Eletrólise

O que é a eletrólise? 

A eletrólise é um processo físico-químico provocado pela passagem de corrente elétrica em um sistema, ou seja, a reação química ocorre devido a utilização de uma fonte de eletricidade como pilhas ou baterias, por exemplo. Como a reação necessita de uma fonte externa de energia, a reação é de oxirredução não-espontânea e provoca a formação de substâncias simples ou compostas.

De modo geral, a eletrólise pode ser definida como um ramo da Eletroquímica que estuda a transformação da energia elétrica em energia química, sendo um processo que pode ser considerado o inverso do processo que ocorre nas pilhas. 

Como funciona o processo de eletrólise? 

Para a ocorrência da eletrólise é necessário o uso de um gerador de corrente contínua em que a energia elétrica passa por um líquido contendo íons conhecido como eletrólito. 

Considere, por exemplo, o uso de cloreto de sódio sólido dentro do recipiente. A utilização do NaCl sólido não permite a passagem de corrente elétrica, uma vez que, o sal sólido não possui íons livres. Desse modo, para provocar a passagem de corrente elétrica é preciso formar os íons Na⁺ e Cl^– e isso pode ser obtido com a fusão do sal ou então, adicionando-se água para dissolvê-lo e assim dissociar os íons, permitindo a movimentação das espécies químicas. 

Além disso, imersos no eletrólito são colocados dois eletrodos que costumam ser inertes (como os feitos de platina ou de grafita, por exemplo) sendo um o cátodo (polo negativo), enquanto o outro é o ânodo (polo positivo). Além da presença do eletrólito e dos eletrodos, há também uma cela eletrolítica (também conhecida como células ou cubas eletrolíticas) que é o recipiente em que são colocados os outros componentes do sistema. 

Conhecendo a composição sistêmica para a ocorrência da eletrólise, temos que o processo ocorre da seguinte maneira: assim que o gerador é ligado, os elétrons acabam sendo transportados do gerador pelo polo positivo do sistema, entrando na célula eletrolítica pelo cátodo. É no cátodo que acontece a reação de redução, ou seja, em que a espécie química recebe os elétrons.

Cátodo (polo negativo): reação de redução 

X^y+ + ye^– → X

Sendo assim, os elétrons saem do ânodo, onde acontece a reação de oxidação, ou seja, a perda de elétrons e chegam no gerador pelo polo negativo (cátodo).

Ânodo (polo positivo): reação de oxidação 

Z^w- → Z + we^–

Quais são os tipos de eletrólise? 

Há dois tipos de eletrólise que se diferenciam pelo eletrólito utilizado: a eletrólise ígnea e a eletrólise aquosa.

Eletrólise ígnea

O processo de eletrólise ígnea acontece ao realizar a passagem de corrente elétrica através de um composto iônico fundido. Sendo assim, não há água presente no sistema. 

Considerando o processo utilizando-se NaCl fundido, temos que os íons Na⁺ migram para o polo positivo e são reduzidos a Na. Já os íons Cl^– migram para o polo positivo e são oxidados à Cl₂. Macroscopicamente, observa-se o seguinte comportamento:

• No polo positivo, onde ocorre a reação de oxidação, obtêm-se a formação de bolhas de um gás de cor amarelo-esverdeado e que apresenta um cheiro forte;
• Já no polo negativo, onde acontece a redução, há a formação de um metal de cor cinza que reage de forma violenta com a água. 

Semirreação do polo positivo (ânodo): 2 Cl^–(l)→ Cl₂(g) + 2e^–

Semirreação do polo negativo (cátodo): 2Na⁺(l) + 2e^– → Na^o(s)

Reação global: 2 Na⁺(l) +  2Cl^–(l) → Na^o(s) + Cl₂(g)

O gás formado corresponde ao cloro (Cl₂), enquanto, o metal cinza é o sódio (Na^o). Sendo assim, durante a reação de eletrólise, a passagem de energia elétrica provoca a transformação dos íons Cl^– em Cl₂ e os íons Na⁺ em sódio metálico (Na^o). O que acontece é a doação de elétrons pelos íons Cl^– por meio do circuito metálico para os íons Na⁺. Como a eletrólise é um processo de oxirredução, os elétrons perdidos no polo positivo são iguais aos elétrons recebidos no polo negativo. 

Eletrólise aquosa

A eletrólise aquosa é a reação química que é provocada pela passagem de corrente elétrica através de uma solução aquosa de um eletrólito. Desse modo, antes de utilizar a substância como eletrólito, provoca-se a sua dissociação na água:

XY (s) + H₂O → X⁺ (aq) + Y^– (aq)

A principal diferença da eletrólise aquosa para a eletrólise ígnea é a presença dos íons H⁺ e o OH^–. Isso porque além dos íons provenientes da dissociação do eletrólito, também temos os íons provenientes da autoionização da água.

H₂O (l) → H⁺ (aq) + OH^– (aq)

Em uma eletrólise aquosa, os íons H⁺ que são provenientes da água irão competir com os cátions provenientes da substância dissolvida (eletrólito), enquanto os íons OH^– competirão com os ânions gerados no sistema. 

Considerando a descarga dos íons provenientes da água, ou seja, a perda de carga elétrica que favorece a transformação das espécies em espécies eletricamente neutras, temos:

Descarga dos íons H⁺ no cátodo: 2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g)

Descarga dos íons OH^– no ânodo: 2OH^– (aq) → ½ O₂ (g) + H₂O (l) + 2e^–

No entanto, para conseguirmos determinar qual o ânion e o cátion que irá reagir no ânodo e no cátodo, respectivamente, precisamos conhecer a fila da facilidade de descarga de íons. 

Em relação aos cátions:

Au> Pt> Hg> Cu> Ni> Cd> Pb> Fe> Zn> Mn> H⁺> família IIIA> família IIA> família IA

O que temos é que os cátions de alcalinos, alcalino terrosos e de alumínio apresentam menor tendência de descarga do que o H⁺, enquanto os demais íons apresentam uma tendência maior. 

Já em relação aos ânions:

Ânions não oxigenados em geral e o HSO₄^–> OH^–> ânions oxigenados e o fluoreto (F^–)

Conhecendo essas tendências é possível determinar quando a fonte de energia elétrica é ligada qual o cátion irá de deslocar para o cátodo e qual dos íons se deslocará para o ânodo. 

Sendo assim, considerando a eletrólise utilizando-se uma solução de NaCl, temos que ao dissolver o NaCl em água, a dissociação acontece da seguinte maneira:

NaCl (s) + H₂O (l) → Na⁺ (aq) + Cl^– (aq) 

Além disso, acontece concomitantemente a autoionização da água:

H₂O (l) → H⁺ (aq) + OH^– (aq)

Logo, nesse sistema, há a presença dos cátions Na⁺ e H⁺ e dos ânions Cl^– e OH^–. 

Desse modo, no cátodo, os cátions H⁺ recebem a descarga e assim, recebem os elétrons devido a reação de redução e transformam-se em H₂ (gás) que é uma substância estável. A prioridade para a descarga acontecer no cátion H⁺ vem da fila de facilidade de descarga de íons devido ao cátion Na⁺ ser pertencente a família IA.

Cátodo: 2H⁺ (aq) + 2e^– → H₂ (g)

Já no ânodo, os ânions de cloreto (Cl^–) irão sofrer a reação de oxidação, ou seja, perderão os elétrons e formarão outra substância estável, o gás Cl₂. Como o Cl^– não é um ânion oxigenado, ele tem prioridade de descarga em relação ao OH^–. 

Ânodo: 2Cl^– (aq) → Cl₂ (g) + 2e^–

Desse modo, na eletrólise aquosa de NaCl se formarão o gás hidrogênio e o gás cloro. 

Leis da eletrólise

As Leis da Eletrólise são duas leis que foram desenvolvidas pelo físico e químico Michael de Faraday e são utilizadas para a determinação de aspectos quantitativos do processo. 

A primeira Lei pode ser enunciada da seguinte maneira:

“A massa de um elemento que é depositado durante o processo de eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade fornecida ao sistema.”

Matematicamente, essa definição pôde ser descrita da seguinte forma:

Q = i x t 

Onde Q é a carga elétrica do sistema (C), enquanto i corresponde a intensidade da corrente elétrica (A) e t corresponde ao tempo da passagem da corrente elétrica (s). 

Desse modo, essa primeira lei indica que se a carga elétrica que atravessa a solução for duplicada, a massa da substância também será. 

A segunda Lei corresponde ao seguinte enunciado:

“As massas de vários elementos, quando depositados durante a eletrólise pela mesma quantidade de eletricidade são diretamente proporcionais aos seus equivalentes químicos.” 

Isso significa que para uma mesma quantidade de carga elétrica, as massas das substâncias que sofreram o processo em qualquer eletrodo são proporcionais aos seus equivalentes químicos. 

Matematicamente:

M = K x E 

Em que M corresponde a massa da substância, K é a constante de proporcionalidade e E é o equivalente-grama da substância. 

Como funciona a eletrólise da água?

Como mencionado anteriormente, as moléculas de água são capazes de sofrer um processo de autoionização. No entanto, como eletrólito, a água não tem a força necessária para conduzir corrente elétrica, pois não há a geração de íons suficiente para isso e que permita que eles descarregam-se continuamente. 

Assim, para conseguir realizar a eletrólise da água é preciso adicionar um eletrólito que seja solúvel e que gerem íons mais reativos que os íons H⁺e OH^–. Conhecendo a fila de descarga dos íons, conseguimos escolher o eletrólito que permita a descarga dos íons da água e assim, a eletrólise da água ocorre. 

Quais são as aplicações da eletrólise? 

Além da produção de alguns compostos de importância comercial como o gás cloro e hidrogênio, a eletrólise pode ser utilizada na técnica de revestimento de uma peça metálica por outro metal. Essa técnica é conhecida como eletrodeposição metálica ou galvanoplastia. 

É possível por meio dessa técnica tornar uma peça metálica mais brilhante, mais valiosa e até mesmo mais resistente à corrosão. 

Também consegue-se aumentar a pureza de alguns metais por meio desse processo, como é o caso do cobre que é destinado a fiações elétricas.