FORMAÇÃO
revista técnico-profissional
44
o electricista Jorge Castilho Cabrita Engenheiro Electrotécnico (IST)/Professor do Ensino Secundário
lições
LIÇÕES DE ELECTRICIDADE 28º. PARTE
Electroquímica (3ª parte) – Electrólise (3ª parte)
Com este artigo termina-se o capítulo sobre electrólise, com importantes aplicações, como a galvanostegia e a galvanoplastia, culminando-se com as leis de Faraday que sintetizam os processos electrolíticos.
58.2.9› Galvanostegia Etimologicamente a palavra galvanostegia resulta de “galvano” e do grego “stégo” que significa “cobrir”.
Vejamos o processo electroquímico. Por dissociação electrolítica, o sal origina iões de metal M+ e do radical do sal X-:
A galvanostegia consiste em revestir um objecto com uma película de metal usando a corrente eléctrica, num processo electrolítico (electrólise aquosa). O nome resulta de uma homenagem ao cientista italiano Galvani.
(M+ X-)aq o M+ + X-
A galvanostegia foi inventada em 1805 pelo químico italiano Luigi Brugnatelli que executou um revestimento de ouro usando uma pilha de Volta. Foram os primos Henry e George Richard Elkington que primeiro patentearam o processo de galvanostegia cujos direitos compraram a John Wright. Vários metais são utilizados em galvanostegia, conferindo à operação o nome resultante do metal usado. Os mais comuns são o ouro (douragem ou douração), a prata (prateagem), o crómio (cromagem), o níquel (niquelagem), o cobre (cobreagem), o zinco (zincagem). Com a galvanostegia consegue-se proteger um metal da deterioração, por exemplo, por agentes atmosféricos e/ou conferir-lhe uma melhor aparência. O ânodo é constituído pelo metal a depositar, o cátodo é o objecto a metalizar e o electrólito é uma solução de um sal daquele metal (figura 259). Cátodo –
Ânodo +
Metal M+
Radical X–
Solução de sal do metal M+ X– Figura 259 . Galvanostegia (na imagem medalha de Sir Humphry Davy, um dos pioneiros da electrólise).
No cátodo: M+ + e o M O átomo de metal deposita-se. No ânodo: M – e o M+ M+ + X- o M+ XA presença da água origina a dissociação electrolítica, garantindo a continuidade do processo enquanto houver metal. O processo de galvanostegia vem referenciado muitas vezes na literatura por galvanoplastia, que analisaremos adiante. 58.2.9.1› Zincagem É conhecida a importância da utilização do ferro nas mais diversas realizações humanas, pelas suas características de resistência mecânica. O problema da sua utilização consiste na corrosão devida à formação de óxido, no contacto com o ar (ferrugem). Esta oxidação resulta da presença de ar e água. A reacção química de transformação de ferro em ferrugem exprime-se pela seguinte equação: 2 Fe (s) + 3/2 O2 (g) + H2O (l) o Fe2O3.H2O (s)
FORMAÇÃO
revista técnico-profissional
o electricista
46
acção redox). 58.2.11.2› Leis quantitativas de Faraday – Equação fundamental da electrólise – Constante de Faraday 58.2.11.2.1 - 1ª Lei de Faraday A massa m da substância depositada num eléctrodo por acção da passagem da corrente eléctrica no electrólito é proporcional à quantidade de electricidade Q que passa através do electrólito. Esta lei pode exprimir-se pela equação: m = K1 Q em que K1 é o equivalente electroquímico da substância depositada. Vejamos qual o significado desta nova grandeza. K1 = m / Q
