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Eletrólise em série

A eletrólise em série ocorre quando duas ou mais cubas eletrolíticas com substâncias diferentes são interligadas e submetidas a uma mesma fonte de carga elétrica.

Por: Jennifer Rocha Vargas Fogaça A segunda lei de Faraday refere-se à eletrólise em série, ou seja, quando substâncias diferentes são submetidas à mesma carga elétrica

A segunda lei de Faraday refere-se à eletrólise em série, ou seja, quando substâncias diferentes são submetidas à mesma carga elétrica

A eletrólise é um processo em que se coloca uma substância no estado líquido ou em solução aquosa que contenha íons em um recipiente chamado de cuba eletrolítica e passa-se uma corrente elétrica pelo líquido por meio de dois eletrodos (polo negativo – cátodo – e polo positivo – ânodo) ligados a um gerador (como uma bateria) externo.

Essa corrente elétrica faz com que ocorram reações de oxirredução no líquido ou solução que formam determinados produtos desejados. Desse modo, a eletrólise pode ser dita como um processo que transforma energia elétrica (que vem do gerador) em energia química (reações químicas).

No entanto, em indústrias, a eletrólise não é realizada com uma única cuba eletrolítica como explicado até agora. Na verdade, para que se produza mais e em menor tempo, são realizadas eletrólises em série. A eletrólise em série é feita por conectar os eletrodos de várias cubas eletrolíticas (que em indústrias, na verdade, são tanques) de forma intercalada (o cátodo de uma cuba eletrolítica liga-se ao ânodo da outra cuba eletrolítica e assim sucessivamente). A corrente elétrica é proveniente de um único gerador.

 

Esquema de eletrólise em série com três cubas interligadas
Esquema de eletrólise em série com três cubas interligadas 

Mas como resolver exercícios que envolvem eletrólise em série? Como podemos descobrir, por exemplo, a quantidade de massa dos metais que se deposita nos eletrodos de cada cuba? E como saber a quantidade de carga elétrica que foi usada?

Para tal, aplicamos a segunda lei de Faraday, que diz respeito a substâncias diferentes que são submetidas a uma mesma carga elétrica. Visto que são substâncias diferentes, as massas dos metais depositadas em cada cuba também são diferentes, apesar de ser usada a mesma carga elétrica.

A segunda lei de Faraday diz o seguinte:

Empregando-se a mesma quantidade de carga elétrica (Q), em diversos eletrólitos, a massa da substância eletrolisada, em qualquer dos eletrodos, é diretamente proporcional à massa molar da substância.”

Por exemplo, imagine que, em um dos cátodos, haja a semirreação a seguir que resulta no depósito de prata metálica no eletrodo:

Ag++ 1 e- → Ag

No outro eletrodo de outra cuba eletrolítica, há a seguinte semirreação que resulta no depósito de alumínio metálico no cátodo:

Al3+ + 3 e- → Al

Analisando essas duas semirreações de redução, vemos que as massas desses dois metais são diferentes porque o íon Al3+ é tripositivo, exigindo o triplo de elétrons que o íon Ag+ , que é monopositivo.

Além das cargas dos íons, a massa molar da prata é igual a 108 g/mol e a do alumínio é 27 g/mol, o que mostra que esse é outro fator que também interfere na quantidade de massa desses metais que é depositada em cada cátodo.

Veja um exemplo de questão que envolve uma eletrólise com a aplicação dos conceitos estudados até agora:

Exemplo:

Uma cuba eletrolítica com eletrodos de cobre que contém uma solução aquosa de Cu(NO3)2 é ligada em série com outras duas cubas eletrolíticas. A segunda cuba é provida de eletrodos de prata e contém solução aquosa de AgNO3, enquanto a terceira cuba possui eletrodos de alumínio e solução aquosa de ZnCl2. Esse conjunto de cubas em série é ligado a uma fonte durante certo intervalo de tempo. Nesse intervalo de tempo, um dos eletrodos de cobre teve um incremento de massa de 0,64 g. O incremento de massa nos cátodos das outras duas células foi de quanto?

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(Massas molares: Cu = 64 g/mol; Ag = 108 g/mol; Zn = 65,4 g/mol)

Resolução:

Visto que sabemos a massa de cobre depositada no eletrodo da primeira cuba, podemos descobrir a quantidade de carga elétrica (Q) que foi aplicada e usá-la para determinar as massas dos outros metais que se depositaram.

Primeiro escrevemos a equação da semirreação catódica:

Cu2+ + 2e- → Cu(s)
           ↓          ↓
      2 mol e-   1 mol

Pela primeira lei de Faraday, 1 mol corresponde à carga de 1 F (faraday), que é exatamente igual a 96 500 C. No caso do cobre, são necessários 2 mol de elétrons para reduzir o Cu2+ e produzir 1 mol de Cu(s). A carga elétrica, nesse caso, seria de Q = 2 . 96 500 C = 193 000 C.

Essa carga produz 1 mol de Cu, o que equivale à massa de 64 g. Mas o enunciado disse que nessa eletrólise foi produzido 0,64 g de cobre. Então, fazemos uma regra de três simples para descobrir a carga elétrica que foi usada nessa eletrólise em série:

193 000 C –------ 64 g de Cu
            Q ---------- 0,64 g de Cu

Q = 0,64 . 193 000
             64
Q = 1930 C

Essa é a carga elétrica usada nas três cubas eletrolíticas. Com esse valor, podemos descobrir agora o que o exercício pediu, a massa dos outros metais que se depositou nos eletrodos das cubas 2 e 3:

* Cuba 2:

Ag++ 1 e- → Ag
          ↓         ↓
1 mol de e-   1 mol
          ↓         ↓
96500 C ------ 108 g de Ag (essa é a massa molar da prata)
  1930 C ------ m

m = 108 . 1930
         96 500

m = 2,16 g de Ag

* Cuba 3:

Zn2++ 2 e- → Zn
           ↓        ↓
2 mol de e-   1 mol
           ↓        ↓
2. 96500 C ------ 65,4 g de Zn (essa é a massa molar do zinco)
      1930 C ------ m

m = 65,4 . 1930
         193 000

m = 0,654 g de Zn

Veja que, ao realizar as regras de três acima para descobrir a quantidade de massa de cada metal obtida, a massa molar (M) do metal aparece no numerador multiplicada pela carga elétrica (Q). Já no denominador estão as cargas dos respectivos íons (q) multiplicadas pela constante de Faraday (1 F = 96 500 C).

Assim, temos a seguinte fórmula:

m = M . Q
   
q . 96 500

Podemos resolver esse tipo de exercício aplicando diretamente essa fórmula. Veja também que ela corresponde exatamente ao que é dito pela segunda lei de Faraday. 

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