ELETRÓLISE DA ÁGUA: PROCEDIMENTO, TÉCNICAS, PARA QUE SERVE - QUÍMICA - 2025

A eletrólise da água é a decomposição da água em seus componentes elementares pela aplicação de uma corrente elétrica. À medida que avançam, o hidrogênio e o oxigênio molecular, H ₂ e O ₂, são formados em duas superfícies inertes. Essas duas superfícies são mais conhecidas pelo nome de eletrodos.

Teoricamente, o volume de H ₂ formado deveria ser o dobro do volume de O ₂. Por quê? Porque a molécula de água tem uma relação H / O igual a 2, ou seja, dois H para cada oxigênio. Essa relação é verificada diretamente com sua fórmula química, H ₂ O. No entanto, muitos fatores experimentais influenciam os volumes obtidos.

Fonte: Antti T. Nissinen via Flickr

Se a eletrólise for realizada dentro de tubos imersos em água (imagem superior), a coluna inferior de água corresponde ao hidrogênio, pois há uma quantidade maior de gás exercendo pressão na superfície do líquido. As bolhas circundam os eletrodos e acabam subindo após vencer a pressão de vapor da água.

Observe que os tubos são separados uns dos outros de tal forma que há uma baixa migração de gases de um eletrodo para o outro. Em escalas baixas, isso não representa um risco iminente; mas em escalas industriais, a mistura gasosa de H ₂ e O ₂ é altamente perigosa e explosiva.

Por esse motivo, as células eletroquímicas onde se realiza a eletrólise da água são muito caras; Eles precisam de um design e elementos que garantam que os gases nunca se misturem, um fornecimento de corrente lucrativo, altas concentrações de eletrólitos, eletrodos especiais (eletrocatalisadores) e mecanismos para armazenar o H ₂ produzido.

Eletrocatalisadores representam atrito e ao mesmo tempo asas para a lucratividade da eletrólise da água. Alguns consistem em óxidos de metais nobres, como platina e irídio, que são muito caros. É neste ponto especialmente onde os pesquisadores unem forças para projetar eletrodos eficientes, estáveis ​​e baratos.

A razão desses esforços é acelerar a formação de O ₂, que ocorre em taxas menores em relação ao H ₂. Essa desaceleração do eletrodo onde o O ₂ é formado traz como consequência geral a aplicação de um potencial muito superior ao necessário (overpotential); o que equivale a um menor desempenho e maiores despesas.

Reação de eletrólise

A eletrólise da água envolve muitos aspectos complexos. No entanto, em termos gerais, sua base repousa em uma reação global simples:

2H ₂ O (l) => 2H ₂ (g) + O ₂ (g)

Como visto na equação, duas moléculas de água estão envolvidas: uma geralmente deve ser reduzida, ou ganhar elétrons, enquanto a outra deve oxidar ou perder elétrons.

O H ₂ é um produto da redução da água, pois o ganho de elétrons faz com que os prótons H ^{+ se} liguem covalentemente, e que o oxigênio se transforme em OH ^-. Portanto, H ₂ é produzido no cátodo, que é o eletrodo onde ocorre a redução.

Já o O ₂ vem da oxidação da água, pois perde os elétrons que permitem que ele se ligue ao hidrogênio e, consequentemente, libera prótons H ⁺. O ₂ é produzido no ânodo, o eletrodo onde ocorre a oxidação; E, ao contrário do outro eletrodo, o pH ao redor do ânodo é ácido e não básico.

Reações de meia célula

Isso pode ser resumido com as seguintes equações químicas para reações de meia célula:

2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^- (Cátodo, básico)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- (Ânodo, ácido)

Porém, a água não pode perder mais elétrons (4e ^-) do que a outra molécula de água ganha no cátodo (2e ^-); portanto, a primeira equação deve ser multiplicada por 2 e, em seguida, subtraída com a segunda equação para obter a equação líquida:

2 (2H ₂ O + 2e ^- => H ₂ + 2OH ^-)

2H ₂ O => O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

6H ₂ O => 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4OH ^-

Mas 4H ⁺ e 4OH ^- formam 4H ₂ O, então eles eliminam quatro das seis moléculas de H ₂ O, deixando duas; e o resultado é a reação global que acabamos de esboçar.

As reações de meia-célula mudam com os valores de pH, técnicas e também têm potenciais de redução ou oxidação associados, que determinam quanta corrente precisa ser fornecida para que a eletrólise da água prossiga espontaneamente.

Processo

Fonte: Ivan Akira, do Wikimedia Commons

Um voltímetro Hoffman é mostrado na imagem acima. Os cilindros são preenchidos com água e os eletrólitos selecionados através do bocal do meio. O papel desses eletrólitos é aumentar a condutividade da água, uma vez que em condições normais existem muito poucos íons H ₃ O ⁺ e OH ^- produtos de sua autoionização.

Os dois eletrodos geralmente são feitos de platina, embora na imagem tenham sido substituídos por eletrodos de carbono. Ambos estão conectados a uma bateria, com a qual é aplicada uma diferença de potencial (ΔV) que promove a oxidação da água (formação de O ₂).

Os elétrons percorrem todo o circuito até chegarem ao outro eletrodo, onde a água os conquista e se transformam em H ₂ e OH ^-. Nesse ponto, o ânodo e o cátodo já estão definidos, podendo ser diferenciados pela altura das colunas d'água; a uma altura mais baixa, com as corresponde ao cátodo, em que H ₂ é formada.

Na parte superior dos cilindros, existem chaves que permitem a liberação dos gases gerados. A presença de H ₂ pode ser verificada cuidadosamente fazendo-o reagir com uma chama, cuja combustão produz água gasosa.

Técnicas

As técnicas de eletrólise da água variam dependendo da quantidade de H ₂ e O ₂ a ser gerada. Ambos os gases são muito perigosos se forem misturados, e é por isso que as células eletrolíticas envolvem projetos complexos para minimizar o aumento das pressões do gás e sua difusão através do meio aquoso.

Além disso, as técnicas variam dependendo da célula, do eletrólito adicionado à água e dos próprios eletrodos. Por outro lado, alguns implicam que a reação é realizada em temperaturas mais elevadas, reduzindo o consumo de eletricidade, e outros usam pressões enormes para manter o H ₂ armazenado.

Entre todas as técnicas, as três seguintes podem ser mencionadas:

Eletrólise com água alcalina

A eletrólise é realizada com soluções básicas dos metais alcalinos (KOH ou NaOH). Com esta técnica ocorrem as reações:

4H ₂ O (l) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 4OH ^- (aq)

4OH ^- (aq) => O ₂ (g) + 2H ₂ O (l) + 4e ^-

Como pode ser visto, tanto no cátodo quanto no ânodo, a água tem um pH básico; além disso, os OH ^- migram em direção ao ânodo, onde são oxidados em O ₂.

Eletrólise com membrana eletrolítica de polímero

Nessa técnica, é utilizado um polímero sólido que serve como membrana permeável ao H ⁺, mas impermeável aos gases. Isso garante maior segurança durante a eletrólise.

As reações de meia célula para este caso são:

4H ⁺ (aq) + 4e ^- => 2H ₂ (g)

2H ₂ O (l) => O ₂ (g) + 4H ⁺ (aq) + 4e ^-

Os íons H ⁺ migram do ânodo para o cátodo, onde são reduzidos para se tornar H ₂.

Eletrólise com óxidos sólidos

Muito diferente de outras técnicas, esta utiliza óxidos como eletrólitos, que em altas temperaturas (600-900ºC) funcionam como meio de transporte do ânion O ².

As reações são:

2H ₂ O (g) + 4e ^- => 2H ₂ (g) + 2O ^2-

2O ^2- => O ₂ (g) + 4e ^-

Observe que, desta vez, são os ânions de óxido, O ^2-, que viajam para o ânodo.

Para que serve a eletrólise da água?

A eletrólise da água produz H ₂ (g) e O ₂ (g). Aproximadamente 5% do gás hidrogênio produzido no mundo é feito pela eletrólise da água.

H ₂ é um subproduto da electrólise de soluções aquosas de NaCl. A presença de sal facilita a eletrólise, aumentando a condutividade elétrica da água.

A reação geral que ocorre é:

2NaCl + 2H ₂ O => Cl ₂ + H ₂ + ₂ NaOH

Para entender a enorme importância dessa reação, alguns dos usos de produtos gasosos serão mencionados; Porque, afinal, são eles que impulsionam o desenvolvimento de novos métodos para realizar a eletrólise da água de forma mais eficiente e ecológica.

