deixa a camada anodizada impermeável e estável diante de condições ambientais diversas.
4.1-Anodização dura
A anodização dura é geralmente feita em banho de ácido sulfúrico (cerca de 10%) em baixas temperaturas (tipicamente 3°C). Isto produz um revestimento com células largas e poros de pequeno diâmetro. Este revestimento é extremamente duro e resistente. A duração do banho deve ser de, no mínimo, duas horas, sendo quatro horas o tempo ótimo. A anodização dura geralmente tem um tom escuro, acinzentado.
4.2-Tingimento integral
Para aplicações arquitetônicas, que têm de suportar duras condições atmosféricas, o tingimento com pigmentos não é satisfatorio. Cores que variam desde o dourado até o bronze escuro são obtidas utilizando eletrólitos de ácidos orgânicos. Estas colorações são chamadas de “tingimento integral” ou “coloração integral”. Os ânions orgânicos são incorporados ao óxido e causam seu escurecimento. Efeito similar é produzido por uma anodização realizada em duas etapas, a primeira em corrente alternada em um eletrólito especial e a segunda em corrente contínua e ácido sulfúrico. Na primeira etapa, em corrente alternada, um metal, usualmente estanho ou níquel], é depositado no fundo dos poros. O depósito metálico altera as
propriedades óticas do revestimento e resulta em coloração decorrente de interferência óptica. O controle da espessura do metal permite a obtenção da coloração desejada. A coloração integral tem uma durabilidade muito superior à coloração obtida por pigmentos, visto que trata-se da própria estrutura da camada anodizada que gera a cor.
5-OBTENÇÃO DE SUBSTÂNCIAS
Por meio da eletrolise são obtidas industrialmente várias substancias de interesse. Entre elas ha substancia simples como hidrogenio, fluor, cloro, metais alcalinos, metais alcalino-terrosos e aluminio, e substancias dompostas, como o hidroxido de sodio, hipoclorito de sodio acido cloridrico.
5.1-Soda cáustica
A soda cáustica Na OH é obtida pela eletrólise aquosa do Na Cl.
Dissociação do composto 2Na + Cl → 2Na+ + 2Cl -Ionização da água 2H2O → 2H+ + 2OH -Oxidação no ânodo ( Cl- mais fácil que OH-) 2Cl- → Cl2 + 2e -Redução no cátodo ( H+ mais fácil que Na+) 2H+ + 2e- → H2
Reação resultante 2Na Cl + 2H2O → 2Na OH + Cl2 + H2 A soda cáustica NaOH surgiu juntamente com duas substâncias gasosas o cloro Cl2 e o hidrogênio H2 , que se desprendem.
5.2-Cloro, do ácido clorídrico e do hipoclorito de sódio
O cloro, o ácido clorídrico e o hipoclorito de sódio, são obtidos a partir da eletrólise aquosa do cloreto de sódio como mostra o esquema
5.3-Obtenção do sódio e de outros metais alcalinos
Na eletrólise aquosa do Na Cl ocorre no cátodo desprendimento de H e não deposição de Na, uma vez que, o Na tem potencial elétrico de redução menor que o H. Consequentemente a obtenção do Na não pode ser realizada por uma eletrólise aquosa. O sódio é obtido pela eletrólise ígnea do Na Cl retirado da água do mar ou de minas de sal gema.
5.4-magnésio e de outros metais alcalino-terrosos
Na eletrólise aquosa do Mg Cl2 ocorre no cátodo desprendimento de H e não deposição de Mg, uma vez que, o Mg tem potencial elétrico de redução menor que o H Conseqüentemente a obtenção do Mg não pode ser realizada por uma eletrólise aquosa. O magnésio é obtido pela eletrólise ígnea do Mg Cl2 retirado da água do mar.
5.5-Alumínio
O Al tem potencial elétrico de redução menor que o H , consequentemente a sua obtenção não pode ser realizada por eletrólise aquosa. O alumínio é obtido pela eletrólise ígnea do Al2O3 retirado da bauxita. Como a temperatura de fusão do Al2O3 é muito alta (2000oC) ele é misturado a um fundente para reduzir a temperatura de fusão para 1000oC.
Ocorrências no ânodo: oxidação do O2- → 2O2- → O2 + 4e- oxidação do C do eletrodo → C + O2 → CO2. Desprendimento de bolhas gasosas de CO2. Consumo do carbono do ânodo acarreta a troca do eletrodo após algum tempo de funcionamento. Ocorrência no cátodo: redução do Al3+ → Al3+ +3e- → Al. O alumínio fundido é depositado no fundo da cuba eletrolítica.
6-CONCLUSÃO
Além da construção de pilhas e acumuladores, as aplicações da eletrólise na indústria são muito numerosas e importantes.
Na galvanoplastia cobre-se um objeto de metal barato com uma camada fina de um metal caro. É o caso dos objetos dourados, prateados, niquelados, cromados, etc.
Na natureza não encontra-se materiais puros como é o caso do cobre e do alumínio que após passarem pelo processo da eletrólise é que chegam a ter grau de pureza.
Também é muito utilizada suas propriedades para evitar corrosão de metais que estão expostos a intempéries que não podem ser eliminados nas instalações.
Portanto é de fundamental importância que o profissional de engenharia tenha conhecimento aprofundado do processo de eletrólise, pois tem vasta aplicação nas industrias, em aplicações de estética e até mesmo em soluções de problemas do cotidiano, além das únicas maneiras em que podemos guardar energia elétrica envolvem o princípio de eletrólise.
7-REFERÊNCIAS
Anodização, <<www.anodex.com.br>>, site acessado em 18 de outubro de 2009, as 22:10 horas.
Eletrólise, Aplicação da, <<www.mundoeducacao.com.br>>, site acessado em 18 de outubro de 2009, as 21:30 horas.
