Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 321 de 495

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Vogel: Análise Química Quantitativa

13.4 Processos que ocorrem na célula

Os eletrodos são feitos de tecido de platina porque esse arranjo permite a

circulação da solução. Pode-se usar um dos eletrodos para agitar a solução

mas, neste caso, um arranjo especial tem de ser usado para garantir a

conexão do eletrodo à fonte de corrente. Muitas vezes, é melhor usar um

agitador de vidro ou um agitador magnético. A Fig. 13.2 esquematiza os

eletrodos de Fischer. Coloca-se um tubo de vidro nos anéis do fio do

eletrodo externo, fazendo o fio do eletrodo interno passar pelo interior do

tubo. Quando é necessário conhecer a densidade de corrente em uma dada

determinação, usualmente se considera a área do eletrodo de tecido como

sendo o dobro da área de um eletrodo de folha com as mesmas dimensões.

Além dos eletrodos, o circuito utiliza corrente d.c. entre 3 e 15 V, uma

resistência variável, um amperímetro, um voltímetro, um agitador

magnético e uma chapa de aquecimento. Os aparelhos comerciais de

eletrólise incluem todos estes componentes e, às vezes, um eletrodo

adicional (anodo) para a agitação mais eficiente da solução sob eletrólise.

 

13.4 Processos que ocorrem na célula

 

Além da deposição das espécies desejadas, durante a eletrólise ocorrem

outros processos. Pode ocorrer deposição simultânea de outros metais e,

também, decomposição da água nas condições de trabalho com produção de

hidrogênio e oxigênio que, por sua vez, podem interferir na deposição dos

metais no catodo. Devido a estas complicações, as condições de trabalho de

uma dada determinação devem ser rigorosamente controladas.

Alguns dos processos que ocorrem durante a eletrólise podem ser

observados se um potencial pequeno, digamos 0,5 V, for aplicado a dois

eletrodos lisos de platina imersos em uma solução de ácido sulfúrico 1 M.

Um amperímetro colocado no circuito mostra uma corrente inicial

apreciável que decai rapidamente até zero. Se o potencial aplicado aumentar

gradualmente, ocorre um pequeno incremento de corrente até que o

potencial chegue a um valor a partir do qual a corrente aumente rápido.

Pode-se observar o aparecimento de bolhas de gás nos eletrodos a partir

deste ponto. Um gráfico de corrente contra o potencial aplicado produz uma

curva semelhante à da Fig. 13.3. O valor a partir do qual a corrente aumenta rapidamente é claro no gráfico e neste caso é ~ 1,7 V. O potencial neste

ponto é chamado “potencial de decomposição” e, a partir dele, hidrogênio e

oxigênio começam a se desprender na forma de bolhas. Podemos definir o

potencial de decomposição de um eletrólito como sendo o potencial

externo mínimo que deve ser aplicado para iniciar a eletrólise contínua.

 

Fig. 13.1 Catodo e anodo: a redução ocorre no catodo, que está ligado ao terminal negativo da fonte de energia, e a oxidação ocorre no anodo, que está ligado ao terminal positivo da fonte de energia

 

Fig. 13.2 Eletrodo de Fischer

Se o circuito for interrompido após a aplicação da f.e.m., a leitura do

voltímetro permanece razoavelmente constante durante algum tempo e

então decresce, mais ou menos rapidamente, até zero. Isto significa que a

célula está agindo como uma fonte de corrente. Chamamos a este processo

de f.e.m. reversa ou contra f.e.m. ou, ainda, f.e.m. de polarização, porque

ela age na direção oposta à f.e.m. originalmente aplicada. A f.e.m. reversa é

devida à acumulação de oxigênio e hidrogênio no anodo e no catodo,

respectivamente. Dois eletrodos gasosos se formam, então, e a diferença de

potencial entre eles se opõe à f.e.m. aplicada. Assim que a corrente primária

da bateria é interrompida, a célula produz uma corrente constante moderada

até que os gases, nos eletrodos, sejam completamente utilizados ou tenham

difundido. Neste ponto, a voltagem cai a zero. Esta f.e.m. reversa ocorre

mesmo quando a corrente da bateria passa pela célula e explica a forma da

curva da Fig. 13.3.

Sabe-se, experimentalmente, que a voltagem de decomposição de um

eletrólito varia com a natureza dos eletrodos usados na eletrólise e que ela

é, freqüentemente, maior do que o valor calculado pela diferença dos

potenciais de eletrodo reversíveis. A voltagem em excesso é chamada de

sobrepotencial. O sobrepotencial pode ocorrer no anodo ou no catodo. A

voltagem de decomposição, ED, é, portanto, em que Eoc e Eoa são os sobrepotenciais no catodo e no anodo, respectivamente.

 

Fig. 13.3 F.e.m. reversa

ED = Ecatodo + Eoc – (Eandodo + Eoa)

 

O sobrepotencial do hidrogênio é muito importante nas determinações e

separações eletrolíticas. Ele é maior com metais relativamente moles como

bismuto (0,4 V), chumbo (0,4 V), estanho (0,5 V), zinco (0,7 V), cádmio

(1,1 V) e mercúrio (1,2 V). Estes valores referem-se à eletrólise do ácido

sulfúrico 0,05 M e densidade de corrente 0,01 A·cm –2 e podem ser

comparados ao valor de 0,09 V do eletrodo de platina polida nas mesmas

condições. A existência do sobrepotencial do hidrogênio torna possível a

determinação eletrogravimétrica de metais como o cádmio e o zinco que

sem ele não se depositariam antes da redução do íon hidrogênio. Em

soluções básicas, o sobrepotencial do hidrogênio é um pouco maior (0,05 a

0,03 V) do que em soluções ácidas.

O sobrepotencial do oxigênio é de 0,4 a 0,5 V em um anodo de platina

polida em solução ácida e da ordem de 1 V em soluções básicas com

densidades de corrente de 0,02 a 0,03 A·cm–2. Via de regra, o

sobrepotencial associado à decomposição de metais no catodo é pequena

(~0,1 a 0,3 V) porque o processo é praticamente irreversível.

As determinações gravimétricas podem ser feitas sob corrente constante

ou sob potencial controlado. Os procedimentos que usam corrente

constante limitam-se à determinação da quantidade de um íon em uma

solução que só contém uma espécie. Os procedimentos que usam o

potencial controlado são mais convenientes para a separação de

componentes de misturas cujos potenciais de decomposição não diferem

muito. Uma determinação típica com corrente constante é a do cobre em

meio ácido. O metal pode se depositar em solução de ácido nítrico ou ácido

sulfúrico isoladamente, mas, normalmente, se usa uma mistura dos dois

ácidos. Se a eletrólise da solução for feita sob f.e.m. igual a 2–3 V, ocorrem

as seguintes reações: