Eletrólise da água

Conforme mostrado no texto Equilíbrio iônico da água, suas moléculas sofrem autoionização e geram os íons hidrônio (H₃O⁺_(aq)) e hidroxila (OH^-_(aq) ):

H₂O_(l) + H₂O_(l) ↔ H₃O⁺_(aq) + OH^-_(aq)

A eletrólise da água ocorre quando esse íons descarregam-se nos eletrodos. No entanto, essa autoionização não produz uma quantidade de íons suficiente para conduzir corrente elétrica e permitir que eles descarreguem-se continuamente.

Assim, para conseguir realizar a eletrólise da água, é preciso adicionar algum eletrólito que seja solúvel nela e que gere íons mais reativos que os íons hidrônio (H₃O⁺_(aq)) e hidroxila (OH^-_(aq) ). Isso porque quanto mais reativo (eletropositivo) for um metal, maior será a sua tendência de doar elétrons e menor será a sua tendência de receber elétrons. Assim, o cátion do metal menos reativo descarrega-se primeiro.

Em relação aos ânions, quanto mais eletronegativo é o elemento que os forma, maior é a sua tendência de atrair os elétrons e menor a sua tendência de doá-los. Por isso, o ânion do ametal menos eletronegativo descarrega-se primeiro.

Alguns exemplos de eletrólitos que podem ser usados são o ácido sulfúrico (H₂SO₄), o hidróxido de sódio (NaOH) e o nitrato de potássio (KNO₃).

Sabemos que essas substâncias permitem a descarga dos íons da água porque no texto Eletrólise em meio aquoso foram fornecidas duas tabelas que mostram a ordem descrescente de facilidade de descarga dos cátions e dos ânions.

Segundo a primeira tabela, quando comparamos o cátion hidrônio (H₃O⁺_(aq)) com os cátions Na⁺ e K⁺ fornecidos, respectivamente, pelo hidróxido de sódio (NaOH) e pelo nitrato de potássio (KNO₃), percebemos que esses cátions são mais reativos que o hidrônio e possibilitam, assim, que ele se descarregue primeiro no eletrodo.

Quando analisamos os ânions, vemos que os ânions SO₄^2- (fornecidos pelo ácido sulfúrico) e os NO₃^- (fornecidos pelo nitrato de potássio) são mais reativos que a hidroxila da água, o que faz com que ela se descarregue primeiro.

Vejamos um exemplo de eletrólise em que o sal nitrato de potássio é dissolvido na água e gera os íons:

Dissociação do sal: 1 KNO₃ → 1 K⁺ + 1 NO₃^-

Autoionização da água: 8 H₂O → 4 H₃O⁺ + 4 OH^-

Conforme dito, o K⁺ é mais reativo que o H₃O⁺. Este possui maior facilidade de descarga, enquanto aquele é mais reativo que o OH^-, que, por sua vez, possui maior facilidade de descarga.

Assim, o H₃O⁺ da água sofre redução no eletrodo negativo (cátodo) e produz gás hidrogênio, H₂. Já o ânion OH^- da água sofre oxidação no eletrodo positivo (ânodo) e produz gás oxigênio, O₂:

Semirreação do cátodo: 4 H₃O⁺ + 4 e^- → H₂O + H₂
Semirreação do ânodo: 4 OH^- → 2 H₂O + 1 O₂ + 4 e^-

Somando-se todo esse processo, chegamos à equação global:

Dissociação do sal: 1 KNO₃ → 1 K⁺ + 1 NO₃^-
Ionização da água: 8 H₂O → 4 H₃O⁺ + 4 OH^-
Semirreação do cátodo: 4 H₃O⁺ + 4 e^- → 4 H₂O + 2 H₂
Semirreação do ânodo: 4 OH^- → 2 H₂O + 1 O₂ + 4 e^-
Equação global: 2 H₂O → 2 H₂ + 1 O₂

Não escrevemos o sal na equação global porque ele não participou da reação, seus íons continuaram livres na água na mesma concentração inicial. Ele atuou apenas com o objetivo de ajudar na condução de corrente elétrica e efetivar a eletrólise da água.