Eletrólise da água: procedimento, técnicas, para que serve - Ciência - 2023

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o eletrólise de água É a decomposição da água em seus componentes elementares pela aplicação de uma corrente elétrica. Ao prosseguir, hidrogênio e oxigênio molecular, H₂ Eu₂. Essas duas superfícies são mais conhecidas pelo nome de eletrodos.

Teoricamente, o volume de H₂ formado deve ser duas vezes o volume de O₂. Por quê? Porque a molécula de água tem uma relação H / O igual a 2, ou seja, dois H para cada oxigênio. Essa relação é verificada diretamente com sua fórmula química, H₂O. No entanto, muitos fatores experimentais influenciam os volumes obtidos.

Se a eletrólise for realizada dentro de tubos imersos em água (imagem superior), a coluna inferior de água corresponde ao hidrogênio, pois há uma quantidade maior de gás exercendo pressão na superfície do líquido. As bolhas circundam os eletrodos e acabam subindo após vencer a pressão de vapor da água.

Observe que os tubos são separados uns dos outros de forma que haja baixa migração de gases de um eletrodo para o outro. Em escalas baixas, isso não representa um risco iminente; mas em escalas industriais, a mistura gasosa de H₂ Eu₂ é altamente perigoso e explosivo.

Por esse motivo, as células eletroquímicas onde se realiza a eletrólise da água são muito caras; Eles precisam de um design e elementos que garantam que os gases nunca se misturem, um suprimento de corrente com boa relação custo-benefício, altas concentrações de eletrólitos, eletrodos especiais (eletrocatalisadores) e mecanismos para armazenar H₂ produzido.

Eletrocatalisadores representam atrito e ao mesmo tempo asas para a lucratividade da eletrólise da água. Alguns consistem em óxidos de metais nobres, como platina e irídio, cujos preços são muito altos. É neste ponto especialmente onde os pesquisadores unem forças para projetar eletrodos eficientes, estáveis e baratos.

A razão para esses esforços é acelerar a formação de O₂, que ocorre em velocidades mais baixas em comparação com H₂. Esta desaceleração pelo eletrodo onde O é formado₂ traz como consequência geral a aplicação de um potencial muito maior que o necessário (overpotential); o que equivale a um menor desempenho e maiores despesas.

Reação de eletrólise

A eletrólise da água envolve muitos aspectos complexos. No entanto, em termos gerais, sua base repousa em uma reação global simples:

2h₂O (l) => 2H₂(g) + O₂(g)

Como visto na equação, duas moléculas de água estão envolvidas: uma normalmente deve ser reduzida, ou ganhar elétrons, enquanto a outra deve oxidar ou perder elétrons.

O H₂ É um produto da redução de água, pois o ganho de elétrons promove que os prótons H⁺ pode se ligar covalentemente, e o oxigênio é transformado em OH^–. Portanto, o H₂ Ela ocorre no cátodo, que é o eletrodo onde ocorre a redução.

Enquanto o O₂vem da oxidação da água, devido à qual ela perde os elétrons que permitem sua ligação ao hidrogênio e, consequentemente, libera prótons H⁺. O O₂ é produzido no ânodo, o eletrodo onde ocorre a oxidação; E, ao contrário do outro eletrodo, o pH ao redor do ânodo é ácido e não básico.

Reações de meia célula

O acima pode ser resumido com as seguintes equações químicas para reações de meia célula:

2h₂O + 2e^– => H₂ + 2OH^–(Cátodo, básico)

2h₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^– (Ânodo, ácido)

No entanto, a água não pode perder mais elétrons (4e^–) da qual a outra molécula de água vence no cátodo (2e^–); portanto, a primeira equação deve ser multiplicada por 2 e, em seguida, subtraída com a segunda equação para obter a equação líquida:

2 (2H₂O + 2e^– => H₂ + 2OH^–)

2h₂O => O₂ + 4H⁺ + 4e^–

6h₂O => 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^–

Mas 4H⁺ e 4OH^–formulário 4H₂Ou então, estes removem quatro das seis moléculas de H₂Ou deixando dois; e o resultado é a reação global que acabamos de esboçar.

As reações de meia célula mudam com os valores de pH, técnicas, e também têm potenciais de redução ou oxidação associados, que determinam quanta corrente precisa ser fornecida para que a eletrólise da água prossiga espontaneamente.

Processo

Um voltímetro Hoffman é mostrado na imagem acima. Os cilindros são preenchidos com água e eletrólitos selecionados através do bocal do meio. O papel desses eletrólitos é aumentar a condutividade da água, porque em condições normais há muito poucos íons H₃OU⁺ e OH^– produtos de sua autoionização.

Os dois eletrodos geralmente são feitos de platina, embora na imagem tenham sido substituídos por eletrodos de carbono. Ambos estão conectados a uma bateria, com a qual é aplicada uma diferença de potencial (ΔV) que promove a oxidação da água (formação de O₂).

Os elétrons viajam por todo o circuito até chegarem ao outro eletrodo, onde a água os conquista e se torna H₂ e OH^–. Nesse ponto, o ânodo e o cátodo já estão definidos, podendo ser diferenciados pela altura das colunas d'água; o de menor altura corresponde ao cátodo, onde se forma o H₂.

Na parte superior dos cilindros, existem chaves que permitem a liberação dos gases gerados. A presença de H pode ser verificada cuidadosamente₂ fazendo-o reagir com uma chama, cuja combustão produz água gasosa.

Técnicas

As técnicas de eletrólise da água variam dependendo da quantidade de H₂ Eu₂ que se propõe gerar.Ambos os gases são muito perigosos se misturados, e é por isso que as células eletrolíticas envolvem projetos complexos para minimizar o aumento das pressões gasosas e sua difusão através do meio aquoso.

Além disso, as técnicas variam dependendo da célula, do eletrólito adicionado à água e dos próprios eletrodos. Por outro lado, alguns implicam que a reação é realizada em temperaturas mais altas, reduzindo o consumo de eletricidade, e outros usam enormes pressões para manter o H₂ armazenado.

Entre todas as técnicas, as três seguintes podem ser mencionadas:

Eletrólise com água alcalina

A eletrólise é realizada com soluções básicas dos metais alcalinos (KOH ou NaOH). Com esta técnica ocorrem as reações:

4h₂O (l) + 4e^– => 2H₂(g) + 4OH^–(ac)

4OH^–(ac) => O₂(g) + 2H₂O (l) + 4e^–

Como pode ser visto, tanto no cátodo quanto no ânodo, a água tem um pH básico; e também, o OH^–migram para o ânodo, onde oxidam em O₂.

Eletrólise com membrana eletrolítica de polímero

Esta técnica usa um polímero sólido que serve como uma membrana permeável para H⁺, mas impermeável aos gases. Isso garante maior segurança durante a eletrólise.

As reações de meia célula para este caso são:

4h⁺(ac) + 4e^– => 2H₂(g)

2h₂O (l) => O₂(g) + 4H⁺(ac) + 4e^–

Íons H⁺ migram do ânodo para o cátodo, onde são reduzidos para se tornarem H₂.

Eletrólise com óxidos sólidos

Muito diferente das demais técnicas, esta utiliza óxidos como eletrólitos, que em altas temperaturas (600-900ºC) funcionam como meio de transporte do ânion O^2-.

As reações são:

2h₂O (g) + 4e^– => 2H₂(g) + 2O^2-

2O^2-=> O₂(g) + 4e^–

Observe que, desta vez, eles são os ânions de óxido, O^2-, aqueles que viajam para o ânodo.

Para que serve a eletrólise da água?

A eletrólise da água produz H₂(g) e O₂(g). Aproximadamente 5% do gás hidrogênio produzido no mundo é feito pela eletrólise da água.

O H₂ é um subproduto da eletrólise de soluções aquosas de NaCl. A presença de sal facilita a eletrólise, aumentando a condutividade elétrica da água.

A reação geral que ocorre é:

2NaCl + 2H₂O => Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

Para entender a enorme importância dessa reação, alguns dos usos de produtos gasosos serão mencionados; Porque, afinal, são eles que impulsionam o desenvolvimento de novos métodos para realizar a eletrólise da água de forma mais eficiente e ecológica.

