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APLICAÇÃO DE CÁLCULO NA PRODUÇÃO ELETROQUÍMICA DO CLORO
PASSOS, ALVARO C. P. SANTOS, ANDRÉ E. TOMAZINI, TARCÍZIO T.
INSTITUTO FRDERAL DO ESPÍRITO SANTO, CAMPUS VILA VELHA
BACHARELADO EM QUÍMICA INDUSTRIAL
INTRODUÇÃO
A utilização do Cálculo é uma ferramenta de extrema importância, pois a
variação de grandezas e a necessidade de aproximações locais é uma
problemática contida praticamente em todas as áreas do conhecimento.
Na eletrólise, a passagem de uma quantidade suficiente de eletricidade
através de uma solução produz-se uma reação não-espontânea, desta
forma pode-se produzir Cl2(aq) e HClO(aq) a partir do NaCl(aq). A geração
de cloro nas formas citadas são importantes devido seu alto poder
bactericida, podendo ser empregadas no tratamento de água potável e
de piscinas.
OBJETIVO
Estruturar uma modelagem matemática para uma reação química de
oxidação eletrolítica em uma solução salina (NaCl) a partir de derivação
da primeira lei de Faraday, comprovando assim o o controle de corrente
elétrica para que a produção de analito pela reação de oxidação
eletrolítica seja modulada.
METODOLOGIA
Consiste na demonstração matemática da derivação da Primeira Lei de
Faraday e sua aplicação na determinação da corrente em relação ao
tempo de eletrólise total de uma solução salina 2M de NaCl.
DISCUSSÃO E RESULTADOS
Reações de eletrólise de cloretos para a geração do cloro ativo:
Anodo:
2Cl-(aq) Cl2(g) + 2e
-
Reação em fase aquosa:
Cl2(aq) + H2O(l) H
+
(aq) + Cl
-
(aq) + HClO(aq)
Dissociação do ácido hipocloroso (dependente do pH do meio):
HClO(aq) H
+
(aq) + ClO
-
(aq)
Catodo:
2H2O(l) + 2e
- 2OH-(aq) + H2(g)
Sumário das Leis de Faraday em eletrólise:
𝑚 =
𝑄𝑀
𝐹𝑧
m= massa do analito liberado pelo eletrodo em gramas
Q= carga total passada através do analito em coulomb
F= constante de Faraday (96.484,6 C mol-1)
M= massa molar da substância (g mol-1)
z= valência do analito (número de elétrons transferidos por entidade de analito gerado)
De acordo com a Primeira lei de Faraday:
“A massa de uma substância formada ou transformada por eletrólise é
diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica que atravessa o
sistema de um eletrodo a outro”.
A carga elétrica pode ser calculada pelo produto da intensidade de
corrente elétrica (i) pelo tempo (t):
𝑚 =
𝑖𝑡𝑀
𝐹𝑧
Deslocando M da equação para o membro da esquerda da equação,
obtemos a relação m/M que seria exatamente a quantidade de mols (n)
gerada:
𝑛 =
𝑖𝑡
𝐹𝑧
A partir da derivação dessa equação de n e t em função do tempo e
isolando-se i em um dos lados da igualdade obtemos a equação da
corrente faradaica, proveniente da oxirredução do analito na superfície
do eletrodo dada por:
𝑖 = 𝑧𝐹
𝑑𝑛
𝑑𝑡
O processo matemático utilizado em conjunto com a química permite
analisar dados e adaptar o processo:
Tabela 1 – relação entre corrente aplicada e tempo total de eletrólise
Temos acima na tabela, uma utilização simplificada, baseada na fórmula,
onde nota-se que a variação da corrente elétrica é o limitante da reação.
Com o aumento do tempo da reação minimiza-se o consumo de corrente
no processo de fabricação do cloro. Uma corrente muito grande acelera
a reação porém gera um consumo enorme de energia, além da
possibilidade da ocorrência de reações indesejáveis. Apenas com o
aumento do tempo a reação torna-se mais demorada, mas com
utilização de menor corrente o que possibilita utilização de equipamento
mais simplificado e de menor custo.
REFERÊNCIAS
EHL, R. G.; IHDE, A. Faraday's Electrochemical Laws and the
Determination of Equivalent Weights. Journal of Chemical Education.
31 (5), 1954, pp. 226–232.
STRONG, F. C. (1961). Faraday's Laws in One Equation. Journal of
Chemical Education. 38 (2), 1998.
OLIVEIRA JR, R. P.; MARTINS, D. E. A.; OLIVEIRA, M. A. S. Produção
eletroquímica de cloro ativo, uma alternativa viável para processos
de desinfecção. Anais do 12° Encontro de Iniciação científica e Pós
graduação do ITA – XIIENCITA , 2006.
Elemento Mol Carga (C ) tempo (s) Tempo (h) Corrente (A)
NaCl 2 193000 60 0,5 3216,67
2 193000 120 1 1608,33
2 193000 7200 60 26,81
2 193000 14400 120 13,40
2 193000 28800 240 6,70
2 193000 57600 480 3,35
2 193000 115200 960 1,68