A eletrólise de salmoura é um processo industrial importante para produção de \mathrm{Cl}_{2} 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: \mathrm{NaCl} em meio aquoso (salmoura) é eletrólisada e os produtos industriais desejados são \mathrm{Cl}_2 e \mathrm{NaOH}. 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
  1. 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
  2. Espécies presentes em salmoura: \mathrm{Na^+}, \mathrm{Cl^-} e \mathrm{H_2O}. Essas são as espécies que podem ser oxidadas ou reduzidas.\n
  3. Quais reações possíveis nos eletrodos? As reações mais prováveis são:\n
\text{Oxidação possível (ânodo): } 2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2 + 2e^-çãíâ\n
\text{Outra oxidação possível (ânodo), menos desejada: } 2\mathrm{H_2O} \to \mathrm{O}_2 + 4H^+ + 4e^-çãíâ\n
\text{Redução possível (cátodo): } 2\mathrm{H_2O} + 2e^- \to \mathrm{H}_2 + 2\mathrm{OH^-}çãíá\n
\text{Redução de íon metálico (não comum em meio aquoso para Na^+): } \mathrm{Na^+} + e^- \to \mathrm{Na (s)}çãíáã\n
  1. Por que \mathrm{Na^+} normalmente não é reduzido diretamente na água? Porque reduzir \mathrm{Na^+} para metal livre exige muito mais potencial (é energeticamente pior) do que reduzir água para \mathrm{H_2}. Em termos práticos, na eletrólise aquosa reduz-se água no cátodo (formando \mathrm{OH^-} e \mathrm{H_2}), não \mathrm{Na} metálico — exceto na célula de mercúrio onde o sódio é temporariamente formado como amalgama (vou explicar isso depois).\n
  2. Conclusão deste passo: a reação de ânodo mais comum é a oxidação de \mathrm{Cl^-} para \mathrm{Cl}_2, e a reação de cátodo mais comum em água é a redução da água para \mathrm{H_2} e \mathrm{OH^-}. 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
  1. Ânodo (o cátion \mathrm{Cl^-} é oxidado):\n
2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2(g) + 2e^-\n
Explicação: cada duas cargas de \mathrm{Cl^-} 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\mathrm{H_2O}(l) + 2e^- \to \mathrm{H_2}(g) + 2\mathrm{OH^-}(aq)\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
\begin{aligned} &2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2 + 2e^- \\\ &2\mathrm{H_2O} + 2e^- \to \mathrm{H_2} + 2\mathrm{OH^-} \\\ \hline &2\mathrm{Cl^-} + 2\mathrm{H_2O} \to \mathrm{Cl}_2 + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{OH^-} \end{aligned}\n
  1. Introduzindo os contra-íons \mathrm{Na^+} que estavam na salmoura (eles não participam nas meias-reações, só permitem formar o hidróxido de sódio): os \mathrm{OH^-} formados combinam com \mathrm{Na^+} para dar \mathrm{NaOH}. Assim a equação global (este é o balanço de matéria) fica:\n
2\mathrm{NaCl}(aq) + 2\mathrm{H_2O}(l) \to \mathrm{Cl}_2(g) + \mathrm{H_2}(g) + 2\mathrm{NaOH}(aq)\n
  1. 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 \mathrm{OH^-}. Na célula de membrana (troca catiônica) a membrana permite a passagem preferencial de \mathrm{Na^+} para o cátodo, o que gera \mathrm{NaOH} relativamente puro. Mas as meias-reações eletroquímicas nos eletrodos são as mesmas nos dois tipos (ânodo: oxidação de \mathrm{Cl^-}; cátodo: redução de água).

Passo 4

Célula de mercúrio (amalgama) — diferenças e detalhes passo a passo.\n
  1. Por que é diferente? Nessa célula o cátodo é uma superfície de mercúrio. \mathrm{Na^+} é reduzido numa espécie intermediária que forma uma amálgama com o mercúrio, em vez de reduzir água diretamente no cátodo. Isso permite obter \mathrm{Na} temporariamente sem gerar muito \mathrm{H_2} na posição do cátodo primário.\n
  2. Meia-reação do ânodo (igual às outras):\n
2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2(g) + 2e^-\n
  1. Meia-reação do cátodo (redução de \mathrm{Na^+} formando amálgama):\n
\mathrm{Na^+} + e^- \to \mathrm{Na (amalgam)}\n
Observação: escrevo aqui de forma condensada como \mathrm{Na (amalgam)} ou \mathrm{Na(Hg)} 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
2\mathrm{Na(Hg)} + 2\mathrm{H_2O} \to 2\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{Hg}\n
Explicação: o mercúrio funciona como transportador do sódio metálico; após a reação com água o mercúrio retorna para o circuito e o \mathrm{NaOH} é coletado.\n
5) Se eu somar as etapas (ânodo + redução de \mathrm{Na^+} formando amalgama + hidrolise da amálgama), o resultado global também é:\n
2\mathrm{NaCl} + 2\mathrm{H_2O} \to \mathrm{Cl}_2 + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{NaOH}\n
  1. 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
  1. 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 2e^-, então somam-se diretamente.\n
  2. Verifique átomos e cargas: nos exemplos acima o número de átomos de \mathrm{Cl}, \mathrm{H}, \mathrm{O} e cargas totais fecha corretamente depois de combinar as meias-reações.\n
  3. Lembre-se: íons espectadores (aqui \mathrm{Na^+} quando não é reduzido diretamente) não aparecem nas meias-reações, mas aparecem ao compor as fórmulas dos produtos (porque \mathrm{OH^-} formados no cátodo combinam com \mathrm{Na^+} para dar \mathrm{NaOH}). 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
  1. Se a salmoura estiver muito diluída ou as condições forem inadequadas, no ânodo pode ocorrer oxidação da água para \mathrm{O_2} em vez de oxidação de \mathrm{Cl^-}. A meia-reação de oxidação da água é:\n
2\mathrm{H_2O} \to \mathrm{O_2} + 4H^+ + 4e^-\n
  1. Por isso industrialmente se usa salmoura concentrada e eletrodos/membranas apropriadas para favorecer a evolução de \mathrm{Cl}_2 em vez de \mathrm{O}_2.\n
  2. 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 \mathrm{Na^+} 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:
2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2(g) + 2e^-
Célula diafragma / célula membrana — cátodo:
2\mathrm{H_2O}(l) + 2e^- \to \mathrm{H_2}(g) + 2\mathrm{OH^-}(aq)
Célula diafragma / célula membrana — reação global:
2\mathrm{NaCl}(aq) + 2\mathrm{H_2O}(l) \to \mathrm{Cl}_2(g) + \mathrm{H_2}(g) + 2\mathrm{NaOH}(aq)
Célula de mercúrio (amalgama) — ânodo:
2\mathrm{Cl^-} \to \mathrm{Cl}_2(g) + 2e^-
Célula de mercúrio (amalgama) — cátodo (formação de amálgama):
\mathrm{Na^+} + e^- \to \mathrm{Na(Hg)}
Amálgama reagindo com água (passo subsequente):
2\mathrm{Na(Hg)} + 2\mathrm{H_2O} \to 2\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{Hg}
Célula de mercúrio — reação global:
2\mathrm{NaCl} + 2\mathrm{H_2O} \to \mathrm{Cl}_2 + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{NaOH}

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