De todas elas, a mais desejada é funcionar como células que substituam energeticamente o uso da queima de combustíveis fósseis.

Produção de hidrogênio e seus usos

-O hidrogênio produzido na eletrólise pode ser utilizado na indústria química atuando em reações de adição, em processos de hidrogenação ou como redutor em processos de redução.

-Também é essencial em algumas ações de importância comercial, como: produção de ácido clorídrico, peróxido de hidrogênio, hidroxilaminas, etc. Está envolvido na síntese de amônia por meio de uma reação catalítica com nitrogênio.

- Em combinação com o oxigênio, produz chamas de alto conteúdo calórico, com temperaturas que variam entre 3.000 e 3.500 K. Estas temperaturas podem ser utilizadas para corte e soldagem na indústria de metal, para crescimento de cristais sintéticos, produção de quartzo, etc. .

- Tratamento da água: o teor excessivamente alto de nitrato na água pode ser reduzido por sua eliminação em biorreatores, nos quais as bactérias utilizam o hidrogênio como fonte de energia

-Hidrogênio está envolvido na síntese de plásticos, poliéster e náilon. Além disso, faz parte da produção de vidros, aumentando a combustão durante o cozimento.

-Reage com os óxidos e cloro de vários metais, entre eles: prata, cobre, chumbo, bismuto e mercúrio para produzir metais puros.

-E adicionalmente, é utilizado como combustível nas análises cromatográficas com detector de chamas.

Como método de depuração

A eletrólise de soluções de cloreto de sódio é usada para a purificação da água da piscina. Durante a eletrólise, o hidrogênio é produzido no cátodo e o cloro (Cl₂) no ânodo. A eletrólise é chamada, neste caso, de clorador de sal.

O cloro se dissolve na água para formar ácido hipocloroso e hipoclorito de sódio. O ácido hipocloroso e o hipoclorito de sódio esterilizam a água.

Como um suprimento de oxigênio

A eletrólise da água também é usada para gerar oxigênio na Estação Espacial Internacional, que serve para manter uma atmosfera de oxigênio na estação.

O hidrogênio pode ser usado em uma célula de combustível, um método de armazenamento de energia, e usar a água gerada na célula para consumo dos astronautas.

Experiência doméstica

Experimentos de eletrólise de água têm sido realizados em escala de laboratório com voltímetros Hoffman, ou outra montagem que permita conter todos os elementos necessários de uma célula eletroquímica.

De todas as montagens e equipamentos possíveis, o mais simples pode ser um grande recipiente de água transparente, que servirá como uma célula. Além disso, qualquer superfície metálica ou eletricamente condutora também deve estar disponível para funcionar como eletrodos; um para o cátodo e outro para o ânodo.

Para este propósito, mesmo lápis com pontas afiadas de grafite em ambas as extremidades podem ser úteis. E, finalmente, uma pequena bateria e alguns cabos que a conectam aos eletrodos improvisados.

Se não for realizado em um recipiente transparente, a formação de bolhas gasosas não seria apreciada.

Variáveis de casa

Embora a eletrólise da água seja um assunto que contém muitos aspectos intrigantes e esperançosos para quem procura fontes alternativas de energia, o experimento em casa pode ser entediante para crianças e outros espectadores.

Portanto, tensão suficiente pode ser aplicada para gerar a formação de H₂ Eu₂ alternando certas variáveis e observando as mudanças.

A primeira delas é a variação do pH da água, usando vinagre para acidificar a água ou Na₂CO₃ para basificar ligeiramente. Deve ocorrer uma mudança no número de bolhas observadas.

Além disso, o mesmo experimento pode ser repetido com água quente e fria. Desta forma, o efeito da temperatura na reação seria então contemplado.

Finalmente, para tornar a coleta de dados um pouco menos incolor, uma solução muito diluída de suco de repolho roxo pode ser usada. Este suco é um indicador ácido-básico de origem natural.

Ao adicioná-lo ao recipiente com os eletrodos inseridos, notará que no ânodo a água ficará rosa (ácido), enquanto no cátodo a cor será amarela (básica).

Referências

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