A água pode ser também decomposta por eletrólise de uma solução neutra (solução de
) ou básica (solução de NaOH ). Neste caso as semirreações de redução em meio ácido nas condições padrões são:
a) Identifique qual eletrodo é o ânodo e qual é o cátodo.
b) Identifique o eletrodo positivo e o eletrodo negativo.
c) Calcule o valor mínimo de diferença de potencial a ser aplicada.
b) Identifique o eletrodo positivo e o eletrodo negativo.
c) Calcule o valor mínimo de diferença de potencial a ser aplicada.
Passo 1
O enunciado fornece duas semirreações (escritas como reações de redução) e seus potenciais-padrão:
As perguntas são:
a) Identificar qual eletrodo é o ânodo e qual é o cátodo (na eletrólise que decompõe a água produzindo H2 e O2).
b) Identificar qual eletrodo é positivo e qual é negativo.
c) Calcular o valor mínimo da diferença de potencial a ser aplicada (tensão mínima teoricamente necessária para ocorrer a eletrólise).]
a) Identificar qual eletrodo é o ânodo e qual é o cátodo (na eletrólise que decompõe a água produzindo H2 e O2).
b) Identificar qual eletrodo é positivo e qual é negativo.
c) Calcular o valor mínimo da diferença de potencial a ser aplicada (tensão mínima teoricamente necessária para ocorrer a eletrólise).]
Passo 2
Conceitos básicos (didático e passo a passo, sem pular etapas):
- Definição operacional de cátodo e ânodo numa célula eletroquímica:
- Cátodo é o eletrodo onde ocorre redução (ganho de elétrons).
- Ânodo é o eletrodo onde ocorre oxidação (perda de elétrons).
- Em uma célula eletrolítica (quando aplicamos uma fonte externa para forçar uma reação não espontânea):
- O terminal ligado ao pólo negativo da fonte fornece elétrons ao eletrodo; esse eletrodo é o cátodo (logo, o cátodo é o eletrodo negativo).
- O terminal ligado ao pólo positivo da fonte retira elétrons do eletrodo; esse eletrodo é o ânodo (logo, o ânodo é o eletrodo positivo).
- Regra para decidir qual semirreação tende a reduzir espontaneamente: entre duas semirreações escritas como reduções, a que tem maior potencial-padrão
é a que tem maior tendência a acontecer como redução espontânea (será cátodo num circuito galvânico). A outra, com menor , tende a se oxidar (quando se combina com a redução mais positiva).
Passo 3
Aplicando os conceitos às semirreações dadas:
- As duas foram fornecidas como reações de redução, com potenciais:
-
(redução que gera ). -
(redução do formando ).
-
- Comparando os valores:
é mais positivo que . Portanto, se a célula fosse espontânea (galvânica), a semirreação com seria a redução (cátodo) e a semirreação com seria oxidada (â-no-do, após inverter a escrita). - Na eletrólise que queremos (decompor água produzindo
no catodo e no anodo), a produção de é a redução (logo ocorre no cátodo) e a produção de é a oxidação (logo ocorre no ânodo). Isto corresponde a tomar a reação (R1) como redução no cátodo e a reação (R2) como oxidação no ânodo (ou seja, usar R2 escrita como redução, mas na célula ela será forçada ao sentido contrário para que ocorra oxidação).
Passo 4
Identificação do ânodo e cátodo (resposta detalhada):
- Cátodo: local da redução — reação que gera
. Portanto o eletrodo onde ocorre a semirreação é o cátodo. - Ânodo: local da oxidação — reação que gera
. A semirreação escrita como redução será, na eletrólise, revertida (isto é, ocorrerá na direção de oxidação) e, portanto, acontece no ânodo.
Passo 5
Identificação do polo positivo/negativo (explicando relação com fonte externa):
- Numa eletrólise o eletrodo conectado ao terminal negativo da fonte é o cátodo (pois a fonte empurra elétrons para ele). Logo o cátodo é o eletrodo negativo.
- O eletrodo conectado ao terminal positivo da fonte é o ânodo (a fonte “puxa” elétrons daí). Logo o ânodo é o eletrodo positivo.
- Aplicando isso ao caso: ânodo (onde sai
) = eletrodo positivo; cátodo (onde sai ) = eletrodo negativo.
Passo 6
Cálculo da diferença de potencial mínima (procedimento passo a passo com fórmulas):
- Para uma célula eletroquímica, o potencial de célula padrão (para as semirreações escritas como reduções) é dado por
onde é o potencial-padrão da semirreação que atua como redução (cátodo) e é o potencial-padrão da semirreação que atuaria como redução no outro eletrodo (mesmo que na prática esse eletrodo esteja sendo oxidado). - No enunciado queremos reduzir água para
no cátodo (R1) e oxidar para no ânodo (isto é a inversão de R2). Assim:
- Calculando:
- O sinal negativo indica que, com essas orientações, a reação global não é espontânea (ou seja, a reação espontânea seria o inverso). Para forçar a reação desejada (eletrólise) devemos aplicar uma fonte externa que imprima uma diferença de potencial pelo menos igual ao módulo desse valor.
- Portanto a tensão mínima teoricamente necessária (módulo) é
Passo 7
Observações práticas e balanceamento (didática final para a prova):
- Para balancear as correntes de elétrons entre as meias-reações, multiplicamos a semirreação do cátodo por 2 (pois ela troca 2 elétrons enquanto a semirreação do ânodo troca 4 elétrons) e somamos; o resultado líquido é
que é a decomposição da água (isso mostra que os coeficientes eletrônicos batem). - Atenção importante para a prova: o valor calculado
é o mínimo termodinâmico baseado nos potenciais-padrão fornecidos. Na prática real a eletrólise exige tensões maiores por causa das sobretensões cinematísticas, resistência do eletrólito, perdas resistivas, etc. Então em laboratório costuma-se aplicar tensões bem maiores que este mínimo teórico.
Resposta
a) Ânodo: eletrodo onde ocorre a oxidação e onde se forma
(a semirreação
revertida).
b) Eletrodo positivo: ânodo (onde sai ); eletrodo negativo: cátodo (onde sai
).
c) Diferença de potencial mínima (módulo): .
b) Eletrodo positivo: ânodo (onde sai
c) Diferença de potencial mínima (módulo):