O eletrólise de água É a decomposição da água em seus componentes elementares por meio da aplicação de uma corrente elétrica. Ao prosseguir, hidrogênio e oxigênio molecular, Hdois Eudois. Essas duas superfícies são mais conhecidas pelo nome de eletrodos..
Teoricamente, o volume de Hdois formado deve ser duas vezes o volume de Odois. 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, HdoisO. No entanto, muitos fatores experimentais influenciam os volumes obtidos.
Se a eletrólise for realizada dentro de tubos submersos 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 superar a pressão de vapor da água.
Observe que os tubos são separados uns dos outros de forma que haja baixa migração de gás de um eletrodo para o outro. Em escalas baixas, isso não representa um risco iminente; mas em escalas industriais, a mistura gasosa de Hdois Eudois é altamente perigoso e explosivo.
Por isso, 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, uma fonte de alimentação econômica, altas concentrações de eletrólitos, eletrodos especiais (eletrocatalisadores) e mecanismos para armazenar Hdois produzido.
Os eletrocatalisadores representam o 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 Odois, que ocorre em velocidades mais baixas em comparação com Hdois. Esta desaceleração pelo eletrodo onde o O é formadodois traz como consequência geral a aplicação de um potencial muito maior do que o necessário (overpotential); o que é o mesmo, para um desempenho inferior e despesas mais elevadas.
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A eletrólise da água envolve muitos aspectos complexos. No entanto, em termos gerais, sua base repousa em uma reação global simples:
2hdoisO (l) => 2Hdois(g) + Odois(g)
Como pode ser visto pela equação, duas moléculas de água estão envolvidas: uma normalmente deve ser reduzida, ou ganhar elétrons, enquanto a outra deve oxidar ou perder elétrons..
O Hdois É um produto da redução de água, uma vez que o ganho de elétrons promove que os prótons H+ pode se ligar covalentemente, e o oxigênio é transformado em OH-. Portanto, o Hdois ocorre no cátodo, que é o eletrodo onde ocorre a redução.
Enquanto o Odois vem da oxidação da água, devido à qual ela perde os elétrons que permitem sua ligação ao hidrogênio e, consequentemente, libera prótons H+. O Odois 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.
Isso pode ser resumido com as seguintes equações químicas para reações de meia-célula:
2hdoisO + 2e- => Hdois + 2OH- (Cátodo, básico)
2hdoisO => Odois + 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 (2HdoisO + 2e- => Hdois + 2OH-)
2hdoisO => Odois + 4h+ + 4e-
6hdoisO => 2Hdois + OUdois + 4h+ + 4OH-
Mas 4H+ e 4OH- formulário 4HdoisOu então, estes removem quatro das seis moléculas de HdoisOu deixando dois; e o resultado é a reação global que acaba de surgir.
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..
Um voltímetro Hoffman é mostrado na imagem acima. Os cilindros são preenchidos com água e os 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 auto-ionização.
Os dois eletrodos geralmente são de platina, embora na imagem tenham sido substituídos por eletrodos de carbono. Ambos são conectados a uma bateria, com a qual é aplicada uma diferença de potencial (ΔV) que promove a oxidação da água (formação de Odois).
Os elétrons percorrem todo o circuito até chegarem ao outro eletrodo, onde a água os conquista e se torna Hdois e OH-. Neste ponto o ânodo e o cátodo já estão definidos, podendo ser diferenciados pela altura das colunas de água; o de menor altura, corresponde ao cátodo, onde se forma o Hdois.
No topo dos cilindros, existem chaves que permitem a liberação dos gases gerados. A presença de H pode ser verificada cuidadosamentedois fazendo-o reagir com uma chama, cuja combustão produz água gasosa.
As técnicas de eletrólise da água variam dependendo da quantidade de Hdois Eudois que se propõe gerar. Ambos os gases são muito perigosos se misturados, razão pela qual as células eletrolíticas envolvem projetos complexos para minimizar o aumento das pressões gasosas e sua difusão através do meio aquoso..
Da mesma forma, 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 elevadas, reduzindo o consumo de eletricidade, e outros usam enormes pressões para manter o Hdois armazenado.
Entre todas as técnicas, as três seguintes podem ser mencionadas:
A eletrólise é realizada com soluções básicas dos metais alcalinos (KOH ou NaOH). Com esta técnica ocorrem as reações:
4hdoisO (l) + 4e- => 2Hdois(g) + 4OH-(ac)
4OH-(ac) => Odois(g) + 2HdoisO (l) + 4e-
Como pode ser visto, tanto no cátodo quanto no ânodo, a água tem um pH básico; e, além disso, o OH- migram para o ânodo, onde oxidam em Odois.
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- => 2Hdois(g)
2hdoisO (l) => Odois(g) + 4H+(ac) + 4e-
Íons H+ migram do ânodo para o cátodo, onde são reduzidos para se tornarem Hdois.
Muito diferente de outras técnicas, esta usa óxidos como eletrólitos, que em altas temperaturas (600-900ºC) funcionam como meio de transporte do ânion Odois-.
As reações são:
2hdoisO (g) + 4e- => 2Hdois(g) + 2Odois-
2Odois- => Odois(g) + 4e-
Observe que, desta vez, eles são os ânions de óxido, Odois-, aqueles que viajam para o ânodo.
A eletrólise da água produz Hdois (g) e Odois (g). Aproximadamente 5% do gás hidrogênio produzido no mundo é feito por meio da eletrólise da água.
O Hdois 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 + 2HdoisO => Cldois + Hdois + 2NaOH
Para entender a enorme importância dessa reação, alguns dos usos de produtos gasosos serão mencionados; Porque, afinal, são estes que impulsionam o desenvolvimento de novos métodos para obter a eletrólise da água de uma 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..
-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..
-Da mesma forma, é essencial em algumas ações de importância comercial, como: a 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. Essas temperaturas podem ser utilizadas para corte e soldagem na indústria de metal, para crescimento de cristais sintéticos, produção de quartzo, etc..
-Tratamento de água: o teor excessivamente alto de nitrato na água pode ser reduzido por sua eliminação em biorreatores, nos quais as bactérias usam o hidrogênio como fonte de energia
-O hidrogênio está envolvido na síntese de plásticos, poliéster e náilon. Além disso, faz parte da produção de vidro, aumentando a combustão durante o cozimento..
-Reage com os óxidos e cloreto de muitos metais, incluindo: prata, cobre, chumbo, bismuto e mercúrio para produzir metais puros.
-Além disso, é utilizado como combustível em análises cromatográficas com detector de chamas..
A eletrólise de soluções de cloreto de sódio é usada para purificar a água da piscina. Durante a eletrólise, o hidrogênio é produzido no cátodo e o cloro (Cldois) 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. Ácido hipocloroso e hipoclorito de sódio esterilizam a água.
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 para armazenar energia, e usar a água gerada na célula para consumo pelos astronautas.
Experimentos de eletrólise de água têm sido realizados em escala de laboratório com voltímetros Hoffman, ou outro conjunto que permite 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..
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 enfadonho para crianças e outros espectadores..
Portanto, tensão suficiente pode ser aplicada para gerar a formação de Hdois Eudois alternando certas variáveis e observando as mudanças.
A primeira delas é a variação do pH da água, usando vinagre para acidificar a água ou NadoisCO3 para basificá-lo 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 considerado..
Por fim, para tornar a coleta de dados um pouco menos incolor, pode-se usar uma solução muito diluída de suco de repolho roxo. Este suco é um indicador ácido-básico de origem natural.
Adicionando-o ao recipiente com os eletrodos inseridos, notará que no ânodo a água ficará rosa (ácido), enquanto no cátodo a cor ficará amarela (básica).
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