Rede So Paulo de

Cursos de Especializao para o quadro do Magistrio da SEESP

Ensino Fundamental II e Ensino Mdio

So Paulo

2011

UNESP Universidade Estadual PaulistaPr-Reitoria de Ps-GraduaoRua Quirino de Andrade, 215CEP 01049-010 So Paulo SPTel.: (11) 5627-0561www.unesp.br

Governo do Estado de So Paulo Secretaria de Estado da EducaoCoordenadoria de Estudos e Normas PedaggicasGabinete da CoordenadoraPraa da Repblica, 53CEP 01045-903 Centro So Paulo SP

tema fichasumrio

SumrioVdeo da Semana ........................................................................2

4 - Eletrlise ..................................................................................2

4.1 - Eletrlise de Solues Aquosas ..........................................................3

4.2 - Tipos de Eletrlise .............................................................................4

4.2.1 Eletrlise gnea ..................................................................................4

4.2.2 - Eletrlise de Solues Aquosas .......................................................6

4.2.3 - Eletrlise em Soluo Aquosa com Eletrodos Ativos .....................9

4.3 - Aspectos Quantitativos da Eletrlise .................................................11

4.4 - Trabalho Eltrico ...............................................................................12

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dulo IV D

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Vdeo da Semana

4 - EletrliseNeste tema ser estudado a eletrlise. Eletrlise a parte da eletroqumica que estuda a

transformao de energia eltrica em energia qumica, ou seja, todo processo qumico no espontneo provocado por corrente eltrica. Existem dois tipos de eletrlise: a eletrlise aquo-sa, onde as substncias inicas possuem a capacidade de conduzir corrente eltrica, quando esto em solues aquosas, e a eletrlise gnea, que a passagem da corrente eltrica em uma substncia inica no estado de fuso. A eletrlise provm da propriedade inica, ou seja, um processo que se baseia na descarga de ons. Ela muito utilizada em indstrias, na produo de vrias substncias, dentre elas metais alcalinos, alcalino-terrosos, gs hidrognio e gs cloro. A eletrlise tambm muito utilizada na galvanoplastia, isto , no recobrimento de objetos com uma fina camada de metal.

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4.1 - Eletrlise de Solues Aquosas

ENERGIAELTRICA

No espontneo ENERGIAQUMICA

A eletrlise um processo eletroqumico no espontneo, onde ocorre a descarga de ons nos eletrodos. Na descarga de ons os ctions iro receber eltrons, sofrendo reduo; enquanto que os nions iro ceder eltrons, sofrendo oxidao. Alguns exemplos de descargas:

Descarga de ctions:Na+ + 1e- NaAl3+ + 3e- Al

Mg2+ + 2e- Mg

Descarga de nions:2 Cl- Cl2 + 2e-

2 Br- Br2+ 2e-

2 OH- 1/2O2 + H2O + 2e-

As reaes no espontneas necessitam de uma corrente externa para fazer com que a reao ocorra.

Para que um sistema sofra eletrlise necessria a presena de ons livres, os quais sero descarregados durante o processo. Na eletrlise a corrente eltrica atravessa o sistema, descar-rega os ons e provoca uma reao qumica (no espontnea) de xido-reduo. Dessa forma, tanto nas clulas voltaicas como nas eletrolticas:

a reduo ocorre no catodo

a oxidao ocorre no anodo.

No entanto, em clulas eletrolticas, os eltrons so forados a fluir do anodo para o catodo.

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4.2 - Tipos de Eletrlise

Os processos de eletrlise podem ser classificados de acordo com a presena ou ausncia de gua:

eletrlise gnea (ausncia de gua)

eletrlise em meio aquoso

4.2.1 Eletrlise gnea

A eletrlise gnea a eletrlise realizada em ausncia de gua, normalmente so compostos inicos fundidos. A eletrlise gnea , por exemplo, o processo utilizado para a obteno do alumnio a partir da bauxita (minrio de alumnio). Para realizar a eletrlise necessrio ter uma fonte de corrente contnua, uma cuba eletroltica, onde se encontra o sistema que sofrer a eletrlise e eletrodos inertes, que podem ser fios de platina ou barras de carbono grafite. Va-mos considerar a eletrlise do NaCl para entender melhor os processos que ocorrem em uma eletrlise ignea. A partir da eletrolise do NaCl so obtidos sdio metlico e gs cloro conforme mostrado na figura 12.

Figura 12 - Representao da clula eletroltica na eletrlise gnea do NaCl (PIRES;LANFREDI; PALMIERI, 2011).

