Na eletrólise de \mathrm{NaCl}(\mathrm{aq}) (salmoura) com eletrodos inertes, os produtos principais esperados são:
a) \mathrm{Na}(\mathrm{s}) no cátodo \mathrm{eCl}_{2}(\mathrm{~g}) no ânodo
b) \mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g}) no cátodo \mathrm{e} \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{~g}) no ânodo
c) \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) no cátodo e \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{~g}) no ânodo
d) \mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g}) no cátodo e \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) no ânodo (sem formação de NaOH )

Passo 1

O enunciado pergunta: na eletrólise de \mathrm{NaCl}(\mathrm{aq}) (salmoura) com eletrodos inertes, quais são os produtos principais esperados entre as alternativas:
a) \mathrm{Na}(\mathrm{s}) no cátodo e \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{g}) no ânodo
b) \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) no cátodo e \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{g}) no ânodo
c) \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) no cátodo e \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{g}) no ânodo
d) \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g}) no cátodo e \mathrm{O}_{2}(\mathrm{g}) no ânodo (sem formação de NaOH)
Informações relevantes dadas:
  • Solução aquosa de \mathrm{NaCl} (salmoura).
  • Eletrodos inertes (não participam quimicamente, apenas conduzem elétrons).
  • Quer-se saber os produtos principais formados no cátodo e no ânodo (e, implicitamente, o que fica na solução).

Passo 2

Entender o que pode ocorrer em cada eletrodo: no cátodo (polo negativo) ocorrem reduções; no ânodo (polo positivo) ocorrem oxidações. Em solução aquosa existem espécies candidatas:
  • Para redução no cátodo: \mathrm{Na}^{+} e água ( \mathrm{H_{2}O}, levando à formação de \mathrm{H_{2}}).
  • Para oxidação no ânodo: \mathrm{Cl}^{-} e água ( \mathrm{H_{2}O}, levando à formação de \mathrm{O_{2}}).
Vamos listar as meias-reações possíveis (na forma de redução quando for mais direto comparar potenciais):
No cátodo (reduções possíveis)
\text{(1) } \mathrm{Na}^{+} + e^{-} \rightarrow \mathrm{Na}(s),\qquad E^\circ_{\text{red}}(\mathrm{Na}^{+}/\mathrm{Na}) \approx -2{,}71\\ \mathrm{V}
\text{(2) } 2\mathrm{H_{2}O} + 2e^{-} \rightarrow \mathrm{H_{2}}(g) + 2\mathrm{OH}^{-},\qquad E^\circ_{\text{red}} \approx -0{,}83\\ \mathrm{V}
Explicação didática: E^\circ_{\text{red}} é o potencial padrão de redução; quanto mais positivo for E^\circ_{\text{red}}, mais fácil é reduzir essa espécie (ou seja, menos energia elétrica é necessária). Comparando -2{,}71\\ \mathrm{V} com -0{,}83\\ \mathrm{V}, reduzir água para \mathrm{H_2} é muito mais fácil do que reduzir \mathrm{Na}^{+} para metal sódico. Assim, termodinamicamente a redução da água vence a redução do \mathrm{Na}^{+}.

Passo 3

Conclusão para o cátodo e consequência prática:
  • No cátodo forma-se gás hidrogênio segundo a meia-reação
2\mathrm{H_{2}O} + 2e^{-} \rightarrow \mathrm{H_{2}}(g) + 2\mathrm{OH}^{-}.
  • Como \mathrm{OH}^{-} é gerado no eletrodo e \mathrm{Na}^{+} está presente na solução, forma-se \mathrm{NaOH} na vizinhança do cátodo (o ânion \mathrm{OH}^{-} combina com \mathrm{Na}^{+}).
    Observação prática e intuitiva: sódio metálico não se deposita numa solução aquosa porque a água é muito mais facilmente reduzida; o sódio metálico reagiria imediatamente com água de qualquer maneira.

Passo 4

Agora o que pode ocorrer no ânodo (oxidações possíveis). Escrevemos as meias-reações como reduções conhecidas para comparar potenciais padrão:
Redução correspondente à oxidação de cloreto:
\text{(3) } \mathrm{Cl_{2}}(g) + 2e^{-} \rightarrow 2\mathrm{Cl}^{-},\qquad E^\circ_{\text{red}}(\mathrm{Cl_{2}}/\mathrm{Cl}^{-}) = +1{,}36\\ \mathrm{V}.
Redução correspondente à oxidação da água (formação de oxigênio; versão ácida mostrada para referência):
\text{(4) } \mathrm{O_{2}}(g) + 4\mathrm{H}^{+} + 4e^{-} \rightarrow 2\mathrm{H_{2}O},\qquad E^\circ_{\text{red}}(\mathrm{O_{2}}/\mathrm{H_{2}O}) = +1{,}23\\ \mathrm{V}.
Explicação didática: aqui a comparação é menos imediata porque os potenciais dependem do pH e das concentrações. Termodinamicamente E^\circ_{\text{red}} para \mathrm{Cl_{2}}/\mathrm{Cl}^{-} é um pouco mais positivo que para \mathrm{O_{2}}/\mathrm{H_{2}O} (isto é, \mathrm{Cl_{2}} é um agente oxidante mais forte em condições padrão). No entanto, na prática industrial/laboratorial a evolução de \mathrm{Cl}_{2} a partir de \mathrm{Cl}^{-} é geralmente favorecida quando a concentração de \mathrm{Cl}^{-} é alta (salmoura), e a oxidação da água para \mathrm{O_{2}} tem uma grande sobrepotencial (é “lenta” nas superfícies de muitos eletrodos inertes). Ou seja, por razões cinéticas (sobrepotencial) e por alta concentração de \mathrm{Cl}^{-}, a produção de \mathrm{Cl_{2}} no ânodo é favorecida mesmo quando as diferenças termodinâmicas são pequenas.
Resumo didático curto: embora água possa teoricamente ser oxidada a oxigênio, em salmouras e com eletrodos inertes a oxidação do \mathrm{Cl}^{-} para \mathrm{Cl}_{2} é a via que de fato ocorre com mais facilidade.

Passo 5

Escrever a meia-reação de oxidação que realmente ocorre no ânodo:
2\mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{Cl_{2}}(g) + 2e^{-}.
Agora somamos a meia-reação do cátodo (formação de \mathrm{H_{2}}) com a do ânodo (formação de \mathrm{Cl_{2}}) para obter a reação global observada:
Cátodo:
2\mathrm{H_{2}O} + 2e^{-} \rightarrow \mathrm{H_{2}}(g) + 2\mathrm{OH}^{-}
Ânodo:
2\mathrm{Cl}^{-} \rightarrow \mathrm{Cl_{2}}(g) + 2e^{-}
Somando (eliminando os elétrons):
2\mathrm{NaCl}(aq) + 2\mathrm{H_{2}O}(l) \rightarrow \mathrm{H_{2}}(g) + \mathrm{Cl_{2}}(g) + 2\mathrm{NaOH}(aq).
Interpretação prática: produtos principais — no cátodo produz-se \mathrm{H_{2}}(g); no ânodo produz-se \mathrm{Cl_{2}}(g); a solução fica enriquecida em \mathrm{NaOH}. Este é exatamente o processo industrial cloro-álcali (quando se usa salmoura concentrada e eletrodos inertes).

Passo 6

Confrontando as alternativas:
  • (a) está errada porque \mathrm{Na}(s) não se forma (água é reduzida preferencialmente).
  • (b) está correta: \mathrm{H_{2}}(g) no cátodo e \mathrm{Cl_{2}}(g) no ânodo — é o que acabamos de deduzir.
  • (c) está errada porque \mathrm{O_{2}}(g) não é o principal produto do ânodo em salmoura (Cl2 é).
  • (d) está errada porque, embora \mathrm{H_{2}} possa ser formado no cátodo, o ânodo forma \mathrm{Cl_{2}} e além disso a reação gera \mathrm{NaOH} na solução (portanto “sem formação de NaOH” é falso).
Pequeno incentivo amigo: dá pra decorar isso como “água se reduz no cátodo (H2), cloreto se oxida no ânodo (Cl2) — por isso NaOH fica na solução”. Isso cai muito em provas e é útil lembrar da aplicação prática.

Resposta

(b)

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