Questão 10. Alumínio é obtido por eletrólise ignea de
associada à criolita (
), com eletrodos de grafite.
A) Escreva as semirreações catódica, anódica e global.
B) Qual a função da criolita adicionada ao
?
C) Qual a massa aproximada de alumínio, em g, produzida por uma indústria que submeteu uma determinada quantidade de óxido de alumínio a 24 horas de eletrólise com uma corrente constante de 12 A , sabendo que o processo apresenta
de rendimento?
A) Escreva as semirreações catódica, anódica e global.
B) Qual a função da criolita adicionada ao
C) Qual a massa aproximada de alumínio, em g, produzida por uma indústria que submeteu uma determinada quantidade de óxido de alumínio a 24 horas de eletrólise com uma corrente constante de 12 A , sabendo que o processo apresenta
Passo 1
Vou listar claramente o que o enunciado pede e quais dados foram fornecidos.
- Perguntas:
- A) Escrever as semirreações catódica, anódica e a reação global.
- B) Dizer qual é a função da criolita adicionada ao
. - C) Calcular a massa aproximada de alumínio produzida em gramas, sabendo que a eletrólise durou 24 horas com corrente constante de
e rendimento de .
- Dados extraídos do enunciado:
- Reagente:
(alumina), em meio fundido com criolita ( ). - Eletrodos: grafite (carbono) — isso implica que o anodo é consumível e pode formar
. - Corrente elétrica:
. - Tempo de eletrólise:
. - Rendimento do processo:
.
- Reagente:
- Constantes que usarei:
- Constante de Faraday:
. - Massa molar do alumínio:
.
- Constante de Faraday:
Passo 2
Explicação didática rápida do que acontece nos eletrodos (sem pular etapas).
- Em eletrólise há duas metades de reação: redução no cátodo (ganho de elétrons) e oxidação no anodo (perda de elétrons).
- Na alumina fundida existem íons
e . No cátodo os são reduzidos a alumínio metálico; no anodo os íons são oxidados a oxigênio. Porém, com eletrodos de grafite (carbono), o oxigênio formado reage com o carbono do anodo formando . Vou escrever as semirreações correspondentes.
Passo 3
Semirreações (escritas e explicadas passo a passo).
- Semirreação catódica (redução): cada íon alumínio precisa de 3 elétrons para virar metal.
Explicação: o sinal “
” indica que o alumínio no óxido perdeu 3 elétrons. Para formar alumínio metálico esses 3 elétrons devem ser fornecidos pelo circuito externo (corrente elétrica).
- Semirreação anódica ideal (oxidação do ânion óxido): cada par de íons óxido libera elétrons formando oxigênio gasoso.
Explicação: dois
(carga total
) produzem uma molécula
e liberam 4 elétrons ao circuito.
- Observação com eletrodos de grafite (reação real no anodo): o oxigênio reage com o carbono do eletrodo formando dióxido de carbono. Uma forma conveniente de escrever a semirreação anódica considerando o carbono é:
Isto mostra que o anodo de grafite é consumido, produzindo
.
Passo 4
Construção da reação global (passo a passo, balanceando elétrons).
- Para cancelar elétrons, igualamos a quantidade de elétrons trocada nas semirreações. A redução de
consome 3 elétrons por átomo de Al; a oxidação (na forma escrita) libera 4 elétrons por unidade mostrada. - Multiplicamos a semirreação catódica por
(4 átomos de Al, 12 elétrons) e a semirreação anódica por (3 moléculas de / 12 elétrons), assim os elétrons se cancelam: -
vezes a catódica:
-
vezes a semirreação com carbono no anodo:
-
- Somando as duas e lembrando que os íons vêm da decomposição de
: cada fornece Al e O; para obter 4 Al usa-se unidades de . A equação global fica:
Comentário: essa é a equação que mostra consumo do anodo de carbono — por isso as paredes/anodos de grafite têm de ser repostos periodicamente.
Passo 5
Resposta à letra B (função da criolita) com explicação didática.
- Função da criolita (
): - A criolita serve como solvente para a
e reduz fortemente o ponto de fusão da mistura. A alumina pura funda a temperaturas muito altas (acima de ), enquanto a mistura com criolita torna o banho fundido operável em torno de (ordem de grandeza). - Além disso, a criolita melhora a condutividade elétrica do banho e facilita a dissolução e mobilidade dos íons
e , reduzindo o consumo de energia e permitindo a eletrólise prática e controlada.
- A criolita serve como solvente para a
- Em palavras simples: a criolita “mata” o ponto de fusão e torna a eletrólise viável e mais econômica.
Passo 6
Preparando o cálculo para a letra C: transformar dados de tempo em segundos e aplicar a lei de Faraday.
- Tempo em segundos:
- Carga total que passou pela célula (quantidade de carga elétrica):
Explicação:
, então multiplicando por segundos obtemos coulombs.
Passo 7
Calcular o número de mols de elétrons transferidos usando a constante de Faraday.
- Número de mols de elétrons:
Explicação: cada mol de elétrons corresponde a
coulombs; dividindo a carga total por
obtemos quantos mols de elétrons foram fornecidos.
Passo 8
Relacionar os mols de elétrons com os mols de alumínio (estequiometria).
- Pela semirreação catódica, a redução de um átomo de alumínio requer
elétrons:
- Logo, mols de alumínio teoricamente produzidos (antes de considerar rendimento):
Passo 9
Converter mols de alumínio em massa e aplicar o rendimento de
.
- Massa teórica (sem rendimento):
- Aplicando o rendimento real de
:
- Arredondando de forma razoável (duas casas significativas compatíveis com os dados):
.
Passo 10
Resumo interpretativo e conselho rápido para a prova.
- Resultado numérico final: aproximadamente
de alumínio produzido nas condições dadas com de rendimento. - Dica para prova: sempre escreva as semirreações com clareza (mostre que entende quem é oxidado e quem é reduzido), balanceie elétrons antes de somar as metades, e para cálculos eletrolíticos use sempre a sequência:
, , estequiometria elétron ↔ produto, depois massa com massa molar, por fim ajuste pelo rendimento.
Resposta
A) Semirreações: catódica:
. anódica (considerando anodo de grafite):
. Reação global:
.
B) A criolita (
) funciona como solvente da
, reduzindo fortemente o ponto de fusão da mistura e melhorando a condutividade elétrica, tornando a eletrólise economicamente viável.
C)