Slides sobre células eletrlíticas e eletrólise, Slides de Engenharia Elétrica

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II – – INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

 ELETRÓLISEELETRÓLISE :: ReaçãoReação dede oxidaçãooxidação--redução,redução, nãonão espontânea,espontânea, impulsionadaimpulsionada porpor umauma fontefonte dede energiaenergia elétricaelétrica..  CÉLULA (ou CUBA) ELETROLÍTICA :: DispositivoDispositivo ondeonde sese operaopera umauma eletróliseeletrólise.. Exemplo: Eletrólise de cloreto de sódio fundido Fonte de voltagem e-^ e- Exemplo: Eletrólise de + - cloreto de sódio fundido Cl

• Na + Fonte de voltagem 2Cl

 Cl2 (g) + 2 e

2Na+^ + 2 e-^  2Na(l) NaClNaCl fundidofundido Anodo Catodo

 AA eletroreduçãoeletroredução dede umum solutosoluto nana águaágua concorreráconcorrerá comcom aa reaçãoreação dede eletroreduçãoeletroredução dada própriaprópria águaágua.. ExemploExemplo:: NãoNão éé possívelpossível obterobter sódiosódio metálicometálico porpor reduçãoredução dodo íoníon NaNa ++ emem soluçãosolução aquosaaquosa.. REDUÇÃOREDUÇÃO DADA ÁGUAÁGUA:: 22 HH 22 OO(l)(l) ++ 22 ee

• •  HH 22 g)g) ++ 22 OHOH
    • (aq)(aq) EE°°^ ==^ - -^00 ,,^8383 VV REDUÇÃOREDUÇÃO DODO ÍONÍON SÓDIOSÓDIO:: NaNa ++ (aq)(aq) ++^ ee

 NaNa(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 7171 VV UmaUma análiseanálise dosdos potenciaispotenciais dede eletrodoeletrodo mostramostra queque aa reduçãoredução dada água,água, parapara produzirproduzir hidrogênio,hidrogênio, éé maismais favorávelfavorável dodo pontoponto dede vistavista termodinâmico,termodinâmico, queque aa reduçãoredução dodo íoníon sódiosódio emem sódiosódio metálicometálico..

IIII – – ELETRÓLISE EM SOLUÇÕES AQUOSASELETRÓLISE EM SOLUÇÕES AQUOSAS

 AA eletroreduçãoeletroredução dede umum solutosoluto nana águaágua concorreráconcorrerá comcom aa reaçãoreação dede eletroreduçãoeletroredução dada própriaprópria águaágua.. ExemploExemplo:: NãoNão éé possívelpossível obterobter sódiosódio metálicometálico porpor reduçãoredução dodo íoníon NaNa ++ emem soluçãosolução aquosaaquosa.. REDUÇÃOREDUÇÃO DADA ÁGUAÁGUA:: 22 HH 22 OO(l)(l) ++ 22 ee

• •  HH 22 g)g) ++ 22 OHOH
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 NaNa(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 7171 VV UmaUma análiseanálise dosdos potenciaispotenciais dede eletrodoeletrodo mostramostra queque aa reduçãoredução dada água,água, parapara produzirproduzir hidrogênio,hidrogênio, éé maismais favorávelfavorável dodo pontoponto dede vistavista termodinâmico,termodinâmico, queque aa reduçãoredução dodo íoníon sódiosódio emem sódiosódio metálicometálico..

 Igualmente,Igualmente, aa eletrooxidaçãoeletrooxidação dede umum solutosoluto nana águaágua concorreráconcorrerá comcom aa reaçãoreação dede eletrooxidaçãoeletrooxidação dada própriaprópria águaágua.. ExemploExemplo:: oxidaçãooxidação dodo íoníon cloretocloreto parapara formarformar clorocloro OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO DADA ÁGUAÁGUA:: 22 HH 22 OO(l)(l)  44 HH ++ (aq)(aq) ++^ OO 22 (g)(g) ++^44 ee

• • EE°° == ++ 11 ,, 2323 VV OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO DODO ÍONÍON CLORETOCLORETO:: 22 ClCl

