Leis de Faraday da eletrólise

As leis de Faraday da eletrólise são fundamentais para o campo da eletroquímica e fornecem uma base quantitativa para o estudo e aplicação da eletrólise. Essas leis foram desenvolvidas por Michael Faraday, um cientista proeminente do século XIX. O trabalho de Faraday lançou as bases para a eletroquímica moderna e aplicações industriais envolvendo eletrólise.

Introdução à eletrólise

Eletrólise é um processo químico que impulsiona uma reação química não espontânea usando energia elétrica. Este processo é comumente usado em indústrias para extrair e purificar metais, galvanoplastia e produção de compostos químicos.

Durante a eletrólise, uma corrente elétrica é passada através do eletrólito, fazendo com que ele se decomponha. O eletrólito é geralmente um composto iônico em forma fundida ou dissolvido em água, permitindo que os íons se movam livremente. A eletrólise envolve dois tipos de eletrodos: o ânodo (positivo) e o cátodo (negativo).

Primeira lei de Faraday da eletrólise

A primeira lei da eletrólise afirma que a massa de uma substância produzida nos eletrodos durante a eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade passada pelo eletrólito. Matematicamente, isso pode ser expresso como:

m = Z * Q

Onde:
m – massa da substância (em gramas)
Z - equivalente eletroquímico (em gramas por coulomb)
Q - carga elétrica total que passa pelo material (em coulombs)

O equivalente eletroquímico (Z) é específico para cada substância e é calculado usando a seguinte fórmula:

Z = M / (n * F)

Onde:
M - massa molar da substância (em gramas por mole)
n - número de mols de elétrons trocados
F - constante de Faraday (aproximadamente 96485 coulombs por mole)

Imagine uma célula eletrolítica contendo uma solução de sulfato de cobre com eletrodos de cobre. Quando a eletricidade é passada através dela, o metal cobre é depositado no cátodo.

Exemplos e cálculos

Vamos considerar a deposição de cobre usando uma corrente elétrica de 2 amperes por 1 hora:

    Corrente (I) = 2 A
    Tempo (t) = 1 hora = 3600 segundos

    Q = I * T = 2A * 3600 s = 7200 C

    Massa molar do cobre (Cu) = 63,5 g/mol
    n (para cobre) = 2

    Equivalente eletroquímico, Z = M / (n * F)
                                = 63,5 g/mol / (2 * 96485 C/mol)
                                = 0,000329 g/c

    Massa depositada, m = Z * Q
                      = 0,000329 g/C * 7200 C
                      = 2,37 gramas

Portanto, 2,37 g de cobre serão depositados no cátodo.

Segunda lei de Faraday da eletrólise

A segunda lei da eletrólise afirma que as massas de diferentes substâncias liberadas quando a mesma quantidade de eletricidade é passada por elas são proporcionais aos seus pesos equivalentes. O peso equivalente é calculado dividindo a massa molar pela valência (capacidade de combinar íons).

m1/m2 = E1/E2

Onde:
m1, m2 são as massas das substâncias produzidas
E1, E2 são pesos equivalentes

Considere uma configuração onde íons de cobre e prata são depositados usando a mesma carga elétrica. Vamos calcular a massa de cada metal depositado.

Exemplo de cobre e prata

Dado:

• Massa molar do cobre (Cu) = 63,5 g/mol, valência = 2
• Massa molar da prata (Ag) = 107,9 g/mol, valência = 1

Calcule a massa (m₁ para Cu, m₂ para Ag) depositada por 965 mols de elétrons.

    E1 (Cu) = 63,5 g/mol / 2 = 31,75 g/equiv
    E2 (Ag) = 107,9 g/mol / 1 = 107,9 g/equivalente

    Usando a segunda lei de Faraday:

    m1/m2 = e1/e2
    m1/m2 = 31,75 g/equivalente / 107,9 g/equivalente 
    m1/m2 ≈ 0,294

    Se 31,75 g de cobre forem depositados, 
    Então 31,75 / 0,294 = 107,9 gramas de prata podem ser depositados 
    na mesma carga.

Isso mostra como diferentes substâncias produzem diferentes massas, dependendo do seu peso equivalente, quando sujeitas à mesma quantidade de carga elétrica.

Aplicações das leis de Faraday

As leis de Faraday são importantes no design e otimização de muitos processos elétricos e industriais, incluindo:

• Galvanoplastia: Usando eletrólise para depositar uma fina camada de metal em uma superfície para proteção contra corrosão ou para fins estéticos.
• Eletrorrefinação: Purificação de metais removendo impurezas através de eletrólise controlada.
• Eletrometalurgia: A extração de metais a partir de minérios usando células eletrolíticas, que é importante para as indústrias metalúrgicas.

Conclusão

As leis de Faraday da eletrólise proporcionam uma estrutura matemática e conceitual para entender como a carga elétrica interage com substâncias químicas para ocasionar mudanças. Esses princípios são fundamentais não só em contextos acadêmicos, mas também em muitas aplicações práticas em uma variedade de indústrias.

Compreendendo a relação entre carga elétrica, massa e propriedades materiais, cientistas e engenheiros podem prever os resultados de processos eletrolíticos com alta precisão.

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