Propriedades Eletrolíticas
Quando os eléctrodos são colocados numa solução electrolítica e é aplicada uma tensão, o electrólito conduzirá electricidade.
Objectivos de aprendizagem
Utilizar uma tabela de potenciais de redução padrão para determinar que espécies em solução serão reduzidas ou oxidadas.
Key Takeaways
Key Points
- Quando uma corrente eléctrica passa por uma solução (muitas vezes de electrólitos), uma molécula catiónica ou neutra é reduzida no cátodo, e um ânion ou molécula neutra é oxidada no ânodo.
- Para determinar que espécies em solução serão oxidadas e quais serão reduzidas, uma tabela de potenciais de redução padrão pode identificar a opção mais termodinamicamente viável.
- Na prática, a electrólise de água pura pode criar hidrogénio gasoso.
Key Terms
- electrão: a partícula subatómica que tem uma carga negativa e orbita o núcleo; o fluxo de electrões num condutor constitui electricidade.
- eléctrodo: o terminal através do qual a corrente eléctrica passa entre partes metálicas e não metálicas de um circuito eléctrico; na electrólise, o cátodo e o ânodo são colocados na solução separadamente.
Propriedades Electrólise
Quando os eléctrodos são colocados numa solução electrolítica e é aplicada uma tensão, o electrólito conduzirá a electricidade. Os electrões solitários não podem geralmente passar através do electrólito; em vez disso, ocorre uma reacção química no cátodo que consome electrões do ânodo. Outra reacção ocorre no ânodo, produzindo electrões que são eventualmente transferidos para o cátodo. Como resultado, desenvolve-se uma nuvem de carga negativa no electrólito em redor do cátodo, e uma carga positiva em redor do ânodo. Os iões no electrólito neutralizam estas cargas, permitindo que os electrões continuem a fluir e que as reacções continuem.
Por exemplo, numa solução de sal comum de mesa (cloreto de sódio, NaCl) em água, a reacção catódica será:
2text{H}_{2}{2}text{O}+2e^{-}rightarrow2}text{OH}^{-}+text{H}_{2}
e o gás hidrogénio irá borbulhar. A reacção do ânodo é:
2text{NaCl}}{NaCl}_2 + 2e^{-}
e o gás de cloro será libertado. Os iões de sódio com carga positiva de Na+ reagirão em direcção ao cátodo, neutralizando a carga negativa de OH- ali; os iões de hidróxido de sódio com carga negativa de OH- reagirão em direcção ao ânodo, neutralizando a carga positiva de Na+ ali. Sem os iões do electrólito, as cargas em redor do eléctrodo retardam o fluxo contínuo de electrões; a difusão de H+ e OH- através da água para o outro eléctrodo demora mais tempo do que o movimento dos iões salinos muito mais predominantes.
Noutros sistemas, as reacções do eléctrodo podem envolver eléctrodos metálicos, bem como iões electrólitos. Em baterias, por exemplo, dois materiais com afinidades de electrões diferentes são utilizados como eléctrodos: fora da bateria, os electrões fluem de um eléctrodo para o outro; no interior, o circuito é fechado pelos iões do electrólito. Aqui, as reacções dos eléctrodos convertem energia química em energia eléctrica.
Oxidação e Redução nos eléctrodos
Oxidação dos iões ou moléculas neutras ocorre no ânodo, e a redução dos iões ou moléculas neutras ocorre no cátodo. Dois mnemónicos para recordar que a redução ocorre no cátodo e a oxidação no ânodo são: “Red Cat” (redução – cátodo) e “An Ox” (ânodo – oxidação). A mnemónica “LeO said GeR” é útil para lembrar “perder um electrão na oxidação” e “ganhar um electrão na redução”
É possível oxidar iões ferrosos a iões férricos no ânodo. Por exemplo:
\text{Fe}^{2+}(aq)\rightarrow\text{Fe}^{3+}(aq)+e^{-}
moléculas neutras também podem reagir em qualquer um dos eléctrodos. Por exemplo, a p-Benzoquinona pode ser reduzida a hidroquinona no cátodo:
+ 2 e^{-} + 2\text{H}^{+} {\i} {\i1}{\i1}div>>
imagemp>Hidroquinona: A hidroquinona é um doador redutor ou doador de electrões e molécula orgânica.
Para-benzoquinona: A P-benzoquinona é um oxidante ou aceitador de electrões.
No último exemplo, os iões H+ (iões de hidrogénio) também participam na reacção, e são fornecidos por um ácido na solução ou pelo próprio solvente (água, metanol, etc.). As reacções de electrólise envolvendo iões H+ são bastante comuns em soluções ácidas, enquanto as reacções envolvendo iões OH- (iões hidróxidos) são comuns em soluções de água alcalina.
As substâncias oxidadas ou reduzidas também podem ser o solvente (geralmente água) ou os eléctrodos. É possível ter electrólise envolvendo gases.
Para determinar que espécies em solução serão oxidadas e quais serão reduzidas, o potencial padrão do eléctrodo de cada espécie pode ser obtido a partir de uma tabela de potenciais de redução padrão, uma pequena amostra da qual é mostrada aqui:
tabela de potenciais de eléctrodos padrão: Este é o potencial de redução padrão para a reacção mostrada, medido em volts. O potencial positivo é mais favorável neste caso.
Histórico, os potenciais de oxidação foram tabelados e utilizados nos cálculos, mas o padrão actual é registar apenas o potencial de redução em tabelas. Se um problema exigir a utilização do potencial de oxidação, pode ser interpretado como o negativo do potencial de redução registado. Por exemplo, referindo-se aos dados da tabela acima, a oxidação do sódio elementar (Na(s)) é um processo altamente favorável com um valor de E_{ox}^0 (V)= + 2,71 V; isto faz sentido intuitivo porque a perda de um electrão de um átomo de sódio produz um catião de sódio, que tem a mesma configuração de electrão que o néon, um gás nobre. A produção desta configuração de electrões de baixa energia e estável é claramente um processo favorável. Por outro lado, é muito mais provável que o gás cloro seja reduzido em condições normais, como se pode inferir do valor de E_{red}^0 (V)= +1,36 V na tabela. Recordar que um potencial mais positivo significa sempre que essa reacção será favorecida; isto terá consequências relativamente às reacções redox.