Eletrólise da água

Definição

Eletrólise é a passagem de uma corrente elétrica direta através de uma solução contendo íons (para nós, água e eletrólito).

A eletrólise produz alterações químicas nos eletrodos.

O que é

A eletrólise da água é um processo que utiliza uma corrente elétrica para dividir as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio.

É frequentemente realizado como um experimento em laboratórios de ciências do ensino médio e foi estudado como um método de obtenção de combustível de hidrogênio.

A partir de 2010, no entanto, a eletrólise da água não havia encontrado amplo uso comercial ou industrial.

O processo requer três componentes: uma fonte elétrica, dois eletrodos e água.

A água pura não é usada na eletrólise – a água pura inibe a condução elétrica. Para permitir que a corrente elétrica passe pela água, é preciso adicionar substâncias a ela.

Essas substâncias se dissolvem para formar algo chamado eletrólitos.

Um eletrólito é qualquer substância que conduz eletricidade.

Os eletrólitos são capazes de conduzir eletricidade porque são compostos de átomos ou moléculas carregados eletricamente chamados íons.

Embora a água seja composta de íons hidrogênio e oxigênio, a própria molécula de água possui uma carga elétrica neutra.

Sal ou algumas gotas de um ácido ou base são comumente adicionados à água para formar uma solução eletrolítica.

Baterias, uma fonte de energia de corrente contínua (CC) ou painéis elétricos solares são comumente usados para fornecer eletricidade para a eletrólise da água.

Dois eletrodos são conectados à fonte elétrica e imersos em um recipiente de água.

Quando a eletricidade é aplicada, as moléculas de água começam a se dividir, formando íons instáveis de hidrogênio ((H⁺) e hidróxido (OH^–).

Os íons hidrogênio, que não possuem elétrons, estão carregados positivamente. Eles migram em direção ao eletrodo negativo, onde elétrons livres estão fluindo para a água. Aqui, os íons hidrogênio ganham um elétron para formar átomos de hidrogênio estáveis. Os átomos de hidrogênio individuais se combinam para formar moléculas de hidrogênio (H²), que borbulham na superfície.

Esta reação pode ser expressa como: 2 H⁺ + 2 e^–  H 2.

Por outro lado, os íons hidróxido transportam muitos elétrons. Eles migram em direção ao eletrodo positivo, onde os elétrons extras são removidos e atraídos para o circuito elétrico. Isso deixa moléculas de oxigênio e água.

Esta reação pode ser expressa como: 4 OH^–– 4 e^–  O₂ + 2H₂O.

As moléculas de oxigênio borbulham para a superfície.

Embora a eletrólise da água tenha sido confinada principalmente aos laboratórios, o uso do hidrogênio como fonte de energia limpa trouxe um interesse renovado.

Encontrar uma fonte de energia limpa para impulsionar a reação, no entanto, apresenta preocupações práticas e ambientais. A eletrólise da água não é eficiente nem barata.

Os custos de combustível têm sido um grande obstáculo. O impacto ambiental da geração elétrica é outro. Em particular, o dióxido de carbono liberado pelas usinas termelétricas deve ser considerado.

Essas dificuldades ambientais e tecnológicas podem não ser intransponíveis.

Até serem superadas, no entanto, a hidrólise da água permanece uma fonte impraticável para atender às necessidades energéticas da sociedade.

Usos da eletrólise

As pessoas usam a eletrólise geralmente para melhorar sua aparência pessoal, mas o processo também é usado na fabricação.

Os usos da eletrólise são limitados pelas ligações químicas que podem ser construídas ou destruídas.

O mais conhecido de todos os usos da eletrólise é, sem dúvida, a depilação. Este tipo de eletrólise é usado para fins estéticos. Ele funciona destruindo o folículo piloso, produzindo o fio indesejado do cabelo.

As pessoas costumam escolher a eletrólise para depilação por esse motivo, porque a destruição do folículo piloso resulta em uma depilação mais permanente.

A eletrólise induz reações químicas que de outra forma não aconteceriam, o que significa que há vários usos da eletrólise na fabricação industrial.

Por exemplo, algumas empresas o utilizam para tornar certos metais mais resistentes à corrosão, um processo conhecido como anodização. As pessoas também usam eletrólise para gravar e decorar superfícies metálicas, bem como para camadas de metais, para torná-las mais fortes. A técnica também é útil para eletrometalurgia, que é a separação e purificação de metais.

