Módulo 2 - Aula 24 - Equilíbrio Químico

Módulo 2 - Aula 33 - Eletroquímica/ Pilhas

Processos eletroquímicos

A eletroquímica é a parte da Química que estuda as relações entre a corrente elétrica e as reações químicas. Existem dois processos eletroquímicos.
1. Pilha: Dispositivo em que ocorre uma reação de oxirredução que produz corrente elétrica.
2. Eletrólise: Reação de oxirredução que, para ocorrer, consome corrente elétrica.
Todos os processos eletroquímicos envolvem transferência de elétrons, ou seja, oxidações e reduções.

Relembre alguns conceitos:

Oxidação: Perda de e– aumento do NOx a espécie química que se oxida é denominada agente redutor, ou simplesmente redutor.
Redução: Ganho de e– diminuição do NOx a espécie química que se reduz é denominada agente oxidante, ou simplesmente oxidante.

SÉRIE DE REATIVIDADE QUÍMICA


Por meio de experiências, verifica-se que determinadas substâncias têm maior potencial para se oxidarem ou reduzirem em relação a outras. Assim, pode-se dispor essas substâncias em uma sequência que indique a preferência em ceder ou receber elétrons. Essa sequência é denominada série de reatividade química ou fila de reatividade química.

Processos eletroquímicos

A eletroquímica é a parte da Química que estuda as relações entre a corrente elétrica e as reações químicas. Existem dois processos eletroquímicos.
1. Pilha: Dispositivo em que ocorre uma reação de oxirredução que produz corrente elétrica.
2. Eletrólise: Reação de oxirredução que, para ocorrer, consome corrente elétrica.
Todos os processos eletroquímicos envolvem transferência de elétrons, ou seja, oxidações e reduções.

Relembre alguns conceitos:

Oxidação: Perda de e– aumento do NOx a espécie química que se oxida é denominada agente redutor, ou simplesmente redutor.
Redução: Ganho de e– diminuição do NOx a espécie química que se reduz é denominada agente oxidante, ou simplesmente oxidante.

SÉRIE DE REATIVIDADE QUÍMICA

Por meio de experiências, verifica-se que determinadas substâncias têm maior potencial para se oxidarem ou reduzirem em relação a outras. Assim, pode-se dispor essas substâncias em uma sequência que indique a preferência em ceder ou receber elétrons. Essa sequência é denominada série de reatividade química ou fila de reatividade química.




Com base na tendência dos elementos a reduzirem e a oxidarem, é possível prever se uma reação eletroquímica irá ocorrer ou não.

Exemplos:


A reação não ocorre, pois o iodo é menos reativo do que o cloro e tem tendência a ceder elétrons para o cloro, e não a receber elétrons do cloro.
Pode-se ainda fazer previsões para as experiências que se seguem.

Experiência 1

Mergulha-se uma lâmina de zinco em uma solução de sulfato de cobre. O que irá ocorrer?

Percebe-se, com o passar do tempo, uma alteração da coloração da lâmina de zinco. Ao retirá-la da solução, pode-se observar que a parte que estava submersa está recoberta por uma fina camada avermelhada, característica do cobre metálico (Cu0).

POTENCIAL DE ELETRODO (E)

Em vez de prever se uma reação ocorrerá ou não pela análise da fila de reatividade, podem ser realizadas previsões a partir de potenciais elétricos medidos em volts (V).

A. Em eletroquímica, são encontrados 2 tipos de potenciais:
• Potencial de oxidação (Eoxi): Potencial relativo à tendência de ceder elétrons (oxidar).
• Potencial de redução (Ered): Potencial relativo à tendência de receber elétrons (reduzir).

B. O potencial de eletrodo é influenciado por dois fatores:

• Temperatura:

O aumento da temperatura favorece a perda de elétrons.
Maior temperatura Maior Eoxi

• Concentração dos íons em solução:

O aumento dessa concentração favorece o aumento do potencial.
Maior concentração de cátions Menor Eox
Maior concentração de ânions Maior Eoxi

Os problemas relativos ao aumento de temperatura e concentração de íons são minimizados, fixando o valor de temperatura em 25ºC e a concentração da solução em 1 mol.L–1. O potencial medido nessas condições e a 1atm de pressão é denominado potencial padrão de eletrodo (Eº).

