Eletrolise - oxidação e redução

Eletrolise - oxidação e redução

A eletrólise

A eletrólise é um método usado para a obtenção de reações de óxido-redução. Em soluções eletrolíticas o processo se baseia na passagem de uma corrente elétrica através de um sistema líquido que tenha íons presentes, gerando assim reações químicas. As reações na eletrólise podem ocorrer de várias maneiras, dependendo do estado físico em que estiver a solução que vai ser submetida à reação.

Aplicação da Eletrólise

Eletrólise é todo processo químico não espontâneo provocado por corrente elétrica. Substâncias iônicas possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica quando estão em soluções aquosas. A eletrólise provém dessa propriedade iônica, ou seja, é um processo que se baseia na descarga de íons, onde ocorre uma perda de carga por parte de cátions e ânions. A eletrólise é uma transformação artificial, pois é provocada por um gerador, mas tem uma enorme importância prática. Ela tem grande utilização em indústrias, na produção de muitas substâncias, dentre elas metais alcalinos, alcalino-terrosos, gás hidrogênio e gás cloro. A eletrólise é um processo útil na obtenção de vários elementos químicos. Por exemplo: Sódio: eletrólise ígnea de NaCl (cloreto de sódio) fundido em um processo que ocorre a cerca de 800°C. Alumínio: eletrólise ígnea de Al2O3(bauxita). Soda cáustica (NaOH): eletrólise aquosa do NaCl (cloreto de sódio). Gás hidrogênio: eletrólise aquosa do NaCl (cloreto de sódio). Cloro: eletrólise ígnea do gás cloro (Cl2). O cloro é muito utilizado na produção de compostos orgânicos clorados e alvejantes, e também para o tratamento de água para consumo e de piscinas. Observação: Eletrólise ígnea é a passagem da corrente elétrica em uma substância iônica no estado de fusão, diferente da eletrólise aquosa em que a passagem elétrica ocorre através de um líquido condutor. A eletrólise é muito utilizada na galvanoplastia, isto é, no recobrimento de objetos com uma fina camada de metal. Vários cátions metálicos, após a redução, ficam grudados no cátodo, o que provoca a formação de uma camada de metal. Por exemplo: Niquelação: recobrimento de um objeto com níquel; Cromação: recobrimento de um objeto com cromo.

Dissociação e Ionização

Corrente elétrica: teoria da dissociação iônica.

A primeira pilha elétrica surgiu em 1800, criada pelo cientista italiano Volta. Após sua descoberta, iniciou-se um período de experiências e dentre elas havia uma que consistia em mergulhar as pontas de dois fios condutores ligados a uma pilha em diferentes soluções, intercalando no circuito uma lâmpada de prova. Observaram que algumas soluções conduziam corrente elétrica, como a solução aquosa de sal de cozinha, e outras não. Várias teorias tentaram explicar tal fato, mas somente a de Arrhenius foi aceita. Ela surgiu a partir das experiências do físico-químico sueco Svant August Arrhenius (1859-1927), realizadas com a passagem de corrente elétrica através de soluções aquosas, formulou-se a hipótese de que essas continham os íons, partículas carregadas. Diante disso, Arrhenius instituiu a teoria da dissociação iônica. Teoria de ArrheniusA teoria diz que uma substância dissolvida em água se divide em partículas cada vez menores, mas, em alguns casos a divisão nas moléculas se interrompe e então a solução não consegue conduzir corrente elétrica. As experiências de Arrhenius formularam os fenômenos da dissociação iônica e ionização: Segundo Arrhenius, os íons positivos, os cátions, os íons negativos e os ânions são oriundos de determinadas substâncias dissolvidas em água. Sendo assim, duas soluções aquosas: uma de sal de cozinha (NaCℓ) e outra de soda cáustica (NaOH) foram utilizadas para experimentar a condutividade elétrica. O fenômeno da dissociação iônica foi comprovado por Arrhenius, quando verificou em ambos os casos a passagem de corrente elétrica associando-a a existência de íons livres nas soluções. Exemplo da dissociação iônica do NaCℓ em água: A água é uma substância constituída por moléculas polares, o pólo negativo está situado no átomo de oxigênio e o pólo positivo está nos átomos de hidrogênio. A solução iônica é obtida da interação entre H2O e NaCℓ. Arrhenius atentou para os seguintes fatos ao experimentar a condutividade de compostos moleculares, como o açúcar (C122211) e o ácido clorídrico (HCℓ), e concluiu que: • Na solução aquosa de açúcar não existe íons, por não conduzir corrente elétrica. Sendo assim, o açúcar dissolveu somente na água. • Confirmou a existência de íons livres, devido à condução de corrente elétrica pela solução aquosa de ácido clorídrico. O HCℓ é um composto constituído por moléculas, sendo assim os íons são formados mediante a quebra dessas moléculas pela água. Esse fenômeno é designado ionização.

Eletrólise de Metais Alcalinos e Alcalino-Terrosos

Entende-se por eletrólise as reações químicas que ocorrem em eletrodos, elas são usadas para a redução de metais, nosso estudo diz respeito aos metais Alcalinos e Alcalino-terrosos. Neste caso trata-se da Eletrólise Ígnea, este processo permite obter elementos puros a partir de substâncias compostas. Eletrólise ígnea: Ocorre em altas temperaturas e na ausência de água. Nesse tipo de eletrólise, o sólido iônico deve estar liquefeito por aquecimento (fusão) para os íons se deslocarem com mais facilidade até os eletrodos e aí sim se descarregarem. Os íons neste caso são provenientes dos metais: Magnésio (metal alcalino-terroso) ou Sódio (metal alcalino). Veja as equações do processo: Mg2+ + 2é → Mg0 Na+ + é → Na0 Essas são as semirreações catódicas da Eletrólise Ígnea. O índice 0 nos produtos indica que o elemento está em sua forma natural. Eletrólise aquosa: Nesse caso existem os íons resultantes da dissociação iônica do eletrólito e os íons do meio aquoso que também participam do processo (cátions H+ e ânions OH- provenientes da autoionização da água). Como se sabe, os íons H+ presentes na eletrólise aquosa têm maior facilidade de descarregar se comparados ao Na+ e Mg2+, e por isso este método não é aplicado à Eletrólise de Metais Alcalinos e Alcalino-Terrosos. Vejamos agora de onde é retirada a matéria-prima para a produção desses metais: A água do mar fornece as substâncias: Cloreto de Sódio (NaCl) e Cloreto de Magnésio (MgCl2), e através da eletrólise ígnea é possível obter Sódio e Magnésio no estado puro.

Eletrólise Solução Aquosa

Os processos de eletrólise se baseiam na passagem de uma corrente elétrica através de um sistema líquido que tenha íons presentes, gerando assim reações químicas. Em uma solução aquosa, devemos considerar não só os íons provenientes da solução, mas também os da água. Estes íons são os cátions H+ e ânions OH- resultantes da auto-ionização da água. Veja a demonstração: CA C+ + A-H20 H+ + OH-Mas como é feita a Eletrólise? O material, antes de ser eletrolisado, é dissolvido na água. Por exemplo, na eletrólise em solução aquosa do NaNO3, obtemos: • gás hidrogênio (H2) no cátodo, evidência de que a água (H2O) sofreu redução; o cátion Na+ fica dissolvido na água e não sofre redução. • gás oxigênio (O2) no ânodo, evidência de que a água (H2O) sofreu oxidação; o ânion NO3-  fica dissolvido na água e não sofre oxidação. Numa eletrólise aquosa, temos as seguintes possibilidades:

Cátodo

Ânodo

Redução do cátion do material

Oxidação do ânion do material

ou

ou

Redução da água

Oxidação da água

Redução da água (cátodo) A redução da água pode ser explicada com a utilização do seguinte mecanismo:

Oxidação da água (ânodo)

A oxidação da água pode ser explicada com a utilização do seguinte mecanismo:

Pilhas alcalinas

Qual a diferença entre pilha ácida e alcalina?

As pilhas se tornaram tão importantes em nosso cotidiano que merecem um estudo especial. São elas as responsáveis pelo funcionamento de computadores portáteis, relógios, telefones, calculadoras, rádios, e até na medicina, em marca-passos cardíacos. Vamos falar então da mais popular, a pilha alcalina. As pilhas alcalinas recebem este nome por que são feitas a partir de bases, possuem d.d.p de 1,5 V e não são recarregáveis. Quais as diferenças entre pilhas ácidas e alcalinas? 1. Composição: A pilha alcalina é composta por uma mistura eletrolítica: pasta básica de NaOH (hidróxido de sódio - bom condutor eletrolítico). Já a pilha seca comum contém cloreto de amônio NH4Cl (sal ácido) e recebe a classificação de ácida. 2. Aplicação: A pilha seca é usada para produzir correntes pequenas em serviços contínuos, sendo por isso indicada para rádios portáteis, telefones, campainhas, lanternas, serviços de sinalização, etc. A pilha alcalina, por sua vez, é apropriada para equipamentos que requerem descargas de energia rápidas e fortes, como brinquedos, câmeras fotográficas digitais, MP3 players, etc. 3. Durabilidade: as pilhas alcalinas duram cerca de cinco vezes mais que as ácidas. O Hidróxido de sódio possui maior condutividade elétrica e consequentemente vai transportar energia mais rapidamente que o Cloreto de amônio. Esta reação rápida em pilhas básicas proporciona maior vida útil aos seus constituintes.

Produtos da Eletrólise

Eletrólise é todo processo químico não espontâneo provocado por corrente elétrica. Mas o que é necessário para que ela ocorra? A presença de substâncias iônicas, pois elas possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica quando estão em soluções aquosas. A eletrólise provém dessa propriedade iônica, ou seja, é um processo que se baseia na descarga de íons, onde ocorre uma perda de carga por parte de cátions e ânions. Na eletrólise por via aquosa, temos os íons da dissociação iônica do eletrólito, e também cátions e ânions resultantes da autoionização da água. Exemplo: Determine os produtos da eletrólise de uma solução aquosa de Cloreto de Cobre II (CuCl2): CuCl2 → Cu 2+ + 2 Cl- H2O → H+ + OH- Equação de reação global da eletrólise de CuCl2: Cu 2+ + 2 Cl- → Cu0 + Cl2 (g) Os produtos da reação acima são gás cloro Cl2 (g) e Cobre metálico (Cu). Vejamos agora como calcular os produtos da eletrólise de uma solução aquosa de Cloreto de Sódio (NaCl). Neste caso teremos ânions e cátions provindos do NaCl e também da água, já que a solução é aquosa. NaCl → Na+ + Cl- H2O → H+ + OH- Então: 2 H+ + 2 Cl- → H2 (g) + Cl (g) Essa é a equação de reação global da eletrólise de NaCl. Como se vê, os produtos da eletrólise aquosa de cloreto de sódio são: gás hidrogênio: H2(g) e gás cloro: Cl (g). Curiosidade: através da eletrólise do NaCl (aq) é possível obter soda cáustica (hidróxido de sódio – NaOH). A presença de OH- em meio à reação caracteriza a formação de bases. A eletrólise é útil na obtenção de vários produtos, portanto se torna importante na indústria, é usada na produção de metais alcalinos, alcalino-terrosos, gás hidrogênio e gás cloro.

Reações da Eletrólise

A eletrólise é um método usado para obter reações de óxido-redução. Em soluções eletrolíticas o processo se baseia na passagem de uma corrente elétrica através de um sistema líquido que tenha íons presentes, gerando assim reações químicas. As reações na eletrólise podem ocorrer de várias maneiras, depende do estado físico em que estiver a solução que vai ser submetida à reação: pode estar liquefeita (fundida) ou em solução aquosa. Elas se classificam em Eletrólise Ígnea e Semi-reação (catódica ou anódica). Eletrólise ígnea É a eletrólise de um eletrólito no estado fundido. O material, antes de ser eletrolisado, é aquecido até a fusão (vira líquido). Este processo é necessário, veja o porquê: o sólido iônico deve ser liquefeito por aquecimento (fusão), pois no estado líquido os íons têm livre movimento para facilitar a deslocagem até os eletrodos e, aí então, se descarregarem.

Exemplo: Eletrólise ígnea do NaCl. Inicialmente vamos derreter o NaCl (s). NaCl (s) → Na+ (l) + Cl- (l) Haverá a ocorrência de duas semi-reações: Cátodo (-) Na+ + é → Na Ânodo (+) Cl → é 0,5 Cl2 Somando–se algebricamente os três processos ocorridos, temos: NaCl → Na+ + Cl- Na+ + é → Na Cl- → é + 0,5 Cl2 ______________ NaCl → Na + 0,5 Cl2 A eletrólise ígnea do NaCl produz sódio metálico e gás cloro. Observe que neste processo não há presença da água, sendo assim não haverá íons H+ e OH- no sistema.

Semi-reação catódica Os cátions são atraídos pelo cátodo e sofrem redução, isto é, recebem elétrons do eletrodo. Equação geral: Exemplos: Ag+ + e- = Ag Zn2+ + 2e- = Zn Al3+ + 3e- = Al 2 H+ + 2e- = H2 Semi-reação anódica Os ânions são atraídos pelo ânodo e sofrem oxidação, isto é, cedem elétrons ao eletrodo.  Equação geral: Exemplos: 2 Cl- → 2e- + Cl2 2 F- → 2e- + F2 2 Br- → 2e- + Br2

Baterias de níquel-cádmio

Bateria de níquel-cádmio.

A bateria de níquel-cádmio é uma das mais utilizadas em todo o mundo, são elas as responsáveis por manter aparelhos como filmadoras e celulares em funcionamento, e, além disso, podem ser recarregadas milhares de vezes. Dizemos que uma bateria possui este aspecto por que todas as semirreações que ocorrem para seu funcionamento podem acontecer de forma reversível. A energia necessária para a recarga desse tipo de bateria é fornecida por um gerador externo (carregadores). Acompanhe as semirreações que ocorrem no interior da bateria de níquel-cádmio: Polo negativo (ânodo) Cd + 2 OH- → Cd(OH)2 + 2 é (elétrons) Polo positivo (cátodo) NiO2 + 2 H2O + 2 é → Ni (OH)2 + 2 OH- Essa bateria ganhou o mercado por sua grande durabilidade.

Durabilidade de pilhas

O que faz uma pilha ter vida longa?

Pilha é uma definição para os geradores químicos de energia elétrica. Com relação à durabilidade de pilhas surge uma dúvida; o que as mantém em funcionamento e o que as faz parar de funcionar? Com o passar do tempo as pilhas se esgotam e deixam de funcionar, por quê? As pilhas são produto da diferença de potencial (ddp) mantida por um gerador que é movido pelo fluxo de elétrons de um circuito fechado. Após algum tempo a ddp apresenta um valor insuficiente para sustentar uma corrente elétrica e a pilha é considerada esgotada. Surgem então as pilhas recarregáveis, onde as semirreações são reversíveis, ou seja, podem ocorrer em sentido oposto às que ocorrem na pilha em uso, desta forma ganham vida longa. Mas atenção, uma pilha só pode ser recarregada quando todas as suas semirreações forem reversíveis. A pilha não recarregável é descartável, nela só ocorre semirreação não reversível. Mas se uma pilha não é recarregável e parou de funcionar, retire-a de dentro do aparelho para evitar os vazamentos. Estes são decorrentes do rompimento do invólucro de zinco no interior da pilha (polo negativo), o vazamento de uma corrosiva pasta ácida composta de MnO2 (dióxido de manganês) e NH4Cl (cloreto de amônio) danifica os aparelhos eletrônicos. Evite o descarte de pilhas usadas em lixo comum, se este lixo for lançado na natureza vai ocasionar a contaminação do solo e lençóis d’água. Obedecendo a resolução 257 e 263 do CONAMA, você deve devolvê-las ao fabricante ou realizar o descarte em local apropriado: postos de recolhimento de pilhas de sua cidade.

Eletrólise do gás cloro

Sabemos que a Eletrólise é todo processo químico não espontâneo provocado por corrente elétrica, e quanto à Eletrólise aquosa? Esta é a passagem da corrente elétrica através de um líquido condutor, neste caso, este líquido é água. A eletrólise do gás cloro (Cl2) é muito útil, já que é usada na produção de compostos orgânicos clorados e alvejantes, e também para o tratamento de água para consumo e de piscinas. O curioso é que muita gente pensa que o Cloro usado para a desinfecção de águas se encontra em seu estado natural (gasoso), ou seja, da forma que é encontrado na natureza. Se fosse assim, um gás seria lançado na piscina para matar os microorganismos? Nada disso, o cloro usado nesta função se encontra no estado líquido, veja agora o processo que permite transformar Cloro gasoso em Cloro líquido: Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO Essa reação se trata da reação de Cl2 no estado gasoso com água.

Função da Eletrólise

Esquema de eletrólise. 

Eletrólise é todo processo químico não espontâneo provocado por corrente elétrica. Substâncias iônicas possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica quando estão em soluções aquosas. A eletrólise provém dessa propriedade iônica, ou seja, é um processo que se baseia na descarga de íons, onde ocorre uma perda de carga por parte de cátions e ânions. Temos dois tipos de eletrólise: eletrólise ígnea e eletrólise aquosa. A diferença entre elas é que uma ocorre em substância iônica no estado de fusão e outra em solução aquosa. Vejamos: Eletrólise ígnea: Ocorre em altas temperaturas e na ausência de água. Nesse tipo de eletrólise o sólido iônico deve estar liquefeito por aquecimento (fusão), para os íons se deslocarem com mais facilidade até os eletrodos e aí se descarregarem. Isso se explica porque no estado líquido os íons têm livre movimento. Eletrólise aquosa: Nesse caso existem os íons resultantes da dissociação iônica do eletrólito e os íons do meio aquoso que também participam do processo. Esses últimos são íons, no caso cátions H+ e ânions OH-, provenientes da auto-ionização da água. Processo básico de funcionamento da Eletrólise: A eletrólise ocorre em cubas (ou celas) eletrolíticas, com dois eletrodos ligados aos terminais de um gerador de corrente contínua. Cátodo: É o eletrodo negativo que atrai cátions, e é nele que ocorre a redução do cátion. Ânodo: O eletrodo positivo que atrai ânions e, por isso, é aqui que se dá a oxidação do ânion. Nesse processo, os elétrons emergem da pilha (gerador) pelo ânodo (-) e entram na cela eletrolítica pelo cátodo (+), no qual produz a redução, a oxidação ocorre quando os elétrons emergem pelo ânodo e chegam à pilha pelo cátodo.

Pilhas e baterias: uma oxidação útil

Bateria de níquel-cádmio: presente em telefones.

Pilhas e baterias são dispositivos nos quais uma reação espontânea de oxirredução produz corrente elétrica. Não é apropriado saber sobre a aplicação dos vários tipos de pilhas e baterias sem antes saber a diferença entre estes dois dispositivos. A unidade geradora básica é denominada célula (pilha). A tensão fornecida por uma célula pode ser insuficiente para operar os equipamentos, de forma que duas ou mais são associadas em série, formando conjuntos: as baterias. Conheça agora as principais pilhas e baterias juntamente com suas aplicações: - Pilhas alcalinas comuns: tem como base os elementos zinco/manganês. São utilizadas para dar vida aos brinquedos, luz às lanternas, som aos rádios, autonomia aos controles remotos, entre outros. - As chamadas pilhas especiais de níquel-metal-hidreto e de íons de lítio foram produzidas especialmente para o uso em filmadoras e notebooks. - A pilha especial de zinco ar é usada para dar audição aos surdos, ela faz funcionar os aparelhos auditivos. - As pilhas do tipo botão miniatura são aquelas encontradas em calculadoras, equipamentos fotográficos, relógios, sistemas de segurança e alarmes. As baterias quando não são mais utilizadas devem ser descartadas, mas não em qualquer lugar. De acordo com a resolução 257 e 263 do CONAMA, você deve devolvê-las ao fabricante. Bateria de óxido de mercúrio: utilizada em instrumentos de navegação e aparelhos de medição e controle. Baterias de níquel-cádmio: são as recarregáveis, podemos encontrá-las no telefone celular, telefone sem fio, rádios, barbeadores, etc. Elas possuem a vantagem da recarga, o que prolonga a vida útil.

Purificação de metais através da Eletrólise

Alguns metais não são encontrados livres na natureza, sendo preciso obtê-los através de procedimentos em laboratório. Um dos métodos eficazes e econômicos de se purificar metais é através da Eletrólise. A eletrólise ocorre em células eletrolíticas, com dois eletrodos ligados aos terminais de um gerador de corrente contínua. Sabe-se que em uma célula eletrolítica existe um cátodo e um ânodo, veja a definição para cada um: Cátodo: É o eletrodo negativo que atrai cátions, e é nele que ocorre a redução do cátion. Ânodo: O eletrodo positivo que atrai ânions e, por isso, é aqui que se dá a oxidação do ânion.

Demonstração de ânodo e cátodo.

Purificação do Cobre O Cobre da forma como é encontrado na natureza possui impurezas, como prata, ferro, ouro, zinco. Através da eletrólise é possível isolar este metal obtendo-o na forma pura, acompanhe o processo: - O cobre impuro funciona como ânodo e uma solução aquosa de sulfato de cobre funciona como eletrólito, esta fica dentro da célula eletrolítica. O cátodo da célula é o próprio Cobre em alto grau de pureza. - O Cobre é transferido do ânodo para o cátodo enquanto que as impurezas ficam em solução. O Cobre no estado puro se acumula no cátodo e desta forma pode ser utilizado.

Por que pilhas usadas são lixos tóxicos?

Pilhas contêm elementos tóxicos.

Muita gente não tem conhecimento que pode estar armazenando em suas próprias casas um poderoso lixo tóxico: pilha usada. A situação se agrava se considerarmos a quantidade de equipamentos que possuímos e que funcionam à base de pilhas, como por exemplo: rádios, relógios, máquinas fotográficas, calculadoras eletrônicas, filmadoras e agora nossos inseparáveis celulares.O pior é que as pilhas modernas trazem o problema agravado, são as que possuem mais contaminantes, são elas: Baterias de chumbo (SLA), botão de mercúrio, baterias de Níquel-Cádmio (NiCd). Mas o que exatamente contêm nestas pilhas que as tornam tão perigosas? Mercúrio, Cádmio e Chumbo são chamados de metais pesados, foram batizados assim porque apresentam alta periculosidade ao homem, ou seja, são tóxicos. Quando as pilhas são descartadas e acumuladas em nossas residências, estamos criando uma verdadeira área de risco, rica em metais perigosos. A pilha usada costuma vazar um líquido contido em seu interior, que é rico em metais tóxicos - os mencionados acima.Entre os males provocados pelo contato com metais pesados estão: doenças nos rins, pulmão, ataque ao sistema nervos central e ainda câncer.

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