Os usos da eletrólise também incluem a separação de moléculas de água em seus elementos básicos de hidrogênio e oxigênio. Essa técnica é útil em ambientes severos ou restritos. Os astronautas, por exemplo, obtêm o oxigênio necessário através da eletrólise, assim como os que viajam em submarinos.

Outro dos usos da eletrólise é a criação de substâncias. Clorato de sódio, cloreto de potássio, cloro e alumínio são produzidos por eletrólise. Outras substâncias criadas por eletrólise são magnésio e cálcio.

Essas substâncias são usadas para tarefas como construção, branqueamento e esterilização.

Os indivíduos também podem estudar soluções usando eletrólise, um campo conhecido como polarografia.

O princípio da polarografia é que se pode realizar análises qualitativas ou quantitativas comparando a quantidade de tensão aplicada à solução com a quantidade de corrente que passa através da solução.

A polarografia trabalha com os dois princípios principais: o primeiro princípio é que a quantidade de corrente passada por uma solução é proporcional à quantidade de elementos separados.

O segundo princípio é que a massa dos elementos separados é igual à massa atômica dos elementos, desde que o pesquisador aplique um divisor integral.

Os usos da eletrólise exigem que cientistas e fabricantes tenham uma compreensão completa da química nos níveis molecular e atômico.

Isso ocorre porque a segurança do cientista ou fabricante depende da produção de reações previsíveis, produzindo substâncias ou ligações previsíveis e seguras.

A eletrólise não é adequada quando o processo cria riscos químicos.

Resumo

O hidrogênio é um vetor de energia promissor para o futuro.

Entre os diferentes métodos de produção, a eletrólise da água tem atraído grande atenção por ser uma tecnologia química sustentável e renovável.

Assim, o hidrogênio representa um vetor de energia adequado para o armazenamento de energias intermitentes.

A água pode ser decomposta passando uma corrente elétrica através dela. Quando isso acontece, os elétrons da corrente elétrica causam uma reação de redução da oxidação.

Em um eletrodo, chamado cátodo, os elétrons passam para a solução e causam uma redução. No outro eletrodo, chamado ânodo, os elétrons deixam a solução completando o circuito e causam uma oxidação.

Para realizar a eletrólise, a solução deve conduzir corrente elétrica. A água pura é um condutor muito ruim. Para melhorar a condução da água, podemos adicionar um eletrólito à água. Isso introduz outro problema, no entanto.

Muitos eletrólitos que adicionamos eletrolizam mais facilmente que a água. Os íons sulfato não eletrolizam tão facilmente quanto a água; portanto, os sulfatos são frequentemente usados para aumentar a condutividade da água.

Em um dos eletrodos, elétrons (de uma fonte de corrente como uma bateria) são adicionados às moléculas de água (desde que os elétrons são adicionados, esse é o terminal negativo da bateria).

A redução a seguir ocorre no cátodo, produzindo gás hidrogênio.

2H₂O + 2e^–     H₂(g) + 2OH^– Redução = cátodo

No outro eletrodo, os elétrons são removidos da água (portanto, é a extremidade positiva da bateria) e entram no eletrodo. Isso completa o circuito para que a corrente possa fluir.

Nesse eletrodo, chamado ânodo, a água é oxidada:

H₂O 1/2O₂ (g) + 2H⁺ + 2e Oxidação = ânodo

Como uma oxidação não pode ocorrer sem redução, essas duas reações devem ocorrer ao mesmo tempo. Se os juntarmos e cancelarmos termos semelhantes, obteremos a reação geral líquida.

2H₂O + 2e^– H₂(g) + 2OH

H₂O 1/2O₂ (g) + 2H⁺ + 2e^–

^{______________________________________________}

3H₂O + 2e^– H₂ + 1/2O₂ (g) + 2H₂O + 2e^–

que é o mesmo que:

H₂O H₂ + 1/2O₂ (g)

Fonte: chem.libretexts.org/www1.lsbu.ac.uk/www.studentenergy.org/www.wisegeek.org/www.digipac.ca/chemed.chem.purdue.edu/science.jrank.org