(aq)(aq) ^ ClCl 22 (g)(g) ++^22 ee

EE°° == ++ 11 ,, 3636 VV UmaUma análiseanálise puramentepuramente termodinâmicatermodinâmica levarialevaria aa acreditaracreditar queque aa oxidaçãooxidação dodo íoníon cloretocloreto éé impraticávelimpraticável emem meiomeio aquosoaquoso.. Porém,Porém, aa oxidaçãooxidação dada águaágua éé umauma reaçãoreação lenta,lenta, queque requerrequer umum potencialpotencial maismais elevadoelevado parapara ocorrerocorrer.. EsseEsse potencialpotencial suplementar,suplementar, usadousado parapara compensarcompensar efeitosefeitos cinéticoscinéticos éé chamadochamado dede sobretensãosobretensão .. ComoComo aa sobretensãosobretensão necessárianecessária parapara aa produçãoprodução dodo oxigêniooxigênio aa partirpartir dada águaágua éé alta,alta, oo clorocloro gasosogasoso seráserá produzidoproduzido nono anodoanodo ee nãonão oo oxigêniooxigênio..

IIII – – ELETRÓLISE EM SOLUÇÕES AQUOSASELETRÓLISE EM SOLUÇÕES AQUOSAS

 Igualmente,Igualmente, aa eletrooxidaçãoeletrooxidação dede umum solutosoluto nana águaágua concorreráconcorrerá comcom aa reaçãoreação dede eletrooxidaçãoeletrooxidação dada própriaprópria águaágua.. ExemploExemplo:: oxidaçãooxidação dodo íoníon cloretocloreto parapara formarformar clorocloro OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO DADA ÁGUAÁGUA:: 22 HH 22 OO(l)(l)  44 HH ++ (aq)(aq) ++^ OO 22 (g)(g) ++^44 ee

• • EE°° == ++ 11 ,, 2323 VV OXIDAÇÃOOXIDAÇÃO DODO ÍONÍON CLORETOCLORETO:: 22 ClCl

(aq)(aq) ^ ClCl 22 (g)(g) ++^22 ee

EE°° == ++ 11 ,, 3636 VV UmaUma análiseanálise puramentepuramente termodinâmicatermodinâmica levarialevaria aa acreditaracreditar queque aa oxidaçãooxidação dodo íoníon cloretocloreto éé impraticávelimpraticável emem meiomeio aquosoaquoso.. Porém,Porém, aa oxidaçãooxidação dada águaágua éé umauma reaçãoreação lenta,lenta, queque requerrequer umum potencialpotencial maismais elevadoelevado parapara ocorrerocorrer.. EsseEsse potencialpotencial suplementar,suplementar, usadousado parapara compensarcompensar efeitosefeitos cinéticoscinéticos éé chamadochamado dede sobretensãosobretensão .. ComoComo aa sobretensãosobretensão necessárianecessária parapara aa produçãoprodução dodo oxigêniooxigênio aa partirpartir dada águaágua éé alta,alta, oo clorocloro gasosogasoso seráserá produzidoproduzido nono anodoanodo ee nãonão oo oxigêniooxigênio..

 AA reduçãoredução dede metaismetais alcalinosalcalinos ee alcalinoalcalino--terrososterrosos puros,puros, aa partirpartir dede seusseus sais,sais, nãonão podepode serser realizadarealizada emem soluçãosolução aquosa,aquosa, poispois osos potenciaispotenciais dede reduçãoredução dosdos íonsíons destesdestes metaismetais sãosão inferioresinferiores aoao potencialpotencial dede reduçãoredução dada águaágua (Eº(Eº == - - 00 ,, 8383 V)V).. NaNa ++ (aq)(aq) ++^ ee

• •  NaNa(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 7171 VV MgMg ++++ ++ 22 ee

 MgMg(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 3737 VV AlAl ++++++ ++ 33 ee

 AlAl(s)(s) EE°° == - - 11 ,, 6666 VV AA obtençãoobtenção dosdos metaismetais purospuros éé conseguidaconseguida porpor eletróliseeletrólise dosdos saissais fundidosfundidos destesdestes metais,metais, meiomeio nono qualqual osos íonsíons metálicosmetálicos sãosão maismais facilmentefacilmente redutíveisredutíveis..