De todas elas, a mais desejada é funcionar como células que substituam energeticamente o uso da queima de combustíveis fósseis.

Produção de hidrogênio e seus usos

-O hidrogênio produzido na eletrólise pode ser utilizado na indústria química atuando em reações de adição, em processos de hidrogenação ou como redutor em processos de redução.

-Também é imprescindível em algumas ações de importância comercial, como: produção de ácido clorídrico, peróxido de hidrogênio, hidroxilaminas, etc. Está envolvido na síntese de amônia por meio de uma reação catalítica com nitrogênio.

- Em combinação com o oxigênio, produz chamas de alto teor calórico, com temperaturas que variam entre 3.000 e 3.500 K. Estas temperaturas podem ser utilizadas para corte e soldagem na indústria metalúrgica, para crescimento de cristais sintéticos, produção de quartzo, etc..

- Tratamento da água: o teor excessivamente alto de nitrato na água pode ser reduzido por sua eliminação em biorreatores, nos quais as bactérias usam o hidrogênio como fonte de energia

-Hidrogênio está envolvido na síntese de plásticos, poliéster e náilon. Além disso, faz parte da produção do vidro, aumentando a combustão durante o cozimento.

-Reage com os óxidos e cloro de diversos metais, entre eles: prata, cobre, chumbo, bismuto e mercúrio para produzir metais puros.

-E adicionalmente, é utilizado como combustível nas análises cromatográficas com detector de chamas.

Como método de depuração

A eletrólise de soluções de cloreto de sódio é utilizada para a purificação da água da piscina. Durante a eletrólise, o hidrogênio é produzido no cátodo e cloro (Cl ₂) no ânodo. A eletrólise é chamada, neste caso, de clorador de sal.

O cloro se dissolve na água para formar ácido hipocloroso e hipoclorito de sódio. O ácido hipocloroso e o hipoclorito de sódio esterilizam a água.

Como um suprimento de oxigênio

A eletrólise da água também é usada para gerar oxigênio na Estação Espacial Internacional, que serve para manter uma atmosfera de oxigênio na estação.

O hidrogênio pode ser usado em uma célula de combustível, um método de armazenamento de energia, e usar a água gerada na célula para consumo dos astronautas.

Experiência doméstica

Experimentos de eletrólise de água foram realizados em escala de laboratório com voltímetros Hoffman, ou outro conjunto que permite conter todos os elementos necessários de uma célula eletroquímica.

De todas as montagens e equipamentos possíveis, o mais simples pode ser um grande recipiente de água transparente, que servirá como uma célula. Além disso, qualquer superfície metálica ou eletricamente condutora também deve estar disponível para funcionar como eletrodos; um para o cátodo e outro para o ânodo.

Para este propósito, mesmo lápis com pontas afiadas de grafite em ambas as extremidades podem ser úteis. E, finalmente, uma pequena bateria e alguns cabos que a conectam aos eletrodos improvisados.

Se não for realizado em um recipiente transparente, a formação de bolhas gasosas não seria apreciada.

Variáveis ​​de casa

Embora a eletrólise da água seja um assunto que contém muitos aspectos intrigantes e esperançosos para aqueles que buscam fontes alternativas de energia, o experimento em casa pode ser enfadonho para crianças e outros espectadores.

Portanto, tensão suficiente pode ser aplicada para gerar a formação de H ₂ e O _2, alternando certas variáveis ​​e observando as mudanças.

O primeiro é a variação do pH da água, usando vinagre para acidificar a água ou Na ₂ CO ₃ para basificá-la levemente. Deve ocorrer uma mudança no número de bolhas observadas.

Além disso, o mesmo experimento pode ser repetido com água quente e fria. Desta forma, o efeito da temperatura na reação seria então considerado.

Finalmente, para tornar a coleta de dados um pouco menos incolor, você pode usar uma solução muito diluída de suco de repolho roxo. Este suco é um indicador ácido-básico de origem natural.

Colocando-a no recipiente com os eletrodos inseridos, nota-se que no ânodo a água ficará rosa (ácido), enquanto no cátodo a cor ficará amarela (básica).

Referências

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