Na natureza, um elemento químico pode apresentar átomos com o mesmo número atómico (igual numero de protões ou electrões) e com números de massa diferentes (diferente numero de neutrões no núcleo). Estes átomos designam-se por isótopos. Este facto conduz a diferença entre número de massa e massa atómica, permitindo-nos compreender a noção de massa atómica. Esta grandeza representa uma média ponderada dos números de massa dos isótopos que constituem um elemento. Para clarificar, veja-se o exemplo do cloro. Este elemento existe na natureza nas seguintes proporções: 75 % na forma de cloro-35 (A=35) e 25% na forma de cloro-37. A sua massa atómica tem o valor de 35,5u. A unidade de massa atómica é uma ou, simplesmente, u. Outra forma de definir esta grandeza é a seguinte:
Se Q = 1 C, virá K1 = m (g/C) Daqui se pode concluir que o equivalente electroquímico de uma substância é numericamente igual à massa da substância depositada no eléctrodo quando pelo electrólito passa uma quantidade de electricidade de 1 C. Visto que a quantidade de electricidade Q é proporcional ao tempo t durante o qual ocorre a passagem da corrente eléctrica I, a expressão da massa pode tomar a forma:
Massa atómica ou peso atómico: indica quantas vezes o átomo considerado é mais pesado que 1/12 do átomo de carbono (escolhido como padrão) (exemplo: no sódio é 23u) Átomo-grama: é a massa em gramas de um elemento químico cujo valor numérico coincide com sua massa atómica. Por ser habitual, vamos representá-lo por A. (exemplo: no sódio é A=23 g)
58.2.11.2.3 - 2ª Lei de Faraday A massa da substância formada num eléctrodo é directamente proporcional ao respectivo equivalente-grama. m = K2 . E Equação fundamental da electrólise Esta equação é deduzida das equações das duas leis de Faraday. Sendo m proporcional a Q e a E, será: m=KEQ em que K é uma constante de proporcionalidade. Verificou-se que, quando m = E, é Q = 96500 C. Substituindo atrás, E = K E 96500 Daqui obtém-se o valor de K = 1 / 96500 Esta constante é o inverso da grandeza F, denominada constante de Faraday ou simplesmente Faraday. m = E Q / 96500 = E Q / F Se m = E, virá F = Q. Esta expressão significa que o Faraday é dado pelo mesmo número que a quantidade de electricidade Q que, ao passar no electrólito, provoca a deposição de um equivalente-grama da substancia no eléctrodo. A constante de Faraday F é uma das constantes fundamentais da Física. O seu valor aproximado é F = 96500 C / equivalente-grama.
BIBLIOGRAFIA
m = K1 I t 58.2.11.2.2 - Revisão sobre conceitos químicos Para se entender o significado da 2ª lei de Faraday é necessário recordar alguns conceitos químicos. Número atómico (Z) de um elemento químico é o número de protões (electrões) de um átomo. (exemplo: no sódio Z=11) Número de massa (A) de um elemento químico é o número de protões e neutrões (N) de um átomo. (exemplo: no sódio A=23) A=Z+N
O conceito de valência tem evoluído ao longo do tempo, mas está associado, como se disse antes (58.1.2) à maior ou menor capacidade de combinação entre elementos químicos. Actualmente, a valência é dada pelo número de electrões que um átomo compartilha com outros átomos, numa estrutura química. Equivalente-grama de um elemento químico é a relação entre o seu átomo-grama (A) e a sua valência (v) no composto de que faz parte. Por exemplo, no sódio é E = A / v = 23 / 1 = 23g
— Electrotecnia – Corrente contínua – José Rodrigues – 1981 – Didáctica Editora — Electrotecnia – Corrente contínua – Magnetismo –Electromagnetismo - Isabel Gomes – António Roseira – Fernandes da Silva – Bessa Dias – 1982 – Edição dos autores — Fundamentos de Eletrotécnica – 1 – Robert Arnold – 1972 – EPU — Fundamentos de Eletrotécnica – 2 – Robert Arnold – 1972 – EPU
exercícios EXERCÍCIOS PROPOSTOS (RESOLUÇÃO) Exercício 53 22 000 000 / 6 x 30 000 = 122 h = 5 d