Baixe 04 - Eletroquímica - Eletrólise e outras Notas de estudo em PDF para Química Industrial, somente na Docsity!
Figura 1: Esquema de eletrólise
Eletroquímica – Eletrólise
1 – INTRODUÇÃO
Eletrólise é um processo que separa os elementos químicos de um composto através do uso da eletricidade. De maneira sumária, procede-se primeiro à decomposição (ionização ou dissociação) do composto em íons e, posteriormente, com a passagem de uma corrente contínua através de uma solução que contém estes íons, são obtidos os respectivos elementos químicos. Em muitos casos, dependendo da substância a ser eletrolisada e do meio em que este processo ocorre, além de formar elementos pode ocorrer, também, a formação de novos compostos. O processo da eletrólise é uma reação de oxirredução oposta àquela que ocorre numa célula galvânica (pilha), sendo, portanto, um fenômeno físico-químico não espontâneo. Assim como em uma pilha, no processo de eletrólise, há, obrigatoriamente, uma espécie química que sofre oxidação e outra que sofre redução. No ânodo, há migração do ânion e ocorrerá a oxidação destas espécies. No cátodo, há migração dos cátions e ocorrerá redução destas espécies. Porém, inversamente à pilha, na eletrólise, o pólo positivo (+) é o ânodo e o pólo negativo (–) é o cátodo. Vide Figura 1. As reações de oxirredução podem ser escritas como semi-reações de oxidação (ânodo) e de redução (cátodo). Na eletrólise de uma solução salina de Na 2 SO 4 por exemplo, as semi-reações químicas podem ser escrita como: No ânodo (+): 4OH-(aq) --> O2(g) + 2H 2 O + 4ē No cátodo (–): 4H 2 O(l) + 4ē --> 2H2(g) + 4OH-(aq) A equação global será: 2H 2 O(l) --> 2H2(g) + O2(g) No ânodo, a solução ficará menos básica e, no cátodo, a solução ficará mais básica. Estes fatos serão observados com a utilização de indicadores ácido-base[1]
[1] São substâncias halocrômicas, ou seja, possuem diferentes cores em função do pH. Ver material suplementar
Através de dados obtidos da eletrólise da água é possível obter o valor da constante de Avogadro[2], cujo valor é de 6,02214 x 10^23 mol-1^ e é uma das mais importantes constantes físico-químicas, fundamental para o entendimento de vários conceitos em química. O uso mais difundido da constante de Avogadro trata do número de átomos/íons contidos em um mol de uma determinada substância. Experimentalmente, esta constante pode ser obtida através de métodos como eletrólise, emissões radioativas, raios X, entre outros. Portanto, pode se calcular a constante de Avogadro utilizando-se das seguintes fórmulas, constantes e conversões:
pV = nRT e Q = i x t e Nē = Q/ē e NA = Nē/nē
onde: p = pressão atmosférica (Pa); V = Volume do gás (m^3 ); n = # mol do gás (mol); R = constante dos gases (8,3145 J/Kmol); T= temperatura (K); t = tempo (s); i = corrente elétrica em (A); Q = Quantidade de energia elétrica (C); nē = # mol de elétrons (mol); ē = carga do elétron (C); Nē = # de elétrons(u.a.); NA = Cte de Avogadro (mol-1)
conversões:1 atm = 760 mmHg = 101.325Pa; 1,0 mL = 1,0 m^3 ; K = 273,15+oC
[2] Lorenzo Romano Amedeo Carlo Bernadette Avogadro di Quaregna e Cerreto, (09/08/1776 – 09/07/1856), Turin, Itália.
Preencha as provetas com solução de Na 2 SO 4 0,1 mol L-1^ e „feche‟-as com algodão e com os fios de cobre. A seguir, coloque as provetas de modo invertido dentro do béquer como descrito no esquema abaixo.
Importante: Dentro das provetas não deve haver bolhas de ar e os fios nunca devem ficar fora das soluções.
Esquema da montagem do experimento de eletrólise
4.1. Eletrólise com fios de Cobre: Conecte o fio de cobre preto no terminal (–) da Fonte de Tensão. A seguir, conecte o fio de cobre vermelho no terminal (+) e, imediatamente, acione o cronômetro. Verifique e anote os valores da DDP, em Volts e da Corrente, em A. Estes valores, especialmente o da corrente, podem variar, caso isto ocorra anote os novos valores de acordo com o tempo. O experimento deve ocorrer por 1 minuto apenas. A solução contida no eletrodo positivo deve ser descartada em frasco apropriado, e o restante da solução pode ser reutilizado.
4.2. Eletrólise com fio de Cobre e eletrodo de grafite a) Sem indicadores ácido-base : Lave na pia todo o material utilizado. Novamente, preencha uma proveta com solução de Na 2 SO 4 0,10 mol L- (^1) e „feche‟-a com algodão. Na proveta, coloque o fio preto de cobre. A seguir, coloque a proveta de modo invertido dentro do béquer. Conecte o fio preto no terminal (–) da Fonte de Tensão e o terminal (+) da fonte ligado no eletrodo de grafite. Mergulhe o eletrodo de grafite na solução. Imediatamente, acione o cronômetro. Verifique e anote os valores da DDP e de Corrente. Caso ocorra variação da corrente, anote os novos valores de acordo com o tempo. O experimento deve ocorrer até a formação de 5 mL de H2(g). A solução de Na 2 SO 4 0,10 mol L-1^ contém os indicadores fenolftaleína e timolftaleína. Esta solução deve ter a cor inicial rosa.
Tabela 1: Dados experimentais da eletrólise Volume (mL) Tempo (s) Corrente (A) Cte Avogadro 5, 5, 5,
QUESTÕES
- Escreva as semi-reações e as reações globais que ocorrem nos pólos (+) e (-) dos experimentos 4.1; 4.2.
- Calcule a constante de Avogadro com os valores obtidos e compare com o valor da literatura.
- A corrente da fonte de tensão foi ajustada para 500 mA. No entanto, durante a eletrólise, o valor da corrente observado está abaixo do valor inicial. Explique esta diferença.
REFERÊNCIA
- QUÍMICA – A Ciência Central”, Brown, LeMay e Bursten, 9ª Ed. Pearson, Cap.20 “Eletroquímica”
- Química Nova na Escola, #3, maio/1996, “Constante de Avogadro – É simples determiná-la em sala de aula”, por Gerson de Souza Mól; Geraldo A.Luzes Ferreira; Roberto Ribeiro da Silva; Hércules F.Laranja.
DESCARTE DE RESÍDUOS:
A solução de sulfato de sódio será reutilizada e não deve ser descartada, apesar de ser inócua ao meio ambiente e poder ser descartada diretamente na pia, com excesso de água corrente. Os gases O 2 e H 2 , nas quantidades obtidas, são também inócuos e podem ser liberados mesmo dentro do laboratório. A solução de sulfato de cobre gerada durante a eletrólise no item 4.1 pode ser descartada diretamente na pia, com excesso de água, pois a concentração de íons Cu2+(aq) é muito baixa.
Timolftaleína
Nome IUPAC: 3,3-bis(4-hidroxi-2-metil- 5- propan-2-ilfenil)- 2-benzofuran-1-one Fórmula molecular: C 28 H 30 O 4 ; Massa Molar: 430,53 g mol-1; P.Fusão: 253oC. pH < 9,3 --> incolor; pH > 10,5 --> azul intenso
Estrutura molecular
Outros Indicadores:
