2. Célula eletrolítica
Adicione diretamente ao béquer de 250 mL cerca de 100 mL da solução de NaCl (3%). No béquer de 50 mL verta uma pequena quantidade da solução de hexacianoferrato (III) de potássio 1%e use a pipeta para transferir 2 mL desta solução ao béquer contendo o NaCl . A esta solução adicione 5 gotas de fenolftaleína. Homogeneize a solução e reserve.
Lixe suavemente os eletrodos de cobre. Coloque o isopor no meio do béquer (separando-o em 2 compartimentos) e em seguida coloque um eletrodo em cada lado. Leve sua pilha até a fonte e siga as orientações do técnico, monitor ou docente de laboratório.
Usando a tabela de características de algumas substâncias e a tabela de potenciais de redução e com base nas suas observações e nos reagentes presentes na célula eletroquímica, determine qual eletrodo atua como cátodo e qual eletrodo atua como ânodo. Calcule o potencial da pilha. Enuncie e explique as transformações observadas.
As transformações podem ser evidenciadas pela formação de bolhas, de um depósito sólido sobre a superfície do eletrodo, pelo aparecimento de cor na solução ou eletrodo, pela mudança de cor da solução ou até pela variação de massa de um eletrodo.
Passo 1
O enunciado nos dá um experimento prático. Vou listar de forma clara o que foi colocado e o que é pedido:
-
Reagentes e materiais usados (do enunciado):
- Béquer com cerca de
de solução de NaCl a (portanto contém e ). - Adição de
de solução de hexacianoferrato(III) de potássio — isto fornece o íon (o “ferricianeto”). - Adição de 5 gotas de fenolftaleína (indicador de pH; fica rosa em meio básico).
- Dois eletrodos de cobre limados e colocados em partes separadas do béquer (com o isopor separando os compartimentos).
- Fonte de tensão externa (pilha/fonte) conectada aos eletrodos.
- Béquer com cerca de
-
O que o enunciado pede:
- Determinar qual eletrodo atua como cátodo e qual atua como ânodo (ou seja, onde ocorre redução e onde ocorre oxidação).
- Calcular o potencial da pilha (potencial padrão da célula) usando as espécies presentes.
- Enunciar e explicar as transformações observadas (bolhas, mudança de cor, depósito, variação de massa etc.).
Passo 2
Conceitos fundamentais (passo-a-passo didático, sem pular etapas):
-
Definições rápidas:
- Cátodo: eletrodo onde ocorre a redução (ganho de elétrons).
- Ânodo: eletrodo onde ocorre a oxidação (perda de elétrons).
- Potencial padrão de redução
: grandeza tabelada que indica a tendência de uma substância ser reduzida (quanto mais positivo, maior a tendência a ser reduzida).
-
Como decidir quais reações ocorrem:
- Entre várias espécies que podem aceitar elétrons (ser reduzidas), a que tiver o maior
de redução será a que tende a ser reduzida (no cátodo). - Entre várias espécies que podem ceder elétrons (ser oxidadas), a que tiver o menor (mais negativo)
de redução (ou, equivalentemente, maior facilidade de perder elétrons) será a que tende a ser oxidada (no ânodo). - O potencial padrão da célula é dado por:
onde os são potenciais de redução tabelados.
- Entre várias espécies que podem aceitar elétrons (ser reduzidas), a que tiver o maior
-
Observações práticas importantes:
- Fenolftaleína: incolor em pH ácido/neutro, rosa em pH básico (começa por volta de
). - Se ocorrer redução de água no cátodo em meio neutro/ácido forma-se
(gás) e (que torna a região próxima básica → fenolftaleína fica rosa). - Se o metal do eletrodo for oxidado, espera-se diminuição de massa do eletrodo e aumento de íons metálicos na solução (cor típica de
é azul-esverdeada).
- Fenolftaleína: incolor em pH ácido/neutro, rosa em pH básico (começa por volta de
Passo 3
Listar as meias-reações possíveis e seus potenciais padrão de redução (valores tabelados; estou usando valores de tabelas padrões de potenciais de redução):
-
Redução do íon hexacianoferrato(III) (ferricianeto) a hexacianoferrato(II) (ferrocianeto):
-
Redução do
a cobre metálico (padrão): -
Redução da água (em meio neutro/básico, formando
e ): -
Redução do cloro (reação inversa para oxidação de
a ): (isto implica que oxidara exige um potencial alto; em condições padrão é menos favorável do que oxidar água para em muitos casos).
Observação didática: os valores acima vêm de tabelas convencionais de potenciais padrão. Eles servem para comparar tendências de oxidação/redução das espécies presentes na solução experimental.
Passo 4
Determinar, por comparação de potenciais, quais meias-reações são mais prováveis:
-
Quem tem maior tendência a ser reduzido (maior
de redução)? -
tem , levemente maior que com . Logo, dentre as opções possíveis, é um aceitador de elétrons razoavelmente forte e tende a ser reduzido. - A redução da água tem
muito menor ( ), logo, se existir um oxidante mais favorável (como o ferricianeto), este último será reduzido preferencialmente ao invés da água.
-
-
Quem tende a ser oxidado (perder elétrons)?
- A oxidação de cobre metal a
é relativamente fácil neste contexto comparada à oxidação de a (porque a redução tem , muito alto). Assim, é energeticamente mais fácil oxidar o cobre do eletrodo do que oxidar o cloreto para formar . - Conclusão qualitativa: a oxidação mais provável no ânodo é
- A redução mais provável no cátodo é
- A oxidação de cobre metal a
Passo 5
Cálculo do potencial padrão da pilha (usando as duas meias-reações identificadas):
-
Tomando como cátodo a redução do ferricianeto (
) e como ânodo a oxidação do cobre (a meia-reação de redução correspondente tem ), aplica-se: Substituindo os valores: -
Interpretação: o potencial padrão da célula formada pelas meias-reações
e é aproximadamente (valor pequeno, reação pouco espontânea em condições padrão). Na prática, por ser muito próximo de zero, pequenas sobrepotenciais, concentrações e a aplicação de uma fonte externa podem inverter ou forçar processos secundários (por exemplo evolução de gás, oxidações laterais) — por isso a fonte/ polaridade usada no laboratório determina qual eletrodo fica conectado ao pólo positivo/negativo.
Passo 6
Explicação detalhada das transformações que se observam (ligando teoria às aparências práticas):
-
No cátodo (redução):
- Meia-reação esperada:
- Isso converte ferricianeto (espécie de cor amarelada/alaranjada) em ferrocianeto (mais pálido). Portanto, perto do eletrodo que atua como cátodo pode ocorrer mudança de cor da solução (descoloração ou alteração da tonalidade).
- Também pode ocorrer redução da água formando hidrogênio:
- Isso gera bolhas de
e aumenta a concentração de ao redor do eletrodo, tornando a vizinhança básica. A fenolftaleína fica rosa na região básica — logo, observar bolhas e uma região cor-de-rosa indica atividade redutora no cátodo (produção de e/ou redução do ferricianeto).
- Isso gera bolhas de
- Resumo prático do que se vê no cátodo: bolhas (se houver redução de água), coloração alterada por mudança ferricianeto→ferrocianeto e aparecimento de rosa no indicador (se muito
for formado).
- Meia-reação esperada:
-
No ânodo (oxidação):
- Meia-reação esperada:
- Isso causa perda de massa do eletrodo de cobre; a solução próxima pode tornar-se azul-esverdeada por formação de
.
- Isso causa perda de massa do eletrodo de cobre; a solução próxima pode tornar-se azul-esverdeada por formação de
- Outra possibilidade (menos provável nas condições iniciais, porque exige potencial maior) é a oxidação de
a : - mas esta reação requer potencial mais alto (
associado à redução de é ), portanto normalmente NÃO é a primeira a ocorrer a menos que a tensão aplicada seja alta e/ou haja sobrepotencial. Se for formado apareceria cheiro forte e bolhas de gás cloro.
- mas esta reação requer potencial mais alto (
- Interações entre
e os cianetos/ferrocyaneto podem produzir precipitados coloridos (compostos de ferro e cobalto/cobre com ferrocyaneto podem precipitar), logo um depósito sólido sobre o eletrodo ou turbidez azul-esverdeada na solução pode ser observado. - Resumo prático do que se vê no ânodo: perda de massa do eletrodo, possível coloração azul/verde da solução, depósito sólido (se reagir com ferrocyaneto), e (raramente) bolhas de gás cloro se a tensão for alta.
- Meia-reação esperada:
Passo 7
Como identificar experimentalmente, passo-a-passo (dicas práticas para a prova e para o laboratório):
- O local onde a fenolftaleína fica rosa e/ou onde se formam bolhas de
é o cátodo (redução, aumento de ). - O eletrodo que perde massa ou cuja vizinhança fica azul-esverdeada (cor característica de
) é o ânodo (oxidação do cobre). - Uma alteração de cor consistente com conversão de
(amarelo) para (mais incolor/pálido) no eletrodo ligado ao pólo negativo da fonte indica redução do ferricianeto no cátodo. - Se fosse observado cheiro forte de cloro e bolhas no ânodo, isso indicaria oxidação de
(mas esse é um caso menos provável a menores tensões).
Passo 8
Comentário sobre o papel da fonte externa (eletrólise) vs. reação galvânica:
- Aqui, no experimento, uma fonte externa é usada. A polaridade da fonte fixa qual eletrodo será cátodo (conectado ao polo negativo da fonte) e qual será ânodo (conectado ao polo positivo). As tendências que calculámos dizem qual reação é termodinamicamente favorecida entre as espécies disponíveis; dependendo da polaridade aplicada, as reações esperadas se verificam conforme descrito acima.
- Mesmo que o potencial padrão calculado seja pequeno (
), a fonte pode forçar reações adicionais (evolução de ou ) se a tensão aplicada for suficiente para superar as barreiras (sobretensões e resistências do sistema).
Resposta
Cátodo: eletrodo onde ocorre a redução de
a
; geralmente é o eletrodo que fica com fenolftaleína rosa localmente e que apresenta bolhas de
(se houver redução de água).
Ânodo: eletrodo de cobre que é oxidado ; espera-se perda de massa do eletrodo e coloração azul-esverdeada da solução próximo ao ânodo.
Potencial padrão da pilha: .
Ânodo: eletrodo de cobre que é oxidado
Potencial padrão da pilha: