Eletrólise da água: procedimento, técnicas, para que serve

Eletrólise da água é a decomposição da água em seus componentes elementares, aplicando uma corrente elétrica. Para proceder, são formadas em duas superfícies inertes hidrogénio e oxigénio molecular, H 2 e O 2 . Essas duas superfícies são mais conhecidas pelo nome de eletrodos.

Teoricamente, o volume de H 2 formado deve ser o dobro do volume de O 2 . Porque Como a molécula de água tem uma razão H / O igual a 2, ou seja, dois H para cada oxigênio. Essa relação é verificada diretamente com sua fórmula química, H 2 O. No entanto, muitos fatores experimentais influenciam os volumes obtidos.

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Fonte: Antti T. Nissinen via Flickr

Se a eletrólise é realizada dentro de tubos submersos em água (imagem superior), a coluna de água de menor altura corresponde ao hidrogênio, uma vez que existe uma quantidade maior de gás exercendo pressão na superfície do líquido. As bolhas circundam os eletrodos e acabam subindo após superar a pressão do vapor de água.

Observe que os tubos são separados um do outro de tal maneira que há uma baixa migração de gases de um eletrodo para o outro. Em escalas baixas, isso não representa um risco iminente; mas escalas industriais, a mistura gasosa de H 2 e O 2 é altamente perigoso e explosivo.

Por esse motivo, as células eletroquímicas onde a eletrólise da água é realizada são muito caras; necessidade de um elementos de design para garantir que os gases de sempre corrente de alimentação rentável, de concentração elevada de electrólito, os eléctrodos especiais (electrocatalisador) e mecanismos para armazenar o H misto 2 produzida.

Os eletrocatalisadores representam atrito e ao mesmo tempo as asas para a lucratividade da eletrólise da água. Alguns consistem em óxidos metálicos nobres, como platina e irídio, cujos preços são muito altos. É neste ponto, especialmente quando os pesquisadores unem forças para o projeto de eletrodos eficientes, estáveis ​​e baratos.

A razão para esses esforços é acelerar a formação de O 2 , que ocorre em velocidades mais baixas em comparação ao H 2 . Essa desaceleração do eletrodo onde o O 2 é formado traz como conseqüência geral a aplicação de um potencial muito maior que o necessário (excesso de potencial); o mesmo, com menor rendimento e maiores despesas.

Reação de eletrólise

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

2H 2 O (l) => 2H 2 (g) + O 2 (g)

Como observado na equação, duas moléculas de água intervêm: uma deve normalmente reduzir ou ganhar elétrons, enquanto a outra deve oxidar ou perder elétrons.

O H 2 é o resultado de água reduzida, porque o ganho de electrões encoraja protão H + pode ser ligado de forma covalente, e que o oxigénio é transformado em OH . Portanto, o H 2 é produzida no cátodo, o que é o eléctrodo em que a redução ocorre.

Enquanto o O 2 provém da oxidação da água, porque perde os elétrons que permitem a ligação ao hidrogênio e, consequentemente, libera prótons H + . O 2 é produzido no ânodo, eletrodo onde ocorre a oxidação; e, diferentemente do outro eletrodo, o pH ao redor do ânodo é ácido e não básico.

Reacções semicelulares

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

2H 2 O + 2e => H 2 + 2OH (cátodo de base)

2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e (ânodo, ácido)

No entanto, a água não pode perder mais elétrons (4e ) do que a outra molécula de água no ganho do cátodo (2e ); Portanto, a primeira equação deve ser multiplicada por 2 e subtraída pela segunda para obter a equação líquida:

2 (2H 2 O + 2e => H 2 + 2OH )

2H 2 O => O 2 + 4H + + 4e


6H 2 O => 2H 2 + O 2 + 4H + + 4OH

Mas 4H + e 4OH formam 4H 2 O, então eles eliminam quatro das seis moléculas de H 2 O deixando duas; e o resultado é a reação global que acabou de surgir.

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

Procedimento

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Fonte: Ivan Akira [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], do Wikimedia Commons

Na imagem acima, um voltímetro Hoffman é mostrado. Os cilindros são preenchidos com água e os eletrólitos selecionados através do bico médio. O papel desses eletrólitos é aumentar a condutividade da água, porque em condições normais existem muito poucos íons H 3 O + e OH produtos de sua auto-ionização.

Os dois eletrodos são geralmente 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 O 2 ).

Os elétrons viajam por todo o circuito até atingir o outro eletrodo, onde a água os ganha e se torna H 2 e OH . Neste ponto, o ânodo e o cátodo já estão definidos, que podem ser diferenciados pela altura das colunas de água; a altura mais baixa corresponde ao cátodo, onde H é formada 2 .

Na parte superior dos cilindros, existem chaves que permitem liberar os gases gerados. Pode ser verificado cuidadosamente, a presença de H 2 fazendo reagir lo com uma chama, cuja combustão produz água gasosa.

Técnicas

As técnicas de electrólise da água variar dependendo da quantidade de H 2 e O 2 que surge gerar. Ambos os gases são muito perigosos se misturados, e é por isso que as células eletrolíticas possuem projetos complexos para minimizar o aumento das pressões de gás e sua difusão pelo meio aquoso.

Além disso, as técnicas variam dependendo da célula, do eletrólito adicionado à água e dos próprios eletrodos. Além disso, alguns envolvem a reacção é realizada a temperaturas mais elevadas, reduzindo o consumo de energia, e outros enormes pressões de utilização para manter a H 2 armazenada.

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

Eletrólise com água alcalina

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

4H 2 O (l) + 4e => 2H 2 (g) + 4OH (ac)

4OH (ac) => O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e

Como pode ser visto, tanto no cátodo quanto no ânodo, a água tem um pH básico; e além disso, os OH migram para o ânodo, onde oxidam para O 2 .

Eletrólise com membrana eletrolítica de polímero

Nesta técnica, é utilizado um polímero sólido que serve como uma membrana permeável ao H + , mas impermeável aos gases. Isso garante maior segurança durante a eletrólise.

As reações de meia célula neste caso são:

4H + (aq) + 4e => 2 H 2 (g)

2H 2 O (l) => O 2 (g) + 4H + (ac) + 4e

Os íons H + migram do ânodo para o cátodo, onde são reduzidos para se tornar H 2 .

Eletrólise com óxidos sólidos

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

As reações são:

2H 2 O (g) + 4e => 2H 2 (g) + 2 O 2-

2O 2- => O 2 (g) + 4e

Note que desta vez são os ânions óxidos, OR 2- , que viajam para o ânodo.

Qual é a utilidade da eletrólise da água?

a electrólise da água produz H 2 (g) e O 2 (g). Aproximadamente 5% do gás hidrogênio produzido no mundo é feito por eletrólise da água.

O H 2 é um subproduto da electrólise de soluções aquosas de NaCl. A presença de sal facilita a eletrólise, aumentando a condutividade elétrica da água.

A reação global que ocorre é:

2NaCl + 2H 2 O => Cl 2 + H 2 + 2 NaOH

Para entender a enorme importância dessa reação, alguns dos usos de produtos gasosos serão mencionados; porque, no final, são esses que impulsionam o desenvolvimento de novos métodos para obter a eletrólise mais eficiente e verde da água.

De todos eles, o mais desejado é atuar como células que substituem energicamente 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 dependência, em processos de hidrogenação ou como agente redutor em processos de redução.

-Além disso, 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 com alto conteúdo calórico, com temperaturas variando entre 3.000 e 3.500 K. Essas temperaturas podem ser usadas para cortes e soldas na indústria de metais, para crescimentos de cristais sintéticos, produção de quartzo, etc. .

-Tratamento da água: conteúdo muito alto de nitrato na água pode ser reduzido pela eliminação em biorreatores, nos quais as bactérias usam o hidrogênio como fonte de energia

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

– Reage com os óxidos e cloretos de muitos metais, incluindo: prata, cobre, chumbo, bismuto e mercúrio para produzir metais puros.

– Além disso, é usado como combustível nas análises cromatográficas com um detector de chamas.

Como um método de depuração

A eletrólise das soluções de cloreto de sódio é utilizada para a purificação da água das piscinas. Durante a eletrólise, o hidrogênio é produzido no cátodo e o cloro (Cl 2 ) no ânodo. A eletrólise é referida neste caso como um clorador salino.

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

Como 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 usando a água que é gerada na célula para o consumo de astronautas.

Experiência em casa

Experimentos de eletrólise da água foram realizados em balanças de laboratório com voltímetros Hoffman ou outro conjunto que permite conter todos os elementos necessários de uma célula eletroquímica.

De todos os conjuntos 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 condutora da eletricidade também deve ser mantida à mão para funcionar como eletrodos; um para o cátodo e o outro para o ânodo.

Até lápis com pontas afiadas de grafite nas duas extremidades podem ser úteis para esse fim. E, finalmente, uma pequena bateria e alguns cabos que a conectam com eletrodos improvisados.

Se não for feito em um recipiente transparente, a formação de bolhas de gás não poderá ser apreciada.

Variáveis ​​domésticas

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

Portanto, pode aplicar-se tensão suficiente para gerar a formação de H 2 e O 2 , alternando certas variáveis e gravar as mudanças.

A primeira delas é a variação do pH da água, usando vinagre para acidificar a água ou Na 2 CO 3 para basificá-lo levemente. Uma mudança na quantidade de bolhas observadas deve ocorrer.

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

Por fim, para tornar os dados um pouco menos incolores, você pode usar uma solução muito diluída de suco de couve roxa. Este suco é um indicador ácido base de origem natural.

Adicionando-o ao recipiente com os eletrodos inseridos, deve-se notar que no ânodo a água ficará rosada (ácida), enquanto no cátodo a coloração será amarela (básica).

Referências

  1. Wikipedia (2018). Eletrólise da água. Recuperado de: en.wikipedia.org
  2. Chaplin M. (16 de novembro de 2018). Eletrólise da água. Estrutura da água e ciência. Recuperado de: 1.lsbu.ac.uk
  3. Eficiência Energética e Energia Renovável. (sf). Produção de hidrogênio: eletrólise. Recuperado de: energy.gov
  4. Phys.org (14 de fevereiro de 2018). Catalisador de alta eficiência e baixo custo para eletrólise da água. Recuperado de: phys.org
  5. Química LibreTexts. (18 de junho de 2015). Eletrólise da água. Recuperado de: chem.libretexts.org
  6. Xiang C., M. Papadantonakisab K. e S. Lewis N. (2016). Princípios e implementações de sistemas de eletrólise para separação de água. A Sociedade Real de Química.
  7. Regentes da Universidade de Minnesota. (2018). Eletrólise da Água 2. University of Minnesota. Recuperado de: chem.umn.edu

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