A eletrólise de salmoura é um processo industrial importante para produção de
e NaOH . Escreva as reações nos eletrodos para cada célula.
Passo 1
O enunciado pede que eu escreva as reações que ocorrem nos eletrodos (ânodo e cátodo) na eletrólise da salmoura, para cada tipo de célula. As informações dadas são:
em meio aquoso (salmoura) é eletrólisada e os produtos industriais desejados são
e
. Vou considerar as células industriais típicas usadas nesse processo: célula diafragma, célula membrana (troca iônica) e célula de mercúrio (amalgama). Neste passo não vou resolver nada — só estou explicitando o que a questão pede e os dados que tenho.
Passo 2
Antes de escrever as reações, precisamos entender o que é necessário em qualquer eletrólise e quais espécies estão presentes na salmoura. Vou explicar de forma bem clara e passo a passo.\n
- Conceito básico: numa eletrólise há dois eletrodos: ânodo (onde ocorre oxidação, saída de elétrons) e cátodo (onde ocorre redução, entrada de elétrons). Os elétrons saem do ânodo e chegam ao cátodo através do circuito externo.\n
- Espécies presentes em salmoura:
, e . Essas são as espécies que podem ser oxidadas ou reduzidas.\n - Quais reações possíveis nos eletrodos? As reações mais prováveis são:\n
- Por que
normalmente não é reduzido diretamente na água? Porque reduzir para metal livre exige muito mais potencial (é energeticamente pior) do que reduzir água para . Em termos práticos, na eletrólise aquosa reduz-se água no cátodo (formando e ), não metálico — exceto na célula de mercúrio onde o sódio é temporariamente formado como amalgama (vou explicar isso depois).\n - Conclusão deste passo: a reação de ânodo mais comum é a oxidação de
para , e a reação de cátodo mais comum em água é a redução da água para e . Agora vou escrever as reações específicas por tipo de célula e mostrar como combinar as meias-reações para obter a reação global.
Passo 3
Células diafragma e membrana — meias-reações e reação global.\n
- Ânodo (o cátion
é oxidado):\n
Explicação: cada duas cargas de
liberam uma molécula de cloro gasosa e dois elétrons.\n
2) Cátodo (na presença de água, a água é reduzida gerando hidrogênio gasoso e hidróxido):\n
2) Cátodo (na presença de água, a água é reduzida gerando hidrogênio gasoso e hidróxido):\n
Explicação: dois elétrons reduzem duas moléculas de água, produzindo uma molécula de hidrogênio e duas íons hidróxido.\n
3) Agora soma-se as duas meias-reações e cancela-se os elétrons (2e^- em cada uma):\n
3) Agora soma-se as duas meias-reações e cancela-se os elétrons (2e^- em cada uma):\n
\n
- Introduzindo os contra-íons
que estavam na salmoura (eles não participam nas meias-reações, só permitem formar o hidróxido de sódio): os formados combinam com para dar . Assim a equação global (este é o balanço de matéria) fica:\n
- Observação prática: na célula de diafragma há uma separação física por uma membrana porosa (diáfragma) que evita que o cloro gerado no ânodo misture imediatamente com a solução catódica rica em
. Na célula de membrana (troca catiônica) a membrana permite a passagem preferencial de para o cátodo, o que gera relativamente puro. Mas as meias-reações eletroquímicas nos eletrodos são as mesmas nos dois tipos (ânodo: oxidação de ; cátodo: redução de água).
Passo 4
Célula de mercúrio (amalgama) — diferenças e detalhes passo a passo.\n
- Por que é diferente? Nessa célula o cátodo é uma superfície de mercúrio.
é reduzido numa espécie intermediária que forma uma amálgama com o mercúrio, em vez de reduzir água diretamente no cátodo. Isso permite obter temporariamente sem gerar muito na posição do cátodo primário.\n - Meia-reação do ânodo (igual às outras):\n
- Meia-reação do cátodo (redução de
formando amálgama):\n
Observação: escrevo aqui de forma condensada como
ou
para indicar sódio dissolvido/formado no mercúrio.\n
4) O sódio na amálgama é depois conduzido para um compartimento separado, onde reage com água para formar hidróxido de sódio, liberando hidrogênio e restituindo o mercúrio:\n
4) O sódio na amálgama é depois conduzido para um compartimento separado, onde reage com água para formar hidróxido de sódio, liberando hidrogênio e restituindo o mercúrio:\n
Explicação: o mercúrio funciona como transportador do sódio metálico; após a reação com água o mercúrio retorna para o circuito e o
é coletado.\n
5) Se eu somar as etapas (ânodo + redução de formando amalgama + hidrolise da amálgama), o resultado global também é:\n
5) Se eu somar as etapas (ânodo + redução de
- Nota prática e ambiental: a célula de mercúrio era muito usada (Castner–Kellner), mas tem problemas ambientais por causa do mercúrio. Por isso a tecnologia de membrana é atualmente preferida.
Passo 5
Balanço de elétrons e verificação de coeficientes — ensino concretinho para que você saiba fazer na prova.\n
- Sempre que for montar a reação global, proceda assim: escreva as duas meias-reações (ânodo e cátodo), iguale o número de elétrons transferidos multiplicando meias-reações se necessário, some termo a termo e cancele os elétrons. No nosso caso padrão as duas meias-reações úteis têm ambas
, então somam-se diretamente.\n - Verifique átomos e cargas: nos exemplos acima o número de átomos de
, , e cargas totais fecha corretamente depois de combinar as meias-reações.\n - Lembre-se: íons espectadores (aqui
quando não é reduzido diretamente) não aparecem nas meias-reações, mas aparecem ao compor as fórmulas dos produtos (porque formados no cátodo combinam com para dar ). Isso é importante na prova: não confunda meias-reações com a solução completa contendo os contra-íons.
Passo 6
Reação indesejada e condição prática (curtinha):\n
- Se a salmoura estiver muito diluída ou as condições forem inadequadas, no ânodo pode ocorrer oxidação da água para
em vez de oxidação de . A meia-reação de oxidação da água é:\n
- Por isso industrialmente se usa salmoura concentrada e eletrodos/membranas apropriadas para favorecer a evolução de
em vez de .\n - Mantenha essa observação na prova caso te perguntem sobre eficiência ou por que se usa membrane/diaphragma.
Passo 7
Resumo final didático: escrevi as meias-reações e a global para cada tipo de célula, expliquei por que
normalmente não se reduz em solução aquosa e mostrei a diferença operacional da célula de mercúrio (amalgama). Você pode reproduzir o procedimento em qualquer questão: identificar as espécies, escrever meias-reações, igualar elétrons e somar. Força — você já domina a técnica agora!
Resposta
Célula diafragma / célula membrana — ânodo:
Célula diafragma / célula membrana — cátodo:
Célula diafragma / célula membrana — reação global:
Célula de mercúrio (amalgama) — ânodo:
Célula de mercúrio (amalgama) — cátodo (formação de amálgama):
Amálgama reagindo com água (passo subsequente):
Célula de mercúrio — reação global: