Experimento: Eletrólise em Solução Aquosa

ELETRÓLISE EM SOLUÇÃO AQUOSA

Por Walder Antonio Teixeixra

Dissociação do NaCl

Os projetos mais interessantes feitos para feira de ciências são aqueles que são multidisciplinares, ou seja, envolvem mais de uma disciplina em sua execução. Alguns são experimentos comuns, mas que, se explorarmos mais a teoria, a demonstração se torna mais interessante.

Um experimento que eu costumava fazer quando tinha meus 12 anos era a eletrólise do sal de cozinha em solução aquosa. É um experimento interessante, pois envolve conhecimentos de Química e Eletricidade.

A eletrólise é caracterizada pelas reações de oxi-redução em uma solução condutora, desde que se estabeleça uma diferença de potencial entre dois ou mais eletrodos mergulhados na solução.

1 - As reações químicas

Quando fazemos a eletrólise do NaCl em solução aquosa, temos o cátion formado pela auto-ionização da água e o ânion do sal.

Mas o que é a auto-ionização da água?

Auto-ionização da água é a água se dividir em íons: H¹⁺ (H₃O¹⁺) e OH^1-

2 H₂O   =>   H₂O   +   H¹⁺   +   OH^1-   =>   H₃O¹⁺   +   OH^1-

Quando dissolvemos sal de cozinha (Cloreto de sódio ou NaCl) na água e aplicamos uma corrente contínua obtemos várias reações:

Reação de Dissociação do NaCl	2 NaCl   =>   2 Na1+   +   2 Cl1-
Reação de auto-ionização da água	2 H2O   =>   2 H1+   +   2 OH1-
Reação no ânodo (elétrodo positivo)	2 Cl1-   =>   Cl2   +   2 e-
Reação no Cátodo (elétrodo negativo)	2 H1+    +   2 e-   =>   H2

Quando eliminamos os fatores iguais de um lado e de outro da reação e efetuamos a soma dos elementos, obtemos a reação global:

Reação de Dissociação do NaCl	2 NaCl   =>   2 Na1+   +   2 Cl1-
Reação de auto-ionização da água	2 H2O   =>   2 H1+   +   2 OH1-
Reação no ânodo (elétrodo positivo)	2 Cl1-   =>   Cl2   +   2 e-
Reação no Cátodo (elétrodo negativo)	2 H1+    +   2 e-   =>   H2
Soma ou Reação global	2 NaCl  +  2 H2O   =>  2 Na1+  +  Cl2   +  H2  +  2 OH1-

Podemos fazer cartazes com os quadros acima para explicar as reações químicas.

2 - Montando a cuba do experimento

Para montarmos o experimento precisamos montar uma cuba para as reações com as seguintes características:

- Vidro ou plástico transparente para podermos visualizar as bolhas de gás que irão se formar. É mais interessante que seja de vidro, pois o vidro é menos reativo. Esse vidro ou plástico será a cuba.

- Dois elétrodos de carvão ou grafite.

- Tubos para o armazenamento dos gases.

O cátodo é o elétrodo negativo e o ânodo é o elétrodo positivo.

Os recipientes para armazenar os gases são interessantes, pois o hidrogênio (H2) é inflamável e durante o experimento nós podemos acendê-lo com um fósforo ou isqueiro para obter uma pequena explosão. Mas podemos retirar esses recipientes e ficar sem a pequena explosão, pois as bolhas de gás já fazem um bom efeito visual. Assim, o experimento fica mais simples.

Quimicamente obteremos: Gás cloro (Cl₂) no ânodo, gás hidrogênio (H₂) no cátodo e soda cáustica ou hidróxido de sódio (NaOH) na solução.

3 – Fazendo a parte elétrica

A parte elétrica do experimento, também é muito simples. Podemos usar pilhas em série, baterias ou eliminadores de pilha como fonte de corrente contínua.

Uma coisa importante: é preciso tomar cuidado, pois a água com sal é um bom condutor elétrico e possui uma resistência elétrica muito pequena. Isto poderá produzir uma corrente muito alta que gastará as pilhas e bateria muito rapidamente. Para evitar este problema pode-se colocar uma resistência em série com o sistema, o que irá diminuir a corrente e dar mais tempo de vida às pilhas. Porém, ao fazer isso também diminuiremos o número de bolhas, diminuindo o efeito visual.

Eu costumava usar uma pequena lâmpada como resistência, que além de diminuir a corrente, indicava que o sistema estava ligado. Hoje em dia um pequeno LED pode fazer essa indicação, e com um potenciômetro, que tem resistência variável, podemos aumentar ou diminuir o número de bolhas.

O esquema elétrico é o seguinte:

O LED vai indicar se o sistema está operante ou não, e também vai dar um aspecto visual mais interessante. O tipo de LED depende dos valores de tensão e corrente do circuito.

O valor do potenciômetro depende das características de seu projeto, tamanho da cuba, a quantidade de corrente no sistema, a voltagem da bateria ou conjunto de pilhas. Faça testes com vários potenciômetros que você aprenderá um pouco mais. Faça contas usando as fórmulas de circuitos elétricos. Faça cartazes com essas contas para enriquecer o seu projeto. Faça medições usando um multímetro. Calcule a resistência da cuba.

Exemplo:

A resistência total do sistema é:

Rt = R_cuba + R_LED + R_Max

Onde, Rt é a resistência total, R_cuba é a resistência da cuba, R_LED é a resistência do LED, R_Max é a resistência do potenciômetro quando está no máximo.

Logo, a corrente quando o potenciômetro estiver no máximo de resistência será dada por:

I = V / ( R_cuba + R_LED + R_Max )

A resistência do potenciômetro quando ele está no mínimo é zero, então o maior valor possível para a corrente será:

I_max = V / ( R_cuba + R_LED )

4 – Dúvidas e cuidados

Um cuidado importante que se deve ter é ao montar o circuito, lembrar que o LED é um diodo semicondutor que deixa a corrente fluir somente em uma direção. Isto quer dizer que ele deve ser ligado da maneira certa. Se ligar o LED ao contrário o circuito não irá funcionar.

É importante soldar os elementos em uma placa ou ponte de terminais: LED, potenciômetro e chave.

Posso usar corrente alternada ligando diretamente na rede elétrica?

Pode, mas precisa de certos cuidados, pois a voltagem é muito alta e pode produzir correntes altas também, pois a resistência da cuba é muito baixa (água e sal). Neste caso coloque uma lâmpada de 40 w em série no sistema como limitador de potência para sua segurança e do próprio sistema.

No caso da corrente alternada, os elétrodos se alternam na função cátodo e ânodo, sessenta vezes por segundo (freqüência de operação da rede), e as bolhas de gás de Cl₂ e H₂ formadas se misturam de ambos os lados, logo você não terá gás cloro de um lado e gás hidrogênio do outro, mas sim uma mistura de ambos nos dois elétrodos.

Não use cartazes feitos à mão, faça no computador e depois cole as partes. Dará um aspecto mais profissional. Se for possível use um computador na sua bancada para mostrar os cartazes na forma de slides.

5 – Conclusões

Você pode produzir um efeito visual com as bolhas e ainda dar uma aula de reações químicas e eletricidade.

É um projeto bastante interessante, pois além de ser multidisciplinar, ele está ligado a importantes processos industriais. Industrias que produzem soda cáustica para outras indústrias químicas, cloro que também é usado em industrias químicas, hidrogênio que pode ser usado como combustível.