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Na eletrlise gnea o primeiro passo fundir o material, para que os ons fiquem livres e ocorra a eletrlise:

NaCl(s) NaCl(l)

O NaCl fundido apresenta os seguintes ons:

NaCl(l) Na+(l) + Cl-(l)

Quando a corrente comear a atravessar o sistema, iniciam-se as reaes de xido-reduo no espontneas. Para lembrar:

nion migra para o anodo e ction migra para o catodo.

Reao catdica (reduo) 2 Na+(l) + 2e- 2 Na(l)Reao andica (oxidao) 2 Cl-(l) 2e- + Cl2(g)

Para obter a equao global da eletrlise soma-se as equaes de cada etapa.

Reao global da eletrlise

dissociao: 2 NaCl (l) 2 Na+(l) + 2 Cl-(l)

reao catdica: 2 Na+(l) + 2e- 2 Na(l)

reao andica: 2 Cl-(l) 2e- + Cl2(g)

reao global da eletrlise: 2NaCl(l) 2 Na(l) + Cl2(g)

Vdeo sobre eletrlise gnea

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O exemplo mais importante industrialmente da eletrlise gnea a obteno de alumnio a partir da alumina (Al2O3), a qual obtida da bauxita (Al2O3.nH2O + impurezas) desidratada. O processo industrial de obteno do alumnio, ainda em uso, foi idealizado por Charles Mar-tin Hall, em 1885, aos 22 anos de idade. O alemo Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Bayer aperfeioou o processo em 1889. Tal mtodo consiste na eletrlise gnea do xido de alumnio, conhecido como alumina (Al2O3), que tem elevadssimo ponto de fuso, aproximadamente 2060 oC. Para viabilizar o processo, adiciona-se alumina o mineral criolita, de frmula 3NaF.AlF3, que tem propriedade fundente, ou seja, diminui o ponto de fuso. Essa mistura funde a aproximadamente 1 000 oC e os ons Al+3 e O2 ficam livres da organizao do cristal, portanto prontos para o processo eletroltico.

Representao das reaes do processo eletroltico:

2Al2O3 (s) 4Al3+(l) + 6O2(l) Dissociao

4Al3+(l) + 12e 4Al(s) Reao catdica reduo

6O2(l) 12e + 3O2(g) Reao andica oxidao

3O2(g) + 3C(s) 3CO2(g) Reao do O2 formado no anodo com o carbono

do eletrodo, em razo da alta temperatura2Al2O3(s) + 3C(s) 4Al(s) + 3CO2(g) Equao global

4.2.2 - Eletrlise de Solues Aquosas

Na eletrlise em meio aquoso a gua participa do processo, portanto, ela passa a ser um componente que deve ser considerado quando se faz a anlise da descarga dos ons. neces-srio saber a ordem de descarga dos ons frente a gua, uma vez que essa interfere na descarga. A ordem de descarga dos ons mostrada na Tabela 2.

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Ordem de Descarganions Ctions

F-

nions oxigenados(SO42-,NO3-)H2OOH-

HSO4-

nions orgnicosnions no-oxigenados(Cl-, Br-, I-)

Metais alcalinos (Na+, K+)Metais alcalinos terrosos(Mg2+, Ca2+)Alumnio (Al3+)H2OH+

Mn2+, Zn2+, Fe2+

Cu2+, Ag+, Au3+

Tabela 2: Ordem de descarga dos nions e ctions (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

Conhecendo a ordem de descarga dos ons pode-se montar a eletrlise em meio aquoso. Vamos considerar o exemplo da eletrlise de NaCl, entretanto, neste caso o sal estar dissolvi-do em meio aquoso (e no fundido como no caso da eletrlise gnea).

Figura 13 - Representao da clula eletroltica em um processo de eletrlise em soluo aquosa (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

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O importante para montar as equaes da eletrlise identificar os ons presentes no sis-tema, bem como no se esquecer das molculas de gua que esto presentes (a gua ioniza muito pouco em H+ e OH-). Neste exemplo, as espcies presentes na cuba so: NaCl que em meio aquoso dissocia em Na+ e Cl- e as molculas de gua. Quando se liga a fonte comea uma reao de xido-reduo no espontnea, onde os ons ou as molculas de gua sero descarregados nos respectivos polos. Neste exemplo ir ser descarregado primeiramente o Cl- no anodo e H2O no catodo. Como existem muitas espcies na clula, vrias so as reaes andicas e catdicas possveis:

Possveis reaes andicas (oxidao):2 Cl-(aq) Cl2 (g) + 2e-

2H2O O2(g) + 4H+(aq) + 4e-

4OH-(aq) O2(g) + 2H2O + 4e-

Reaes catdicas possveis (reduo):e- + Na+(aq) Na (s)2e- + 2H2O H2 (g) + 2OH-(aq)2e- + 2H+(aq) H2(g)

Verifica-se que no anodo se produz gs cloro. Assim, a reao do anodo :

2Cl-(aq) Cl2(g) + 2e-

No catodo forma-se gs hidrognio, assim sabe-se que ou H+ ou H2O sofreu uma redu-o. A concentrao de molculas H2O na soluo aquosa de NaCl muito maior que a dos ons H+ (aproximadamente 560 milhes de vezes maior), portanto a reao catdica pode ser representada por:

2e- + 2H2O H2 (g) + 2OH-(aq)

Mesmo que H+ seja a espcie que est sendo reduzida, na realidade a reao eletrdica anterior representa melhor a transformao global, pois pode ser considerada como sendo a combinao de:

2e- + 2H+(aq) H2(g)

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Seguida pelo deslocamento do equilbrio da gua:

H2O H+ (aq) + OH- (aq)

Conduzindo a soma dessas duas reaes reao eletrdica j mencionada tem-se:

reao andica: 2Cl-(aq) Cl2(g) + 2e-reao catdica: 2e- + 2H2O H2 (g) + 2OH-(aq)reao global da eletrlise: 2H2O + 2Cl-(aq) H2(g) + Cl2(g) + 2OH-(aq)

4.2.3 - Eletrlise em Soluo Aquosa com Eletrodos Ativos

At aqui estamos discutindo a eletrlise, considerando que os eletrodos so inertes, ou seja, no participam das reaes de oxido-reduo, apenas conduzem a corrente eltrica. Vamos comentar a seguir sobre outro tipo de eletrlise onde temos eletrodos ativos.

A eletrlise com eletrodos ativos ou reativos ocorre quando os eletrodos no so meros condutores de corrente eltrica, mas sim participam das reaes de oxirreduo. Adota-se esse processo na purificao de metais, como por exemplo, do cobre metal, que obtido na indstria metalrgica, tem grau de pureza de 98%, conhecido como cobre metalrgico. Para a produo de fios eltricos, o metal precisa estar praticamente puro, isto , com 99,9% de pu-reza, conhecido como cobre eletroltico. Desse modo, o cobre metalrgico (impuro) passa por eletrlise a fim de ser purificado. Observe a ilustrao da Figura 14, que mostra o basto de cobre impuro como anodo (+) e o cobre puro como catodo (), parcialmente submersos numa soluo aquosa de Cu2+SO2-4.

Figura 14: Eletrodos de cobre em soluo de CuSO4 (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

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A cuba eletroltica da Figura 14 contm:Cu2+SO42- Cu2+ + SO42-

2H2O 2H+ + 2OH

No catodo (), que o cobre puro, ocorre depsito de mais cobre em virtude da reduo do Cu2+.

Cu2+ + 2e Cu

No anodo (+) no h oxidao do SO42- nem do OH. A reao de oxidao a do prprio cobre metlico.

Cu Cu2+ + 2e

A Figura 15 mostra a corroso do cobre impuro.

Figura 15 - Corroso do Cobre impuro (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

A corroso faz a soluo aumentar a concentrao em Cu2+, que atrado para o catodo, formando cobre metlico livre das impurezas, denominadas lama andica. Outro exemplo de aplicao de eletrodo ativo o eletrodo de Ni utilizado em processos conhecidos como nique-lacao. Considera-se um eletrodo de Ni ativo e um outro eletrodo metlico colocado em uma soluo aquosa de NiSO4:

Anodo: Ni(s) Ni2+(aq) + 2e-

Catodo: Ni2+(aq) + 2e- Ni(s).

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O Ni se deposita no eletrodo inerte.

Figura 16 - Eletrodo ativo de nquel em soluo de NiSO4 (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

Este processo, tambm chamado de galvanoplastia, importante para a proteo de obje-tos contra a corroso. Ele consiste em depositar um metal sobre um substrato (metlico ou no), atravs da reduo qumica ou eletroltica para proteo, melhor condutividade e melhor capacitao para se soldar sobre a superfcie tratada. Outras aplicaes so: para melhorar a aparncia, aglutinar partculas no condutoras camada eletrodepositada, resistncia ao atrito, melhorar a dureza superficial, resistncia temperatura, entre outras.

4.3 - Aspectos Quantitativos da Eletrlise

Determinao da quantidade de material que se obtm com a eletrlise. Considere a redu-o do Cu2+ a Cu(s):

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s).

Pela estequiometria da reao, pode-se prever que para cada 2 mol de eltrons fornecidos pelo sistema se depositaro 1 mol de Cu. Considerando que a carga de 1 mol de eltrons 96.500 C (1 F), pode se utilizar a expresso:

Q = It

Onde, Q corresponde a quantidade de carga (Coulomb), I se refere a corrente (Ampere) que passa pelo sistema em um tempo t (segundos). Dessa forma a quantidade de Cu pode ser calculada pela corrente (I) e tempo (t) levado para a deposio.

