Eletrólise da água

A eletrólise da água faz passar uma corrente elétrica pela água para a separar em hidrogénio e oxigénio, que sobem em bolhas nos dois elétrodos, com o dobro de hidrogénio em relação ao oxigénio. Dois químicos neerlandeses descreveram em 1789 a decomposição da água com descargas elétricas; a pilha de Volta tornou-a um processo contínuo em 1800, e hoje é uma das formas de produzir hidrogénio.

O que é

A eletrólise da água é a separação da água nos seus dois elementos por meio de uma corrente elétrica. Dois elétrodos mergulham na água e ligam-se a uma fonte de corrente contínua. No elétrodo negativo formam-se bolhas de hidrogénio e no positivo bolhas de oxigénio; o volume de hidrogénio é cerca do dobro do de oxigénio, a proporção em que os dois gases se combinam para formar água.

O processo converte energia elétrica em energia química guardada nos gases. Queimar o hidrogénio, ou recombiná-lo com oxigénio numa pilha de combustível, devolve parte dessa energia. A indústria produz hidrogénio e oxigénio em eletrolisadores, conjuntos de células empilhadas em que um separador mantém os dois gases afastados.

Como funciona

A água pura conduz muito mal a eletricidade, por isso torna-se condutora dissolvendo nela um pouco de ácido, de base ou de sal. No líquido, a corrente é transportada por iões, partículas com carga que se deslocam para o elétrodo de sinal contrário.

No elétrodo negativo, o cátodo, os eletrões vindos do circuito transformam os iões de hidrogénio ou a água em hidrogénio gasoso. No elétrodo positivo, o ânodo, liberta-se oxigénio e os eletrões regressam ao circuito. Os dois gases só aparecem na superfície dos elétrodos, nunca no líquido entre eles.

Numa célula alcalina, um separador poroso deixa passar a corrente pelo líquido mas mantém o hidrogénio e o oxigénio separados.

O material dos elétrodos tem importância. A platina e o ouro não são atacados e libertam os dois gases. A grafite, a mina de um lápis, também liberta um gás em cada elétrodo, embora se vá gastando. No tubo de água de Nicholson e Carlisle, um fio de latão escurecia onde a platina libertava gás. As células alcalinas industriais têm usado elétrodos de ferro, aço e níquel; o níquel é dos metais que melhor resistem à solução alcalina. Um cloreto dissolvido, como o sal de cozinha, liberta no elétrodo positivo cloro, um gás tóxico, em vez de oxigénio.

Os eletrolisadores industriais são de três tipos principais. As células alcalinas usam uma solução de hidróxido de potássio ou de sódio com um separador poroso. As de membrana de troca de protões usam um plástico sólido e fino que só deixa passar os iões de hidrogénio. As de óxido sólido usam uma cerâmica que conduz os iões de oxigénio e funcionam a temperaturas muito altas, em que o calor de outra fonte pode substituir parte da eletricidade.

Como fazer

Duas minas de lápis e uma pilha de 9 volts bastam para separar a água; as bolhas são mais abundantes na mina negativa.

São precisos dois lápis de madeira, um afia-lápis, um cartão rígido, dois cabos com pinças crocodilo, uma pilha de 9 volts, um copo de água e um pouco de sal de Epsom (sulfato de magnésio). Use sal de Epsom e não sal de cozinha, que libertaria cloro.

Afie os dois lápis nas duas pontas até a mina ficar à vista. Dissolva o sal de Epsom na água. Espete os lápis no cartão e pouse o cartão sobre o copo, de modo que as pontas de baixo fiquem na água sem se tocarem. Ligue cada polo da pilha à ponta de cima de um lápis com um cabo.

Sobem bolhas finas das duas minas, mais numerosas no lápis ligado ao polo negativo: é o hidrogénio. Troque as duas pinças na pilha e o fluxo mais denso passa para o outro lápis. Observe durante alguns minutos e depois desligue a pilha. As pontas dos lápis vão-se gastando durante a experiência.

Segurança. Misturado com ar, o hidrogénio explode se for inflamado e arde com uma chama quase invisível. Mantenha chamas e faíscas longe do copo e deixe as bolhas escapar: nunca recolha o gás num tubo nem num recipiente fechado.

História e evolução

A decomposição da água de 1789 usou as faíscas de uma máquina de fricção que carregava garrafas de Leiden.

Em 1789, dois químicos neerlandeses, o comerciante de Amesterdão Adriaan Paets van Troostwijk e o médico Jan Rudolph Deiman, relataram no Journal de physique que tinham transformado a água em «ar inflamável» e «ar vital», ou seja, hidrogénio e oxigénio, por meio de descargas elétricas. Faziam passar pela água as descargas de uma grande máquina de fricção, acumuladas em garrafas de Leiden. O construtor de instrumentos John Cuthbertson fez o seu aparelho. As quantidades de gás eram mínimas, e o historiador E. L. Scott observa que não conseguiram demonstrar de forma concludente que gases tinham obtido. Com Cuthbertson, o médico inglês George Pearson repetiu os ensaios na década de 1790 e deu uma prova mais convincente. Em Haarlem, Martinus van Marum concebeu em 1791 um aparelho para mostrar no Teylers Museum o processo inverso: o hidrogénio e o oxigénio, acesos por faíscas elétricas num balão de vidro, formavam água, e os gases combinavam-se na proporção de dois volumes para um.

A pilha mudou a escala da experiência. Alessandro Volta descreveu a sua pilha em 1800 e, poucas semanas depois, William Nicholson e Anthony Carlisle ligaram uma pilha de 36 pares de meias-coroas e discos de zinco, separados por cartão, a dois fios de latão mergulhados num tubo com água. De um fio saía hidrogénio enquanto o outro escurecia. Com fios de platina obtiveram os dois gases.

Em 1902 já funcionavam mais de 400 eletrolisadores industriais de água. Alguns produziam hidrogénio por eletrólise de uma solução de soda cáustica entre elétrodos de ferro. A célula alcalina continua a ser o eletrolisador clássico. As células de membrana e as cerâmicas de alta temperatura vieram depois, e hoje os eletrolisadores vão de aparelhos do tamanho de um eletrodoméstico a instalações ligadas diretamente a uma central elétrica.