Relatório - Eletrólise da água

1. Objetivo:

Determinar experimentalmente o Número de Avogadro, através da eletrólise da água e analisar a eficiência de cada método utilizado.

2. Introdução:

A corrente elétrica é definida como a quantidade de carga que passa através de um circuito fechado em um determinado intervalo de tempo. Para que essa corrente possa fluir é necessário um condutor eletrolítico.

Quando existe um sistema com eletrodo, ocorrerá uma reação entre o mesmo e o condutor eletrolítico, sendo a energia elétrica usada para manter essa transformação química.Diz-se então que o sistema reacional sofre o processo de eletrólise.

Analisando as Leis de Faraday, podemos concluir que a quantidade da substância eletrolizada pela passagem de 1F (faraday) é sempre igual a um equivalente grama. Logo a quantidade (Q) necessária para eletrolizar m gramas de uma substância pura é :

como Q = i.t

Por outro lado, se um Faraday é a quantidade de eletricidade necessária para neutralizar um equivalente grama de qualquer íon, podemos concluir que a carga contida em um equivalente de um íon é um Faraday. Chamando de ‘E’ a carga unitária, podemos dizer portanto que 1F=Em, desde que o equivalente grama de qualquer íon possua n cargas unitárias. Então:

Portanto através da massa de uma substância eletrolizada, podemos determinar o número de Avogadro, desde que seja conhecida a quantidade de eletricidade empregada, ou seja, a intensidade da corrente utilizada e o tempo de eletrólise.

Os resultados da investigação de Faraday sobre o fenômeno da eletrólise podem ser resumidos em duas Leis para eletrólise:

1ª A quantidade de produto primário formado num eletrodo pela eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que passa pela solução.2ª As quantidades de diferentes produtos primários formandos nos eletrodos pela mesma quantidade de eletricidade são proporcionais as suas massas moleculares relativas, ou massas atômicas relativas, dividido pela variação de seu número de oxidação durante o processo eletrolítico.

Geralmente é necessário conhecer a quantidade de eletricidade que percorre um dado circuito elétrico e para isso é feita a medida da corrente que o atravessa durante um certo tempo.No entanto, esse método não é eficiente quando ocorrem variações muito grandes de corrente elétrica. A aplicação das leis de Faraday leva a um método que minimiza tal problema: os coulômetros. Tratam-se de dois eletrodos ligados em série e que sofrem reações de

E

FmQ

.

E

mFti .

E

Nemti .

em

tiEN

.

..

eletrodeposição.Ao final do processo pode-se, pela lei de Faraday, associar a quantidade de qualquer substância depositada ou dissolvida num eletrodo com a fração de reação que ocorreu durante a passagem da corrente.

A configuração básica de um a célula para eletrólise da água é dada por um ânodo e um cátodo separados por uma barreira física. Os eletrodos podem ser de vários materiais, como carbono, e são muitas vezes dopados com material eletrolítico de modo a reduzir o consumo de energia.O eletrólito é geralmente hidróxido de sódio ou potássio devido à redução de problemas de corrosão em meio alcalino.

3. Fluxograma:

4. Reagentes, Toxicidade e Reagentes:

Sulfato de sódio:

TOXICIDADE:- Inalação: Exposição a altas concentrações de poeira podem causar pequena irritação nasal eespirros.- Olhos: Exposição altas concentrações pode causar irritação mecanica e lacrimejação.- Pele: Embora o sulfato de sódio não irrite a pele, deve-se evitar o contato prolongado com

Frasco niveladorAbrir as torneiras e introduzir a

solução no mesmo Igualar os níveis das soluções nas duas buretas (25mL) com o frasco niveladorFechar a torneira.

Fonte de corrente

LigarAjustar uma corrente de 150mA entre os eletrodos Desligar a fonteFrasco

niveladorAbrir a torneira Nivelar na marca dos 25mL a pressão atmosférica Abaixar o frasco nivelador até a marca dos 0mL na bureta. Ligar a fonteAcionar o cronômetro

EletróliseInterromper quando o volume de H2 chegar a 23mL Aguardar até as bolhas sairem da soluçãoMedir o volume de H2 e O2 na pressão atmosférica

Frasco nivelador- Medir a temperatura da solução no

mesmoEletrólise completa

a pele.- Ingestão: A ingestão de grande quantidade pode causar náuseas, vômito, dores abdominaise diarréia.- Carcinogênicidade: O sulfato de sódio mão consta na lista de substância cancerígenas doIARC, NTP e OSHA.- Condições médicas agravadas por longo tempo de exposição: Nada informado.

PRIMEIROS SOCORROS:- Inalação: Remover a vítima para um lugar ventilado e se necessário ajudar a respiração.- Contato com os olhos: Não deixe a vitima esfregar com força os olhos ou fechar/cerrarolhos.- Delicadamente levante as pálpebras e lave imediatamente e continuamente com água emabundância por 15 minutos. Consulte o médico oftalmologista se a irritação e a dor persistir.- Contato com a pele: Remova as roupas contaminada. Enxagüe com bastante água e lave aárea exposta com sabão e água. Se houver irritação na pele procure um médico.- Ingestão: Nunca de nada via oral a uma pessoa inconsciente ou em estado de choque. Se a vitima estiver consciente e alerta, beber 1 ou 2 copos de água para diluir. Se a quantidade ingerida for muito grande, induzir ao vômito.Após os primeiros socorros, encaminhe a vitima ao hospital.

Hidróxido de sódio:

TOXICIDADE:- Inalação: causa severa irritação. A inalação do pó causa sérios prejuízos ao trato respiratório. Os sintomas podem incluir dores de garganta e espirros. Severa pneumonia pode ocorrer.- Ingestão: o NaOH é corrosivo. Pode causar severas queimaduras na boca, garganta e estômago. Pode causar danos aos tecidos e morte. Podem incluir sangramento, vômito, diarréia e queda de pressão.- Contato com a pele: causa severas irritações e queimaduras na pele.- Contato com os olhos: causa severa irritação. Grandes exposições podem causar severas queimaduras e cegueira.- Exposição crônica: contato prolongado com soluções diluídas ou pó tem efeito destrutivo dos tecidos.- Agravo das condições pré-existentes: pessoas com desordens de pele, problemas nos olhos ou falência respiratória podem ser mais suscetíveis aos efeitos dessa substância.

PRIMEIROS SOCORROS:- Inalação: expor o indivíduo ao ar livre. Se não estiver respirando, fazer respiração artificial. Se respirar com dificuldade dê oxigênio. Manter as pálpebras abertas e enxaguar com muita água. Procure ajuda médica.- Ingestão: NÃO INDUZIR A VÍTIMA AO VÔMITO. Dê grandes quantidades de água ou leite. Nunca dê algo pela boca para uma pessoa inconsciente. É indicado que a vítima faça endoscopia em todos os casos de ingestão de soda cáustica.- Contato com a pele: lave imediatamente em água corrente por pelo menos 15 minutos. Remova a roupa contaminada e os sapatos. Lave as roupas e os sapatos antes de reutilizá-los. Procure ajuda médica.- Contato com os olhos: lave imediatamente com água corrente por pelo menos 15 minutos abrindo e fechando ocasionalmente as pálpebras. Procure ajuda médica imediatamente.

Etanol:

TOXICIDADE:- Inalação: Causa irritação às vias respiratórias. Em altas concentrações, causa problemas no sistema nervoso central, dor de cabeça, inconsciência e coma. Pode causar efeitos narcóticos.

- Ingestão: Causa irritações gástricas, vômito e diarréia. Pode causar inconsciência, coma e morte.- Contato com a pele: Causa dermatoses e irritações moderadas.- Contato com os olhos: Causa severa irritação nos olhos. Pode causar conjuntivite e problemas na córnea.- Exposição crônica: A exposição contínua à concentrações elevadas pode provocar irritação nas vias respiratórias, olhos, dor de cabeça, vertigens, náuseas e sonolência, podendo causar, em alguns casos, a perda total da consciência. Causa efeitos mutagênicos e fetais.- Agravo das condições pré-existentes: Pessoas com desordens de pele, olhos, fígado, rim, problemas de respiração crônica ou problemas no sistema nervoso central podem ser mais suscetíveis aos efeitos dessa substância.

PRIMEIROS SOCORROS:- Inalação: Remover o indivíduo ao ar livre. Se não estiver respirando, fazer respiração artificial. Se respirar com dificuldade, dê oxigênio. Procure ajuda médica.- Ingestão: induza o vômito. Dê de 2 a 4 copos de água ou leite se a pessoa estiver consciente. Nunca dê algo pela boca para uma pessoa inconsciente.- Contato com a pele: Lave imediatamente com água corrente e sabão. Remova a roupa contaminada e os sapatos. Procure ajuda médica. Lave as roupas e os sapatos antes de reutilizá-los.- Contato com os olhos: Lave imediatamente com água corrente por, pelo menos, 15 minutos, abrindo e fechando ocasionalmente as pálpebras. Procure ajuda médica imediatamente.

Ácido sulfúrico:

TOXICIDADE:- Inalação: causa irritação ao trato respiratório e mucosas das membranas. Sintomas incluem irritação do nariz e garganta e fadiga respiratória, tosse. Pode causa edema pulmonar e até perda da consciência.- Ingestão: pode causar severas queimaduras na boca, garganta e estômago, levando à morte. Dor de garganta, vômito, diarréia, colapso circulatório, pulsação fraca e rápida, baixa respiração e pouca urina se o ácido for ingerido. O choque circulatório causa a morte.- Contato com a pele: Os sintomas mais freqüentes são vermelhidão, dor e severas queimaduras. Pulsação fraca e rápida, baixa respiração e pouca urina se o ácido for posto em contato com a pessoa.- Contato com os olhos: pode turvar a visão, causar vermelhidão, dor e severas queimaduras. Pode causar cegueira.- Exposição crônica: longa exposição aos vapores pode causa prejuízo aos dentes. A exposição crônica pode causar câncer.- Agravo das condições pré-existentes: pessoas com desordens de pele ou olhos com função respiratória falha devem ser mais suscetíveis aos efeitos da substância.

PRIMEIROS SOCORROS:- Inalação: Remover o acidentado ao ar livre. Manter as pálpebras abertas e enxaguar com muita água. Se não estiver respirando, fazer respiração artificial. Se respirar com dificuldade, dê oxigênio. Procure ajuda médica.- Ingestão: Não induza o vômito. Dê grandes quantidades de água. Nunca dê algo pela boca para uma pessoa inconsciente. Chame um médico imediatamente.- Contato com a pele: Lave imediatamente as partes atingidas com bastante água por aproximadamente 15 minutos. Remova a roupa contaminada e os sapatos. Lave-as antes de reutilizá-las. O excesso de ácido na pele pode ser neutralizado com solução 2% de bicarbonato de sódio. Procure ajuda médica.- Contato com os olhos: Lave imediatamente com água corrente por pelo menos 15 minutos, abrindo e fechando as pálpebras. Procure ajuda médica imediatamente.

5. Manipulação dos dados obtidos no experimento:

Dados obtidos no experimento:

EletrodoCorrente

aplicada (mA)Tempo

(s)Volume H2(mL)

Volume de O2 (mL)

Patm

(mmHg)Temperatura

H2(K)

Platina 150 990 21 9,6 711,6 297,7Chumbo 150 1200 24,3 10,5 711,6 297,6Aço Inox 150 1200 25,5 10,7 711,6 297,5

TABELA 1: Dados obtidos no experimento de acordo com cada eletrodo utilizado, bem como o volume de gás hidrogênio e oxigênio produzido nos frascos niveladores e a temperatura.

Dedução da fórmula que fornece o Número de Avogadro em função da corrente, tempo, volume, pressão, constante dos gases e carga do elétron:

PV =nH 2RT

nH 2=

mH 2

MM H 2

PV =mH2

MM H 2

RT

mH2=E

F. it

PV =EF . MM H 2

.it . RT

E=MM H 2

zF=Nqe

PV =MM H 2

zFMM H2

. it . RT

PV =1zF

.it . RT=1zNqe

. it . RT

N=itRTzqe PV

Como a temperatura e a pressão são constantes, considera-se que o gás formado é ideal, pois o volume de gás é consideravelmente grande, fazendo com que as forças intermoleculares diminuam, aproximando o gás de um comportamento ideal.

Reações envolvidas nos eletrodos e seus respectivos cálculos de pressão, número de Avogadro e do erro experimental:

1. Eletrodo de Chumbo:

Reações:

Ânodo (+): 2H2O→O2 + 4H+ +4e-

Pb→Pb2+ + 2e-

Cátodo (-): 2H2O + 2e-→H2 + 2OH-

2H+ + 2e- →H2

Reação Global: 2H2O→2H2 + O2

Patm = PH2 + 22,4PH2 = 711,6-22,4 = 689,2 mmHg

Número Avogadro:

N= itRTzqe PV

N=i . t . R . T .al

P . V . z . q=150 x 10−3 x1200 x 62, 36 x 297 ,7

689 , 2 x0 , 0243 x2 x1,6 x 10−19

N=6 ,23 x 1023

Cálculo erro experimental:

% Erro=6 ,02 x1023−6 ,23 x1023

6 , 02 x 1023x 100=3,4 %

2.

Eletrodo de Platina

Reações:

Ânodo (+): 2H2O→O2 + 4H+ + 4e-

Cátodo (-): 2H2O + 2e-→H2 + 2OH-


Patm = PH2 + 22,4PH2 = 711,6-22,4 = 689,2 mmHg

Cálculo do Número Avogadro:

N= itRTzqe PV

N=i . t . R . T .al

P . V . z . q=150 x 10−3 x 990 x 62 ,36 x 297 , 7

689 , 2 x0 , 021 x2 x1,6 x 10−19

N=5 ,95 x 1023

Cálculo do erro experimental:

% Erro=6 ,02 x1023−5 ,95 x1023

6 , 02 x 1023x 100=1 , 16 %

3. Eletrodo de Aço Inox:

Reações:

Ânodo (-): 2H2O→O2 + 4H+ + 4e-

Cátodo (+): 2H2O + 2e-→H2 + 2OH-


Patm = PH2 + 22,4PH2 = 711,6-22,4 = 689,2 mmHg

Número Avogadro:

N= itRTzqe PV

N=i . t . R . T .al

P . V . z . q=150 x 10−3 x1200 x 62, 36 x 297 ,7

689 , 2 x0 , 0255 x2 x1,6 x 10−19

N=5 ,93 x 1023

Cálculo do erro experimental:

% Erro=6 ,02 x1023−5 ,93 x1023

6 , 02 x 1023x 100=1 , 49 %

6. Discussão:Nota-se que nos três experimentos a evolução de gás hidrogênio é praticamente duas vezes maior que a evolução de gás oxigênio. Isso se deve ao fato de na eletrólise da água a estequiometria da reação apresentar dois mols de hidrogênio para um mol de oxigênio, dada pela reação:

2 H 2O(l)→ 2 H 2(g )+O2 (g)

1) Eletrodo de Platina:Na montagem desse sistema de eletrólise da água, nos pólos negativo (cátodo) e

positivo (ânodo), tem-se que os eletrodos estão imersos em uma solução sulfato de sódio e verde de bromocresol. Essa solução é levemente esverdeada. Pode-se observar que em ambos os eletrodos de platina não houve mudança de coloração durante a ocorrência da eletrólise. Ao realizar a eletrólise da água, passando uma determinada corrente, por determinado tempo, observou-se que o cátodo produziu mais bolhas do que o ânodo, além de adquirir uma coloração azulada, indicando que nesse pólo há produção de hidroxilas e liberação de gás hidrogênio.

No ânodo, a coloração da solução próxima ao eletrodo tornou-se amarelada, indicando que a solução ficou ácida, devido ao consumo de hidroxilas e liberação do gás oxigênio.

Os volumes de gases obtidos neste eletrodo foram de:VH2= 21,0 mLVO2= 9,6 mL

FIGURA 1: Foto do eletrodo de platina e suas respectivas cores após a evolução de gás.

2) Eletrodo de Aço Inoxidável:Na montagem desse sistema para a eletrólise da água, nos pólos negativo (cátodo) e positivo

(ânodo), tem-se que os eletrodos estão imersos em uma solução de hidróxido de sódio 0,1M e 10% de etanol.

Ao realizar a eletrólise da água, passando uma determinada corrente, por determinado tempo, observa-se que o cátodo produz mais bolhas do que o ânodo comprovando que nesse pólo ocorre produção de gás hidrogênio.

A base forte, NaOH, dissocia-se facilmente em meio aquoso:

NaOH(aq) Na+(aq) + OH-

(aq)

No cátodo, onde ocorre a redução, poderia ter ocorrido a seguinte reação:

Na+(aq)

+ 1 e- (aq) Na o(s)

No entanto, essa reação não ocorre, pois o potencial necessário para que ela ocorra é de -2,71, menor que o potencial de redução da água, -0,83.


FIGURA 2: Foto do eletrodo de aço inoxidável e suas respectivas aparências após a evolução de gás

3) Eletrodo de Chumbo: Na montagem desse sistema, no pólo positivo (ânodo), tem-se que o eletrodo está

imerso em uma solução de ácido sulfúrico 10% (em massa). Nota-se que esse eletrodo de chumbo fica com coloração avermelhada após algum tempo de eletrólise. Essa coloração se deve à formação do chumbo vermelho (teróxido de chumbo Pb3O4), pois nesse eletrodo há formação de oxigênio, que em parte se adere sobre a superfície de chumbo, formando uma camada desse óxido, que é vermelho. A quantidade de O2 liberada foi inferior ao que se esperava pela estequiometria da reação, comprovando a ocorrência de uma outra reação no eletrodo.

Ao realizar a eletrólise da água, passando uma determinada corrente, durante um certo intervalo de tempo, observa-se que o cátodo produz mais bolhas do que o ânodo. Isso comprova que nesse pólo, há produção de gás hidrogênio, uma vez que na reação de eletrólise da água, este é produzido em quantidades maiores que o oxigênio (segundo a estequiometria da reação, a quantidade de H2 formada deve ser o dobro da quantidade de O2).

Trabalhando-se com solução diluída de ácido sulfúrico, tem-se que além das moléculas de água estão também presentes os íons resultantes da dissociação do ácido sulfúrico:

H2SO4 (aq) →

diluído

2 H+(aq) + SO4

2-(aq)

Durante a eletrólise, os íons sulfato não sofrem transformações e sua quantidade permanece constante, ocasionando a ocorrência de apenas a eletrólise da água.


FIGURA 3: Foto do eletrodo de chumbo e suas respectivas aparências após a evolução de gás

7. Conclusão:Pelos experimentos pode-se afirmar que o eletrodo de platina apresenta menor erro

comparando-se os valores experimentais do número de Avogadro com o valor literal do mesmo. Os erros apresentados foram de 3,4% para o eletrodo de chumbo, 1,49% para o eletrodo de aço inox, e 1,16% para o eletrodo de platina.O método apresentou bons resultados com relação à medida da evolução dos gases provindos da eletrólise da água e também apresentou erros pequenos com relação ao cálculo do número de Avogadro.

8. Referências Bibliográficas: CASTELLAN, Gilbert W., Físico Química, Rio de Janeiro, vol. 2, 1973.

Denaro, A. R. “Fundamentos de Eletroquímica”

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