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4.4 - Trabalho Eltrico

O decrscimo de energia livre para um processo que se realiza a temperatura e presso constantes igual ao trabalho mximo terico, excludo o trabalho de expanso, que pode ser realizado pelo processo. No caso de uma reao que ocorre numa pilha, o trabalho eltrico mximo Wmax, que pode ser realizado, igual tenso E produzida pela clula, multiplicada pela quantidade de carga eltrica Q:

W = E. Q (1)

onde, se E for dimensionado em volts e Q em coulombs, ento W expresso em joules, pois um coulomb-volt equivalente a um joule, isto : 1CV = 1J. O nmero de Coulombs que flui pelo sistema, Q, pode converter-se a Faraday, sabendo-se que este nmero igual ao nmero de mols de eltrons envolvidos nas reaes de oxirreduo, n, multiplicado pela constante de Faraday, F (F=96.500 C/mol de eltrons, onde 1 mol de eltrons corresponde a um Faraday de eletricidade, F = NA.e-, onde NA corresponde ao numero de Avogadro e e- a carga do eletron) ou seja, quando passam 96.500 C por uma soluo tem-se libertado 1 mol de eltrons no anodo e no catodo. Assim:

Q = n F (2)

sendo que, n depende da natureza da semi-reao e pode ser deduzido, desde que sejam conheci-dos os estados de oxidao das espcies que participam, por exemplo, para a clula Zn/Cu, n = 2.

A energia disponvel dada em Joules, J, pois V = [ J/C] e Wmx = [ J]. Assim,

Wmx = n F E (3)

onde n dado em mols/eletron, F em [C/mol] e V em [ J/C].

A quantidade mxima de trabalho til que pode ser obtida de um sistema uma medida da Energia livre (G). Assim:

G = Wmax (4)

Substituindo a Eq. (3) na Eq. (4) tem-se:

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G = - n F E (5)

O trabalho mximo igual ao decrscimo da energia livre durante a reao. Quando todas as espcies esto nas concentraes unitrias, a energia livre padro para a reao :

Go = - n F Eo (6)

Esta expresso a ponte entre a variao da energia livre, G, e o potencial padro de uma clula Eletroqumica. Quando o trabalho negativo, o trabalho executado pelo sistema e E positivo. A fem pode ser pensada como uma medida da fora motriz para um processo de oxir-reduo. Em uma clula eletroltica, uma fonte externa de energia necessria para fazer com que a reao ocorra. Para induzir a reao no-espontnea, a fem externa deve ser maior que o E da clula.

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Ficha da Disciplina:Energia Eltrica e

Reaes Qumicas

Mauricio Cesar Palmieri

Ana Maria Pires

Silvania Lanfredi

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4797289E7http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4797289E7http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4728715E1http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4721813D0

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Estrutura da DisciplinaSemana Temas

13/jun a 19/jun1. Reaes de Oxirreduo

(REDOX)

20/jun a 26/jun2. Clulas Galvnicas

(Pilhas e Baterias)

27/jun a 3/jul3. Espontaneidade de Reaes

REDOX

4/jul a 10/jul 4. Eletrlise

11/jul a 17/jul 5. Eletrometalurgia

Pr-Reitora de Ps-graduaoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraAna Maria Martins da Costa Santos

Coordenadora Pedaggica

Cludio Jos de Frana e SilvaRogrio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte: Rejane Galvo Coutinho (IA/Unesp)

Filosofia: Lcio Loureno Prado (FFC/Marlia)Geografia: Raul Borges Guimares (FCT/Presidente Prudente)

Antnio Cezar Leal (FCT/Presidente Prudente) - sub-coordenador Ingls: Mariangela Braga Norte (FFC/Marlia)

Qumica: Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Tcnica - Sistema de Controle AcadmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

Secretaria/AdministraoMrcio Antnio Teixeira de Carvalho

NEaD Ncleo de Educao a Distncia(equipe Redefor)

Klaus Schlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andr Lus Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Cssio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produo, veiculao e Gesto de materialElisandra Andr Maranhe

Joo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

Marcador 1Vdeo da Semana4 - Eletrlise4.1 - Eletrlise de Solues Aquosas4.2 - Tipos de Eletrlise4.2.1 Eletrlise gnea4.2.2 - Eletrlise de Solues Aquosas4.2.3 - Eletrlise em Soluo Aquosa com Eletrodos Ativos4.3 - Aspectos Quantitativos da Eletrlise4.4 - Trabalho Eltrico

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