IIIIII – – ELETRÓLISE DE ELETRÓLITOS FUNDIDOSELETRÓLISE DE ELETRÓLITOS FUNDIDOS

 AA reduçãoredução dede metaismetais alcalinosalcalinos ee alcalinoalcalino--terrososterrosos puros,puros, aa partirpartir dede seusseus sais,sais, nãonão podepode serser realizadarealizada emem soluçãosolução aquosa,aquosa, poispois osos potenciaispotenciais dede reduçãoredução dosdos íonsíons destesdestes metaismetais sãosão inferioresinferiores aoao potencialpotencial dede reduçãoredução dada águaágua (Eº(Eº == - - 00 ,, 8383 V)V).. NaNa ++ (aq)(aq) ++^ ee

• •  NaNa(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 7171 VV MgMg ++++ ++ 22 ee

 MgMg(s)(s) EE°° == - - 22 ,, 3737 VV AlAl ++++++ ++ 33 ee

 AlAl(s)(s) EE°° == - - 11 ,, 6666 VV AA obtençãoobtenção dosdos metaismetais purospuros éé conseguidaconseguida porpor eletróliseeletrólise dosdos saissais fundidosfundidos destesdestes metais,metais, meiomeio nono qualqual osos íonsíons metálicosmetálicos sãosão maismais facilmentefacilmente redutíveisredutíveis..

EXEMPLOEXEMPLO:: obtençãoobtenção dede sódiosódio metálicometálico porpor eletróliseeletrólise dede NaClNaCl fundidofundido..

IIIIII – – ELETRÓLISE DE ELETRÓLITOS FUNDIDOSELETRÓLISE DE ELETRÓLITOS FUNDIDOS

REAGENTES: 1 mol NaCl para 3 mol de CaCl 2 Temperatura de fusão da mistura Baixa de 800 C para 600 C . CONDIÇÕES OPERACIONAIS 25 – 40 KA e 7 – 8 volts Célula de Downs para produção industrial de sódio REAGENTES: 1 mol NaCl para 3 mol de CaCl 2 Temperatura de fusão da mistura Baixa de 800 C para 600 C . CONDIÇÕES OPERACIONAIS 25 – 40 KA e 7 – 8 volts

IVIV – – LEIS DE FARADAYLEIS DE FARADAY

 AA quantidadequantidade dede substânciasubstância produzidaproduzida emem umauma eletróliseeletrólise éé frequentementefrequentemente inferiorinferior àà quantidadequantidade previstaprevista pelaspelas LeisLeis dede FaradayFaraday.. AA razãorazão entreentre aa massamassa teóricateórica previstaprevista ee aa massamassa realmenterealmente obtidaobtida nana eletrólise,eletrólise, expressaexpressa emem porcentagemporcentagem éé chamadachamada dede RENDIMENTORENDIMENTO FARADAICOFARADAICO (()) ..  = (massa prevista/massa obtida) x 100= (massa prevista/massa obtida) x 100 RendimentosRendimentos faradaicosfaradaicos típicostípicos situamsituam--sese nana faixafaixa dede 9090 %%..  AA quantidadequantidade dede substânciasubstância produzidaproduzida emem umauma eletróliseeletrólise éé frequentementefrequentemente inferiorinferior àà quantidadequantidade previstaprevista pelaspelas LeisLeis dede FaradayFaraday.. AA razãorazão entreentre aa massamassa teóricateórica previstaprevista ee aa massamassa realmenterealmente obtidaobtida nana eletrólise,eletrólise, expressaexpressa emem porcentagemporcentagem éé chamadachamada dede RENDIMENTORENDIMENTO FARADAICOFARADAICO (()) ..  = (massa prevista/massa obtida) x 100= (massa prevista/massa obtida) x 100 RendimentosRendimentos faradaicosfaradaicos típicostípicos situamsituam--sese nana faixafaixa dede 9090 %%..  EXEMPLOEXEMPLO:: CalculeCalcule aa massamassa dede magnésiomagnésio queque deveriadeveria serser obtidaobtida nana eletróliseeletrólise dede cloretocloreto dede magnésiomagnésio fundido,fundido, pelapela passagempassagem dede umauma correntecorrente dede 5050 A,A, durantedurante 22 horashoras.. SabendoSabendo queque aa massamassa dede magnésiomagnésio obtidaobtida foifoi igualigual aa 4343 ,, 00 g,g, calculecalcule oo rendimentorendimento faradaicofaradaico dodo processoprocesso..