Eletromagnetismo. Eletrólitos e a Eletrólise

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1 Eletromagnetismo Eletrólitos e a Eletrólise

2 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 1 Conquanto os metais sejam os condutores de eletricidades mais práticos, no que diz respeito ao seu uso, e por isso mais comuns, é importante lembrar que existem outros condutores. Neste capítulo, vamos tratar de condutores (em geral, líquidos) conhecidos como eletrólitos. Um eletrólito é um material cuja capacidade de condução de eletricidade deriva da existência, na sua composição, de íons livres que participam do processo da condução conhecida. Tal processo recebe o nome de condução eletrolítica. Os eletrólitos são compostos iônicos (ácidos, bases ou sais). Quando dissolvidos em solventes apropriados, os compostos iônicos se dissociam em íons tornando-se assim soluções iônicas. Tais soluções possibilitam o movimento desses íons mediante a aplicação de um campo elétrico no interior delas. Uma aplicação prática das soluções eletrolíticas é a eletrólise. Mediante a passagem de uma corrente através de tais soluções, podemos promover a separação de um composto em seus elementos constituintes. São muitas as aplicações práticas desse processo. Algumas dessas aplicações serão discutidas neste capítulo. Eletrólitos Em termos simples, podemos dizer que um eletrólito é um tipo de material que, quando dissolvido em água, se torna condutor. Em geral, os eletrólitos são soluções de ácidos, bases ou sais, diluídas num solvente (em geral, água). Por isso, recebem o nome de soluções iônicas. No entanto, é possível encontrarmos eletrólitos sólidos e também gasosos. Soluções eletrolíticas podem resultar da dissolução de polímeros sintéticos e polímeros biológicos (como o DNA e polipeptídeos). Um exemplo bastante simples e ilustrativo é o sal de cozinha. Quando diluído em água acontece a dissociação eletrolítica que, nesse caso, pode ser resumida da seguinte forma: NaCl (s) Na + + Cl ( 1 ) isto é, o sal de cozinha ficou dissociado formando dois conjuntos de íons. O íon Cloro e o íon Sódio. Mediante um campo elétrico aplicado, cada um dos íons se moverá em sentidos opostos. Assim, a condução nos eletrólitos não é do mesmo tipo da condução nos metais. Nos eletrólitos, a corrente é constituída pelo movimento dos dois tipos de íons e em sentidos opostos. O número de íons positivos é rigorosamente igual ao número de íons negativos.

3 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 2 Dependendo da fração do soluto que se dissocia para formar íons livres, podemos classificar o eletrólito como forte (quando essa fração é alta) ou fraca (quando a fração é menor que 50%) Cátions e Ânions Os íons são classificados em duas categorias: cátions (os íons positivos) e ânions (os íons negativos). A cada tipo de íon é associado um certo número de sinais positivos (no caso dos cátions) ou um certo número de sinais negativos (no caso dos ânions) para indicar a sua valência. A valência de um ânion indica o número de elétrons que ele possui em excesso, tomando como base o átomo neutro. Esse número é o número de sinais positivos atribuídos aos ânions. Analogamente, a valência de um ânion indica o número de elétrons que lhe falta para que ele se transforme em um átomo neutro. A partir do que foi convencionado acima, um cátion é indicado pelo símbolo do elemento químico, seguido da valência indicada pelo número de sinais positivos. O mesmo se aplica aos ânions, mas com sinais negativos. Os ânions do sódio, cobre, cloro e flúor são indicados assim: Na +, Cu ++, Cl, F. Nessa notação, a dissociação eletrolítica do ácido sulfúrico é representada da seguinte forma: H 2 SO 4 2H + + SO 4 ( 2 ) Dissociação Eletrolítica A explicação para o mecanismo da condução no caso dos eletrólitos foi provida pela primeira vez por Svante Arrhenius. Lembremo-nos em primeiro lugar de um aspecto muito importante das ligações iônicas. Como apontado anteriormente, no capítulo Eletricidade da Matéria: Materiais Condutores, nesse tipo de composto a força elétrica desempenha um papel fundamental. Na verdade, as ligações iônicas resultam da atração elétrica entre cátions e ânions, constituindo a molécula. Tendo em vista que nessas ligações a força elétrica é de fundamental importância, para separar os íons há a necessidade de fazer com que essa força fique consideravelmente mais reduzida. E isso é possível se o meio no qual o composto estiver for um meio dielétrico. Já estudamos no

4 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 3 capítulo (00) que, num meio dielétrico, o campo elétrico é reduzido por um fator que é igual à constante dielétrica. Esse é exatamente o caso da água. Ela tem uma constante dielétrica que é 80 vezes maior que a constante dielétrica do ar. Consequentemente, a força eletrostática fica 80 vezes menor quando o composto está imerso na água. Esse enfraquecimento da força eletrostática acarreta a separação dos íons. Essa separação dos íons é a dissociação eletrolítica. A Condução nos Eletrólitos Uma vez obtida uma solução de sal (ou ácido, ou base), podemos gerar uma corrente elétrica que passe através da solução. Para isso, introduzimos primeiramente dois eletrodos. Um eletrodo é um condutor elétrico utilizado para se fazer contato com alguma parte metálica de um circuito. Imaginemos agora que esses eletrodos estejam ligados aos polos de um gerador (veja figura). O eletrodo ligado ao polo negativo do gerador recebe o nome de Cátodo, enquanto o eletrodo ligado ao polo positivo é denominado Ânodo. Antes de acionarmos o gerador, os íons dissociados formavam uma sopa de íons. Eles se movimentam, no entanto, sem terem qualquer direção preferencial. Com a introdução de uma força eletromotriz, gera-se um campo elétrico no interior da solução, cujo sentido é o do ânodo para o cátodo. Esse campo fará com que os íons negativos se movimentem em direção ao ânodo, ao mesmo tempo que fará com que os íons positivos se dirijam em direção ao cátodo. Esse movimento de íons em sentidos opostos forma a corrente elétrica. Consequentemente, a solução passa a conduzir a eletricidade. O dado interessante desse processo de condução é o fato de que ele acaba sendo um processo autossustentado. Isso ocorre porque os elétrons que são cedidos ao ânodo são enviados, através

5 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 4 desse eletrodo, para o gerador. O papel do gerador é enviá-los para o cátodo através do fio metálico. No cátodo, os elétrons são assimilados pelos íons positivos. Ao receberem esses elétrons, esses íons se transformam em átomos neutros. Assim, nos fios metálicos, a corrente é uma corrente de elétrons que são retirados dos ânions e repassados para cátions. Esse processo é ilustrado nas figuras abaixo, nas quais consideramos a dissociação eletrolítica do cloreto de sódio. As propriedades dos eletrólitos acabam sendo de grande utilidade no processo de separação de elementos constituintes de compostos. Isso é possível desde que possamos obter uma solução desses compostos. Eletrólise A eletrólise é um processo no qual ocorre, mediante a passagem de uma corrente elétrica através de uma solução, a decomposição de compostos em seus elementos químicos constituintes. Geralmente, a solução consiste de um composto iônico dissolvido numa solução aquosa. A corrente separa os constituintes do composto em íons positivos e íons negativos. No processo da eletrólise, ocorre o depósito de uma substância no cátodo e de outra substância no ânodo. Nisso consiste o processo de separação. O termo eletrólise se aplica às vezes para designar um processo industrial. Nesse processo extraem-se determinados elementos constituintes de uma solução mediante a passagem de uma corrente elétrica através da solução. A eletrólise foi descoberta por Faraday. O seu nome significa quebra ou rompimento mediante eletricidade. A partir dos estudos da eletrólise Faraday descobriu duas leis importantes. A quantidade de um elemento que é formado no processo da eletrólise é diretamente proporcional à intensidade da corrente que passa através da solução aquosa. Os pesos das substâncias depositadas pela passagem da mesma corrente são proporcionais às suas valências químicas.

6 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 5 Aos transportadores de carga ele deu o nome de íons e a eles Faraday associou um átomo ou conjunto de átomos. Os íons seriam os átomos da eletricidade. Os íons de carga negativa se dirigiam para o ânodo ao passo que os de carga positiva se dirigiam para o cátodo. Assim, na visão de Faraday, os íons seriam os transportadores de uma certa quantidade de eletricidade. Veremos agora que as duas leis podem ser deduzidas facilmente a partir da hipótese atomística da constituição da matéria. Seja M a massa do elemento depositado num dos eletrodos, n o número de íons depositados, e m a massa de cada um deles, então, podemos escrever, independentemente de qualquer lei, mas imaginando a matéria composta por átomos, que: M = mn ( 3 ) E que a carga elétrica depositada no eletrodo num certo intervalo de tempo será dada por: Q Q= nze () n = ez ( 4 ) onde z é a valência do íon e (e) é a carga do elétron. De acordo com a definição de átomo-grama (A), temos que: A = mn 0 ( 5 ) onde N é o número de Avogadro. Assim, a partir da teoria atômica da matéria, concluímos que a massa depositada será dada por: M en A z Q = 1 0 ( 6 ) Para uma corrente constante temos que, num intervalo de tempo t, foi depositada uma carga Q, a qual é proporcional ao tempo e à corrente. Para cargas negativas escrevemos: Q = I t ( 7 )

7 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 6 Portanto, a massa depositada no eletrodo será dada pela expressão: Donde se infere, a partir da estrutura atômica da matéria, as duas leis de Faraday. Na realidade, o processo foi o inverso. Faraday defendia, a partir das suas leis, a teoria. M A = e N ( ) 0 I z t ( 8 ) A unidade Faraday O produto do módulo da carga elétrica ( e) pelo número de Avogadro N 0 define uma unidade de carga elétrica definida como o Faraday: 1F = ( e)n 0 ( 9 ) Tomando-se os valores conhecidos para essas grandezas físicas obtemos que sua expressão em Coulombs é: 1F = C ( 10 ) Os aparelhos nos quais se estuda a eletrólise são chamados voltâmetros. Eles são constituídos, basicamente, por uma cuba na qual introduzimos dois eletrodos (de platina, por exemplo). Uma fonte de corrente contínua (geralmente, uma bateria) provê a corrente necessária. Duas provetas são utilizadas para o recolhimento dos subprodutos da eletrólise na fase gasosa. A figura ao lado é a fotografia de um voltâmetro com os eletrodos já soldados no fundo. Veem-se também duas provetas para recolhimento dos gases.

8 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 7 Eletrólise da Água É o processo mediante o qual é possível decompor a água em seus elementos constituintes: oxigênio e hidrogênio. A passagem de uma corrente elétrica dissocia a molécula da água nos íons do hidróxido OH (OH ) e do Hidrogênio (H + ). O cátodo, sendo o eletrodo negativo, é equivalente a um excesso de elétrons; consequentemente, substâncias em contato com ele têm a tendência de ganhar elétrons (reações conhecidas como de redução). No caso da água em contato com o cátodo, os íons de hidrogênio aceitam elétrons no cátodo, provocando uma reação de redução e formando, no cátodo, o gás hidrogênio: 2H 2 O(l) + 2e H 2 (g) + 2OH (aq) ( 11 ) Hoffman voltameter used to electrolyze water. O ânodo, sendo o eletrodo positivo, é equivalente a um déficit de elétrons. Assim, substâncias em contato com ele tendem a perder elétrons em reações de oxidação. Assim, no caso da água em contato com o ânodo, os íons do hidróxido sofrem uma reação de oxidação, na qual elétrons são liberados para completar o circuito: 2H 2 O(l) O 2 (g) + 4H + (aq) + 4e ( 12 ) O resultado das duas reações é a decomposição da água em seus constituintes Hidrogênio e Oxigênio: 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) ( 13 ) Em cada um dos polos (o cátodo e o eletrodo), os elétrons são ou absorvidos (no cátodo) ou liberados, formando em cada um deles uma porção do elemento desejado. Como resultado das expressões acima ocorre que o número de moléculas de hidrogênio é o dobro do número de moléculas de oxigênio. Os volumes ocupados vão na mesma proporção.

9 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 8 Célula de Hidrogênio Combustível A produção de hidrogênio a partir da água permite a utilização do hidrogênio como um combustível do futuro. O fato de ser proveniente da água, que é abundante no planeta, seria mais uma vantagem dessa fonte de energia. A base para a utilização do hidrogênio como combustível é a célula de hidrogênio combustível. A célula viabiliza a combinação de hidrogênio com o oxigênio com a produção, no processo, de energia elétrica. Transforma-se, assim, numa esperança para a produção de energia elétrica no futuro. O esquema de uma célula é apresentado na figura ao lado. A célula combustível faz uso de reações químicas, as quais permitem a geração de uma corrente, que é suprida de forma contínua pelos gases do hidrogênio e do oxigênio. O único subproduto é a água. A combinação de dois moles de hidrogênio com um mol de oxigênio produz um mol de moléculas de água. Nesse sentido, pode-se dizer que na célula ocorre o processo inverso da eletrólise. O resultado é uma fonte limpa de energia (por ser não poluente). A célula combustível de hidrogênio está cercada de grande interesse comercial. Íons na Eletrólise Podemos prever o movimento dos íons na eletrólise dos ácidos, das bases e dos sais, de acordo com o esquema ao lado. Considerando-se apenas a fase inicial do processo da eletrólise, o resumo do esquema apresentado acima é o seguinte: Um sal se dissocia em um íon metálico (o qual se deposita no ânodo) e num radical ácido (o qual fica depositado no cátodo). Um ácido se dissocia em um íon de hidrogênio e um radical ácido. Uma base sempre se dissocia em um íon metálico e o radical (básico) hidroxila OH.

10 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 9 Aplicações da eletrólise Galvanoplastia A galvanoplastia é um processo mediante o qual se procura recobrir um metal barato com um metal mais nobre e de melhor aparência. É uma forma de produzir um material bonito e mais barato do que se ele fosse todo constituído do material mais nobre. Os processos mais utilizados envolvem um metal como níquel, cromo, ouro e prata para recobrir. O ponto de partida do processo consiste em preparar uma solução contendo um sal do metal com o qual se pretende recobrir outro metal menos nobre. Para depositar um determinado metal sobre um objeto faz-se o seguinte: prepara-se uma solução que envolva um sal desse metal. De acordo com o esquema apresentado acima, o sal se dissocia em um radical ácido mais um íon metálico. Usa-se como ânodo uma barra desse metal, e como cátodo o próprio objeto sobre o qual o metal deve ser depositado. O ânodo é ligado ao polo positivo de um gerador de uns 5 ou 6 volts e o objeto, que se quer recobrir com o precioso metal, é ligado ao polo negativo. Com a passagem da corrente, o íon metálico, que é positivo, se dirige para o cátodo, que é o próprio objeto a ser recoberto, e se deposita nele (no objeto). O íon ácido, que é carregado negativamente, se dirige em direção ao ânodo. No ânodo, o íon ácido reage com o metal, formando assim o sal primitivo. Raciocínio análogo se aplica para uma solução envolvendo um ácido desse metal. Nesse caso, o ácido se dissocia em um radical ácido mais um íon de Hidrogênio. Utilizando esse método, podemos recobrir uma chave com cobre usando uma solução aquosa de ácido cúpreo.

11 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 10 Extração industrial do alumínio Um dos insumos mais importantes (e determinantes do seu preço final) é a eletricidade. Isso se justifica em face do fato de que o processo da eletrólise é utilizado na separação (e, portanto, na obtenção) do alumínio. O processo de obtenção do alumínio é baseado na fundição de um mineral de alumínio denominado criolita. Isso é viável se aquecermos o mineral a temperaturas da ordem de 900 C. Depois se dissolve na criolita o óxido de alumínio chamado alumina. O eletrólito é constituído pela adição de um óxido de alumínio dissolvido (Al 2 O 3 ) denominado alumina à criolita fundida. Faz-se passar pela solução uma corrente de cerca de ampères, sob uma diferença de potencial de 5,5 volts. O óxido de alumínio é dissolvido no banho de criolita fundida, e a corrente, passando pela solução, permite a separação do óxido em seus constituintes: o alumínio e o oxigênio. Esse processo de obtenção do alumínio é bastante antigo, pois foi desenvolvido no final do século XIX (em 1886). Isso acarretou um custo menor do produto e sua subsequente popularização do uso do alumínio. O óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), que é o ingrediente essencial para viabilizar esse processo de produção do alumínio, é extraído de um mineral de alumínio denominado bauxita. O Brasil dispõe de grandes reservas de bauxita, tornando-se assim um grande fornecedor, em potencial, de alumínio. Refino do Cobre Em virtude da sua excepcional propriedade como condutor de eletricidade, o cobre se transformou num metal muito apreciado, Para o cobre utilizado nos fios elétricos requer-se um nível de pureza bastante alto (quase 100% de pureza). Para se conseguir tal nível de pureza recorre-se à eletrólise. O ponto de partida é o sulfato de cobre, o qual se dissocia em um radical ácido mais o metal: CuSO 4 Cu ++ + SO 4 ( 14 )

12 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 11 Inserimos dois eletrodos na solução eletrolítica. O cobre impuro é usado como ânodo. O cátodo é uma lâmina fina de cobre puro. Quando fazemos passar uma corrente através da solução, o cátion de cobre se deposita sobre o cátodo. Como resultado, a quantidade de cobre puro vai se avolumando. O íon SO 4 reage com o cobre impuro do ânodo, formando novamente sulfato de cobre. Este, em seguida, se dissocia fazendo com que o processo de produção de cobre puro continue, aumentando continuamente a quantidade do metal puro.

13 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 12 Como usar este ebook Orientações gerais Caro aluno, este ebook contém recursos interativos. Para prevenir problemas na utilização desses recursos, por favor acesse o arquivo utilizando o Adobe Reader (gratuito) versão 9.0 ou mais recente. Botões Indica pop-ups com mais informações. Sinaliza um recurso midiático (animação, áudio etc.) que pode estar incluído no ebook ou disponível online. Ajuda (retorna a esta página). Créditos de produção deste ebook. Indica que você acessará um outro trecho do material. Quando terminar a leitura, use o botão correspondente ( ) para retornar ao ponto de origem. Bons estudos!

14 Eletromagnetismo» Eletrólitos e a Eletrólise 13 Créditos Este ebook foi produzido pelo Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA), Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP). Autoria: Gil da Costa Marques. Revisão Técnica e Exercícios Resolvidos: Paulo Yamamura. Coordenação de Produção: Beatriz Borges Casaro. Revisão de Texto: Marina Keiko Tokumaru. Projeto Gráfico e Editoração Eletrônica: Daniella de Romero Pecora, Leandro de Oliveira e Priscila Pesce Lopes de Oliveira. Ilustração: Alexandre Rocha, Aline Antunes, Benson Chin, Camila Torrano, Celso Roberto Lourenço, João Costa, Lidia Yoshino, Maurício Rheinlander Klein e Thiago A. M. S. Animações: Celso Roberto Lourenço e Maurício Rheinlander Klein.