Eletrodeposição

12-02-2011 17:30

Eletrodeposição

 

Júlio Cesar de Carvalho*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação

Objetivos

1) Entender, ao montar um sistema de eletrólise, onde e como ocorre oxidação e redução.

2) Compreender como a eletrólise depende da natureza dos íons em solução.

3) Entender como se pode cobrir um metal com uma camada de outro metal.

4) Observar, numa eletrólise, o que ocorre quando um eletrodo não é inerte. 

Ponto de partida

Os alunos devem possuir uma noção de eletroquímica - o que é eletrólito, corrente elétrica em soluções aquosas, íons, oxidação e redução.

Esta aula pode servir como uma introdução ao detalhamento da eletrólise (para depois trabalhar a teoria sobre potenciais de redox, por exemplo) ou como aula de fixação da teoria. Se for usada como introdução, o professor deve dar dicas (lembrar, por exemplo, o que é oxidação e redução; explicar que o terminal negativo de uma bateria ou fonte de alimentação é de onde "saem" os elétrons; etc.). Mas se for usada como fixação, o professor deve dar menos dicas, incentivando os alunos a apresentarem dúvidas e tornando a aula um excelente momento para identificar lacunas na aprendizagem.

Para esta aula são necessários alguns materiais baratos. É interessante que os alunos trabalhem em duplas:

1. Uma fonte de corrente contínua de pelo menos 3V - podem ser duas pilhas de 1,5V em série, ou uma pilha de 9 ou 12 V, ou ainda uma fonte de tensão (de um aparelho eletrônico ou carregador). Pilhas grandes funcionam melhor que as pequenas.

2. Um frasco de boca larga, de plástico ou vidro. Não devem ser usados frascos de cozinha, como copo ou xícara.


3. Fio elétrico, encapado ou envernizado, de preferência de cobre. Caso não tenham em casa, os alunos podem facilmente conseguir uma doação de uma assistência técnica de eletroeletrônicos.

4. Um alicate pequeno, para desencapar fios.

A escola deve providenciar:

1. Sulfato de cobre (ou outro sal solúvel e barato de um metal nobre).

2. Lâminas de cobre finas, ou fio de cobre.

3. Cloreto de sódio (cerca de 100 mL de solução 1M, por aluno).

4. Hidróxido de sódio (cerca de 500 mL de solução 1M dá para dezenas de alunos). 

Estratégias

1) Avise aos alunos previamente que deverão montar uma cuba eletrolítica, em aula. O material mínimo necessário está listado acima. Materiais extras úteis são: fita isolante, pinça, alguns clipes ou prendedores (pequenos).

2) Peça aos alunos que montem a cuba eletrolítica. Antes de usar o sistema, o aluno deve determinar onde deve sair hidrogênio e onde sai oxigênio. Em seguida, colocar água e observar.

3) Deve haver pequena formação de bolhas; pergunte aos alunos como poderiam aumentar a produção de bolhas. Respostas como "aumentando a pilha (isto é, a corrente)" ou "adicionando um eletrólito" são excelentes; "aumentar a tensão" parece fazer sentido mas não acelera significativamente o processo.

4) Peça aos alunos que adicionem, usando um conta-gotas (não pipetar) algumas gotas de NaOH 1M. Observem o que ocorre e sugiram explicações. Todas as cubas devem funcionar melhor devido ao aumento da quantidade de íons livres.

5) A distância entre os eletrodos altera o funcionamento da cuba? Sim, porque a resistência é proporcional à distância. Peça aos alunos que alterem a distância entre os eletrodos e observem. Note que, caso os eletrodos encostem, a eletrólise para (a corrente passa pelo curto-circuito).

6) Peça aos alunos para explicarem por qual motivo não se forma Na+ no cátodo. É possível também que se observe a corrosão do ânodo (se for feito de um metal ferroso ou coberto com zinco). Alguns potenciais úteis para essa discussão são:

Reação
Potencial de 
oxidação (E0, V)
Na(s) => Na+ + e- + 2,71
Zn(s) => Zn2+ + 2e- + 0,76
Fe(s) => Fe2+ + 2e- + 0,44
H2(g) => 2H+ + 2e- 0,00
Cu0 => Cu2+ + 2e- - 0,34
2 H2O => O2(g) + 4H+ + 4e- - 1,23
2 SO42- => S2O82- + 2e- - 2,07

7) Peça aos alunos para descartar a solução de NaOH, lavar os eletrodos e colocar cerca de 100mL de solução de sulfato de cobre nas cubas. Em seguida, ligar a bateria e observar. Que substâncias são produzidas nessas condições? Note que ocorre deposição de cobre no cátodo.

8) Se, no cátodo, for colocada uma peça de metal - um clipe, um pedaço de alumínio, uma chave -, essa será recoberta por cobre. Esse é o princípio básico da eletrodeposição - o objeto a ser recoberto por metal é colocado no cátodo.

9) Três questões de cunho prático podem ser discutidas com os alunos, para ajudar a fixar a idéia de eletrólise: 
a) Como garantir que a deposição sobre o objeto seja uniforme? A condução de corrente é importante, e por isso a preparação da superfície (decapagem, desengorduramento) é essencial. 
b) Ninguém quer gastar mais metal que o necessário para cobrir uma peça, especialmente se o metal for nobre. Como se pode calcular a quantidade de metal depositado? (Entra aí a Lei de Faraday). 
c) Como garantir que o metal da solução não acabe? Para isso, utiliza-se um ânodo de cobre, que é corroído ao longo do processo.

10) Se a escola dispuser de uma fonte que possa ficar ligada durante as discussões, será fácil observar a deposição e a corrosão em eletrodos diferentes 

Sugestões e dicas

1. Toxicidade: as soluções utilizadas são pouco tóxicas, mas ainda assim deve se ter cuidado. Contato da pele com sulfato de cobre nessas concentrações não causa problemas, mas o NaOH dissolve a gordura e irrita a pele. Qualquer respingo deve ser lavado imediatamente com água corrente.

2. Segurança: montagens com pilhas são seguras, mas qualquer aparelhagem ligada à tomada deve ser usada com cuidado.

3. Em Física, utiliza-se um sentido "real" e um sentido "convencional" para a corrente elétrica. Neste experimento, interessa o sentido real.

4. Na indústria, a eletrodeposição exige alguns detalhes como complexantes, concentrações cuidadosas e preparo da superfície. Nesta prática, é possível que o depósito de cobre tenha um aspecto poroso e possa ser removido facilmente. (isto é, uma deposição de baixa qualidade). Ainda assim, a idéia básica do processo é correta.

 

*Júlio C. de Carvalho é engenheiro químico e professor do curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia da UFPR.