Sódio metálico é tão reativo que não é encontrado naturalmente de forma isolada. Este elemento pode ser produzido por eletrólise de cloreto de sódio fundido.
a) Quanto tempo será necessário para produzir 23 g de sódio metálico se uma corrente de 12 A for aplicada em uma célula eletrolítica contendo cloreto de sódio fundido? Explique.
b) Cloro gasoso também é produzido nesse processo. Identifique às semi-reações do cátodo e do ânodo desse processo e forneça a reação global. Quanto de cloro gasoso será produzido?
a) Quanto tempo será necessário para produzir 23 g de sódio metálico se uma corrente de 12 A for aplicada em uma célula eletrolítica contendo cloreto de sódio fundido? Explique.
b) Cloro gasoso também é produzido nesse processo. Identifique às semi-reações do cátodo e do ânodo desse processo e forneça a reação global. Quanto de cloro gasoso será produzido?
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada nesse exercício sobre a eletrólise do cloreto de sódio fundido para produzir sódio metálico e cloro gasoso. A gente precisa resolver duas partes: a primeira é calcular quanto tempo leva para produzir 23 gramas de sódio utilizando uma corrente de 12 A, e a segunda é identificar as semi-reações no cátodo e no ânodo, além de determinar a reação global e quanto cloro será produzido nesse processo. Para isso, vamos precisar usar conceitos de eletroquímica, como a lei de Faraday e as reações de redução e oxidação.
Passo 2
Vamos começar pela parte a), que pede para calcular o tempo necessário para produzir 23 gramas de sódio metálico com uma corrente de 12 A.
Primeiro, precisamos saber quantos mols de sódio correspondem a 23 gramas. A massa molar do sódio (Na) é aproximadamente 23 g/mol, então:
Agora, segundo a primeira lei de Faraday, a quantidade de carga elétrica (Q) necessária para produzir uma certa quantidade de substância durante a eletrólise é dada por:
Onde:
- $ n $ é o número de mols de elétrons transferidos.
- $ z $ é o número de elétrons envolvidos na reação (no caso do sódio, $ z = 1 $ porque Na⁺ + e⁻ → Na).
- $ F $ é a constante de Faraday, aproximadamente $ 96485, C/mol $.
Como estamos produzindo 1 mol de sódio ($ z = 1 $):
Agora, para achar o tempo (t), usamos a relação entre carga, corrente e tempo:
Convertendo para horas:
Passo 3
Agora, vamos para a parte b), que pede para identificar as semi-reações no cátodo e no ânodo, fornecer a reação global e calcular quanto cloro gasoso será produzido.
Primeiro, no cátodo (onde ocorre a redução), os íons sódio ($ Na^+ $) recebem elétrons para formar sódio metálico:
No ânodo (onde ocorre a oxidação), os íons cloreto ($ Cl^- $) perdem elétrons para formar cloro gasoso:
Agora, vamos montar a reação global balanceada:
Para calcular quanto cloro gasoso é produzido, vimos que para cada 2 mols de $ NaCl $, produzimos 1 mol de $ Cl_2 $. Como produzimos 1 mol de Na, isso corresponde a 0,5 mol de $ Cl_2 $.
A massa molar do cloro gasoso ($ Cl_2 $) é aproximadamente 70,9 g/mol, então:
Resposta
a) Será necessário aproximadamente 8040 segundos (ou 2,23 horas) para produzir 23 g de sódio metálico com uma corrente de 12 A.
b) As semi-reações são:
- Cátodo: $ Na^+ + e^- \rightarrow Na(s) $
- Ânodo: $ 2, Cl^- \rightarrow Cl_2, (g) + 2, e^- $
A reação global é:
Serão produzidos 35,45 g de cloro gasoso.