Questão 10 - Descreva os produtos formados na eletrólise:
a) NaCl fundido (ígnea)
b) NaCl aquoso (eletrodo inerte)
Explique as diferenças observadas
a) NaCl fundido (ígnea)
b) NaCl aquoso (eletrodo inerte)
Passo 1
O enunciado pede que eu descreva os produtos formados na eletrólise de duas situações diferentes e explique por que os produtos são diferentes. As duas situações são:
- (a) eletrólise de
fundido (ígneo); - (b) eletrólise de
aquoso com eletrodos inertes.
Informações relevantes dadas (implícitas no enunciado):
- No caso (a) a única espécie iônica presente é
e (não há água). - No caso (b) há
, e competindo nas semi‑reações de eletrólise. - Os eletrodos são inertes em (b), ou seja, os eletrodos não participam quimicamente (ex.:
ou grafite).
Passo 2
Rápida revisão do que acontece na eletrólise (passo didático):
- Eletrólise é um processo forçado por uma fonte de energia (uma fonte de tensão) que faz acontecer reações não espontâneas.
- No cátodo (eletrodo negativo) ocorre redução (ganho de elétrons).
- No ânodo (eletrodo positivo) ocorre oxidação (perda de elétrons).
- Para prever o que ocorre em cada eletrodo com várias espécies possíveis, comparamos as semi‑reações possíveis e seus potenciais padrão (e também consideramos concentrações e efeitos cinéticos/overpotenciais).
Vou usar esses princípios para decidir quais espécies são reduzidas ou oxidadas em cada caso.
Passo 3
Apresentando as semi‑reações relevantes e seus potenciais padrão (valores padrão para referência):
- Redução de
:
- Redução da água (em meio neutro/ básico) produzindo hidrogênio:
- Redução de cloro (reverso da oxidação
):
- Redução do oxigênio (reverso da oxidação da água a
):
Como regra prática: a semi‑reação com menor (mais negativo) potencial de redução é a mais difícil de reduzir e, portanto, menos favorecida no cátodo; no cátodo ocorre a redução que requer menor (em módulo) energia (potencial mais positivo dentre as opções). No ânodo comparamos as oxidações possíveis — às vezes é mais claro comparar os potenciais de redução e lembrar que a oxidação preferida é a “inversa” que exige menor potencial aplicado quando consideramos também efeitos de concentração e cinética (overpotencial).
Passo 4
Casos onde NÃO há água: eletrólise de
fundido (ígneo).
- Espécies presentes:
e somente. - No cátodo (redução) a única opção viável é:
Logo o cátodo produz sódio metálico. Em altas temperaturas, o sódio é líquido (
).
- No ânodo (oxidação) a única opção é:
- Reunião das semi‑reações (multiplicando a primeira por 2 para balancear elétrons):
- Observações importantes (didáticas): como não há água, não existe a via de redução da água nem a reação do sódio com água; por isso o metal sodio formado permanece (ou é separado) e o cloro sai como gás. Esse é exatamente o princípio de processos industriais como a célula de Downs para obtenção de
e .
Passo 5
Casos com água: eletrólise de
aquoso com eletrodos inertes.
- Espécies presentes:
, e . - No cátodo (redução) há competição entre reduzir
para ou reduzir água para . Comparando potenciais:
A redução da água é muito mais fácil (potencial de redução mais positivo) do que a redução de
. Portanto, o circuito reduz água no cátodo, formando gás hidrogênio e íons hidróxido:
-
Consequência prática:
se acumula perto do cátodo e combina com do eletrólito formando em solução (a solução fica alcalina). -
No ânodo (oxidação) há competição entre oxidar
para ou oxidar água para . As reduções padrão (revisão):
Em termos puramente termodinâmicos, a redução de
tem um potencial ligeiramente menor que o de
, o que sugeriria que a oxidação da água (
) seria um pouco mais fácil que a oxidação de
(esses significados trocam ao inverter a reação). Porém, na prática experimental com eletrólitos ricos em
(soluções de sal concentrado, “salmouras”), observa‑se que a oxidação de
para
ocorre preferencialmente. Por quê? Duas razões didáticas:
- Efeito de concentração: alta concentração de
desloca potencial via equação de Nernst, tornando a oxidação de mais favorável. - Cinética / overpotencial: a evolução de oxigênio sobre muitos materiais de eletrodo tem uma barreira cinética maior (é “mais lenta” e requer maior sobretensão) do que a oxidação de
. Assim, apesar de números padrão próximos, a oxidação de é normalmente a reação observada em práticas de eletrólise de salmouras com eletrodos inertes. - Logo, o ânodo produz normalmente
em soluções concentradas de :
- Combinando cátodo e ânodo obtemos a reação global observada na eletrólise de salmoura:
- Observação prática/didática: se a concentração de
for muito baixa, ou se os eletrodos e condições favorecem fortemente a evolução de oxigênio, pode ocorrer oxigênio no ânodo em vez de cloro. Mas para soluções típicas de concentrado e eletrodos inertes, o produto no ânodo é .
Passo 6
Por que os resultados são diferentes entre (a) e (b)? (explicação clara e resumida)
- Presença de água em (b): a água oferece uma semi‑reação com potencial muito menos negativo do que a redução de
; assim, no cátodo a água é reduzida a em vez de formar sódio metálico. Em outras palavras, mesmo que externalmente se tente reduzir , a água “rouba” os elétrons primeiro. - Reatividade do sódio com água: mesmo que, hipoteticamente,
metálico fosse formado no cátodo em meio aquoso, ele reagiria instantaneamente com água formando e , de modo que não aparece sódio metálico como produto observável em eletrólise aquosa. A reação típica é:
- No caso fundido (a) não há água, logo a redução de
não é competitiva com a água e o metal sódio é de fato obtido. - No ânodo, diferença prática é principalmente por existência de água: em (a) só
existe para oxidar; em (b) há competição entre e para serem oxidados, e condições experimentais (concentração, material do eletrodo, overpotencial) determinam qual ocorre. Em salmouras típicas, oxida‑se para .
Passo 7
Resumo prático (para decorar/usar em prova):
- Eletrólise de
fundido: produtos = (cátodo) e (ânodo). Reação global: . - Eletrólise de
aquoso (eletrodo inerte, salmoura comum): produtos típicos = (cátodo), (ânodo), e (permanece em solução). Reação global típica: . - Em prova: explique sempre por que a água é reduzida preferencialmente ao
(potencial de redução mais positivo) e mencione a possibilidade de evolução de no ânodo se for pouco concentrado ou se as condições cinéticas favorecerem a oxidação da água.
Resposta
(a)
— produtos:
(cátodo) e
(ânodo).
(b)
— produtos típicos:
(cátodo),
(ânodo) e
em solução.