Olá, sejam bem-vindos e bem-vindas a mais um episódio do 'Papo de Química! ‘Aqui a ciência se conecta ao cotidiano. E hoje, temos um tema literalmente eletrizante: eletrólise. Vamos explorar juntos as bases teóricas e práticas desse processo que é fundamental para a química e para a indústria. Preparem-se para uma conversa recheada de ciência: vamos falar sobre cátodo, ânodo, aplicações reais e muito mais!
A eletrólise é um processo químico fascinante! Nele, a corrente elétrica força a ocorrência de uma reação de oxirredução não espontânea em substâncias que estão em solução aquosa ou no estado líquido, como um sal fundido.
Sabe o que é interessante? Quando falamos em pilhas e baterias, temos uma reação espontânea que gera eletricidade. (Aliás, vá no seu aplicativo favorito e ouça o episódio 01!). Já na eletrólise, ocorre o contrário, fornecemos energia elétrica para forçar uma reação que não aconteceria sozinha. É como invertermos uma pilha.
A eletrólise é realmente essencial e tem inúmeras aplicações. Quer alguns exemplos?
- Produção de Metais - Boa parte dos metais, como o alumínio, sódio metálico e magnésio, é obtida por de eletrólise de sais fundidos.
- Galvanoplastia – Usada para revestir objetos metálicos com camadas decorativas ou protetoras, como zinco, níquel ou cromo.
- Produção de gases industriais como hidrogênio e cloro
- Tratamento de efluentes: um processo importante para o meio ambiente.
Em qualquer sistema eletroquímico,
- O cátodo é onde ocorre a redução(CATRED).
- O ânodo é onde ocorre a oxidação(ANOX).
Na eletrólise há um detalhe importante :
- O cátodo é conectado ao polo negativo da fonte de corrente contínua (ele recebe elétrons).
- O ânodo é ligado ao polo positivo (ele “doa” elétrons para o circuito externo).
Já nas células galvânicas (como pilhas), essa nomenclatura se inverte!
Nas pilhas,
- O cátodo é positivo
- O ânodo é negativo,
Isso acontece porque, nas pilhas, a reação ocorre espontaneamente, gerando corrente.
Sabemos que o cátodo é ligado ao polo negativo e o ânodo é ligado ao polo positivo em uma célula eletrolítica,
Mas quais materiais podem ser usados como eletrodos ?
Os eletrodos podem ser de vários tipos, mas são escolhidos principalmente pela resistência à corrosão e condutividade elétrica. Exemplos incluem:
- Eletrodos inertes: como platina e grafite (carvão) que resistem a oxidação e redução sem serem consumidos.
- Eletrodos metálicos ativos: como cobre e zinco, que participam da reação, podendo se dissolver ou se oxidar durante o processo.
Para que a eletrólise aconteça, os íons do eletrólito precisam se dirigir aos eletrodos:
- No cátodo (polo negativo): ocorre a redução de cátions (espécies positivas) presentes na solução ou no meio fundido. Um cátion, ao ganhar elétrons, transforma-se em seu respectivo átomo ou molécula neutra.
Cátion + e− →Átomo (redução)
- No ânodo (polo positivo): ocorre a oxidação de ânions (espécies negativas) presentes na solução ou no meio fundido. Um ânion perde elétrons e forma espécies neutras ou outros íons de maior carga positiva.
Ânion → Átomo + e−
As células eletrolíticas mais comuns são:
- Eletrólise ígnea
- Eletrólise em solução aquosa
Tenho ouvido falar muito sobre a "eletrólise ígnea" do cloreto de sódio, mas afinal, o que exatamente é a eletrólise ígnea?
A eletrólise ígnea acontece quando o sal está no estado líquido, ou seja, fundido a altas temperaturas.
Por exemplo, no caso do cloreto de sódio (NaCl), ao ser aquecido a aproximadamente 800 °C., temos íons Na⁺ e Cl⁻ livres.
- No cátodo (negativo), os íons Na⁺ (sódio) ganham elétrons, formando sódio metálico (Na).
Na+ +e− ⟶ Na
- No ânodo (positivo), os íons Cl⁻ (cloreto) perdem elétrons, formando gás cloro (Cl₂).
2 Cl− ⟶ Cl2(g) + 2e−
Esse processo é essencial para a produção de sódio metálico e cloro gasoso em escala industrial.
E como funciona o processo quando o sal está dissolvido em água? Nesse caso, temos a chamada eletrólise em solução aquosa.
Isso mesmo. Na eletrólise em solução aquosa, além dos íons do eletrólito dissolvido (sal, ácido ou base) temos os íons H⁺ e OH⁻ resultantes da autoionização da água. Esses íons competem entre si na descarga dos eletrodos, e a série eletroquímica nos ajuda a prever quem será descarregado primeiro.
Quando temos vários íons presentes em uma solução, como podemos determinar qual íon será descarregado primeiro no cátodo ou no ânodo?
Para isso consultamos a chamada série eletroquímica ou a preferência de descarga dos íons. De forma simplificada:
- No cátodo (redução): Os íons H⁺ tem maior reatividade quando comparados aos metais alcalinos, metais alcalino-terrosos e ao cátion alumínio, resultando na formação de gás hidrogênio(H2). No entanto, possuem reatividade menor em relação aos demais cátions.
- No ânodo (oxidação): Os íons OH⁻ são menos reativos do que os haletos (Cl-, Br- e I-) com exceção do fluoreto, (F-), mas são mais reativos do que os íons oxigenados (NO3-, SO4--2 .
Quais são os produtos obtidos na eletrólise em solução aquosa de cloreto de sódio (NaCl)?
Na solução aquosa de NaCl, temos em solução os íons Na⁺, Cl⁻ e também H⁺, OH⁻ da ionização da água. Vamos analisar a descarga em cada eletrodo.
- No cátodo: Observando a prioridade de descarga dos cátions, os íons H+ são mais reativos do que os alcalinos, então, quem reduz primeiro são os íons H⁺ da água, formando gás hidrogênio (H₂).
2 H+ + 2 e− ⟶ H2(g)
- No ânodo: Existe competição entre os íons Cl⁻ e os íons OH⁻, mas, em geral, os íons haletos descarregam antes do íon hidroxila (OH-), o cloro acaba sendo descarregado, formando Cl₂ (g).
2 Cl− ⟶ Cl2(g)+2 e−
- Além disso, na solução final, tende a se formar hidróxido de sódio (NaOH), pois os íons Na⁺ remanescentes se combinam com os íons OH⁻ liberados.
Isso explica por que, na indústria, é possível obter simultaneamente hidrogênio, cloro e hidróxido de sódio a partir de uma solução simples de NaCl! e esse processo — conhecido como “processo cloro-álcali” — é amplamente aplicado na indústria química.
Quais os produtos obtidos na eletrólise em solução aquosa do sulfato cúprico, CuSO4?
Na solução aquosa do sulfato cúprico, CuSO4 , temos os íons Cu⁺+, SO4-- e também H⁺, OH⁻ da ionização da água. Vamos analisar a descarga em cada eletrodo.
- No cátodo: Observando a prioridade de descarga dos cátions, os íons Cu⁺+ são mais reativos que os íons H+, então, quem reduz primeiro são os íons Cu⁺+, formando cobre metálico, de acordo com a reação.
Cu⁺+ (aq) + 2 e− ⟶ Cu(s)
- No ânodo: Existe competição entre os íons SO4-- e os íons OH⁻, mas, o íon hidroxila(OH-) descarrega antes dos íons oxigenados e fluoreto formando gás oxigênio O2 de acordo com a reação
2 OH⁻ ⟶ ½ O2(g)+ H2O + 2 e−
Além disso, na solução final, tende a se formar ácido sulfúrico(H2SO4).
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