O valor numérico correspondente ao potencial de um determinado eletrodo é medido a partir do potencial de referência, ao qual foi atribuído, por convenção, o valor de 0,00V (zero volt). Adotou-se, como eletrodo de referência, o eletrodo de hidrogênio gasoso. Medindo-se o potencial padrão de vários eletrodos, em função do eletrodo de hidrogênio, montou-se a tabela de potenciais a seguir:

Experimentalmente, foi medido o potencial padrão de cada eletrodo, acoplando-os ao eletrodo padrão de hidrogênio e medindo-se a diferença de potencial por meio de um voltímetro ou um galvanômetro. Observe o exemplo do zinco:
O sentido do fluxo de elétrons mostra que o eletrodo de hidrogênio possui maior capacidade de sofrer redução do que o de zinco. Logo,

red(hidrogênio) > Eºred(zinco)
e o voltímetro registra uma diferença de potencial (d.d.p.) igual a 0,76 V. Como a d.d.p. é sempre dada por 
∆Eº = Eºred(maior) – Eºred(menor)

2. No esquema da determinação dos potenciais, o eletrodo de hidrogênio, que é gasoso, consiste, na prática, em uma placa de platina porosa, que tem a propriedade de adsorver o gás hidrogênio em seus poros, formando-se uma camada de hidrogênio sobre a placa. A platina não participa da reação, pois é inerte.
3. O processo de redução é inverso ao processo de oxidação



PREVISÃO DA ESPONTANEIDADE DAS REAÇÕES A PARTIR DOS POTENCIAIS DE ELETRODO

Serão utilizados, para tais previsões, os potenciais de redução.
● O elemento de maior Eºred reduz
● O elemento de menor Eºred oxida


Exemplo 1: Reação entre alumínio e ferro.

Observe que, somando-se as duas semirreações, é obtida a reação global e, somando-se os dois potenciais, é obtida a d.d.p. da reação. Ainda se deve verificar que, ao se multiplicar as reações, os potenciais não variam com as quantidades.
• Quando uma reação possui ∆Eº > 0, a reação é espontânea e produz energia elétrica (pilha). • Quando uma reação possui ∆Eº < 0, a reação é não espontânea e, para ocorrer, consome energia elétrica (eletrólise). A d.d.p. de uma reação pode ser calculada a partir dos potenciais de redução.
∆Eº = Eº(oxidante) – Eº(redutor) ou
∆Eº = Eºred(maior) – Eºred(menor)
OBSERVAÇÕES

1. Não há necessidade de multiplicar-se as semirreações, já que o número de elétrons cedidos é igual ao número de elétrons recebidos.
2. A equação global inversa é não espontânea e só ocorre com o consumo de energia elétrica.
CuO(s) + Zn2+(aq) → Cu2+(aq) + ZnO(s) ∆E = –1,10 V

PILHAS

No mundo moderno, as aplicações da energia elétrica são as mais variadas possíveis. Como obter energia elétrica sem ser por meio de usinas hidrelétricas, termelétricas ou nucleares? A resposta é simples. Por meio de reações de oxirredução que, a partir da transferência de elétrons, produzem corrente elétrica.
Os dispositivos que convertem energia química em energia elétrica, a partir de reações espontâneas de oxirredução, são denominadas pilhas.
O nome pilha foi originado a partir da construção do primeiro dispositivo. Alessandro Volta construiu tal dispositivo empilhando placas de cobre e zinco separadas por pedaços de tecido embebidos com solução de ácido sulfúrico. A esse “empilhamento”, que gerava corrente elétrica, foi dado o nome de pilha.

PILHA DE DANIELL
A partir do experimento de Volta, J. F. Daniell idealizou um sistema formado por dois eletrodos, um de cobre e outro de zinco, ligados por um fio condutor e mergulhados em soluções aquosas (1mol.L–1) que contêm os seus respectivos íons. As soluções mais utilizadas são CuSO4 e ZnSO4. Veja o esquema que representa a pilha de Daniell:

Os eletrodos de uma pilha são chamados de polos e recebem os nomes de cátodo (eletrodo em que ocorre o processo de redução) e ânodo (eletrodo em que ocorre o processo de oxidação).
Em uma pilha, tem-se:
Cátodo Polo positivo (+) ocorre redução
Ânodo Polo negativo (–) ocorre oxidação
As duas soluções são separadas por uma ponte salina, e ao fio externo é ligado um galvanômetro, capaz de registrar a d.d.p. e a intensidade de corrente do sistema.
A ponte salina é um tubo de vidro em formato de “U” que contém uma gelatina saturada com um sal, KCl, por exemplo. As extremidades do tubo são fechadas por um material poroso, como algodão. Pela ponte salina tem-se, ao mesmo tempo, a migração dos cátions e dos ânions em excesso, além dos íons do sal K+ e Cl–. A pilha terá, assim, seu funcionamento prolongado. A ponte salina pode ser substituída por uma placa de porcelana porosa que permite o trânsito de íons.
Após algum tempo, verificam-se algumas alterações no sistema:
1. O eletrodo de cobre começa a aumentar sua massa.
2. O eletrodo de zinco começa a ser corroído.
3. O galvanômetro registra uma d.d.p. de 1,1V.
4. A solução de cobre começa a diminuir a sua concentração em Cu2+.
5. A solução de zinco começa a aumentar a sua concentração em Zn2+. Essas alterações estão associadas à reação existente entre o cobre e o zinco: CuSO4(aq) + ZnO(s) 2e à CuO (s) + ZnSO4(aq)
Essa reação pode ser explicada pelo potencial padrão de redução dos dois elementos:
Cu2+ (aq) + 2e→ CuO(s)  EO red = +0,34 V
Zn2+ (aq) + 2e→ znO(s)  EO red = - 0,76 V
O cobre tem o maior potencial de redução, logo sofrerá redução, ganhando elétrons do zinco. O zinco tem o menor potencial de redução e sofre oxidação, perdendo elétrons para o cobre.
Para se obterem as equações iônicas que ocorrem na pilha, é necessário sempre manter a semirreação do elemento de maior Eºred, inverter a semirreação do elemento de menor Eºred e depois somá-las.
Nessa pilha, há a transferência de 2ede cada átomo de zinco para cada íon Cu2+.

OBSERVAÇÕES

1. Quando se inverte uma equação, troca-se o sinal do potencial do eletrodo.
2. A soma dos potenciais após a inversão do menor Eºred corresponde à d.d.p. ou ao ∆Eº da pilha. Ainda pode ser calculado o ∆Eº pela expressão ∆Eº = Eºred(maior) – Eºred(menor)
Com base na equação global, serão explicadas as alterações verificadas na pilha em funcionamento.
1. O eletrodo de cobre começa a aumentar de volume, pois o Cu2+ que está em solução recebe 2eperdidos pelo zinco e se transforma em CuO, que fica aderido ao eletrodo. A partir do que foi dito, observa-se que a quantidade de Cu2+ em solução irá diminuir, tornando-a diluída.
2. O eletrodo de zinco sofre corrosão, ou seja, há diminuição de seu volume, porque o ZnO perde 2ee se transforma em Zn2+, caindo em solução e deixando o espaço que ocupava no eletrodo vazio. Assim, a quantidade de Zn2+ em solução irá aumentar, fazendo com que essa solução se torne mais concentrada.
Esse sistema não poderia gerar corrente elétrica se o circuito não estivesse fechado. Isso ocorre porque, no circuito externo (fio condutor), há o fluxo de elétrons do eletrodo de zinco para o eletrodo de cobre e, no circuito interno (soluções eletrolíticas separadas pela placa de porcelana porosa ou ponte salina), há o fluxo iônico pelos poros da porcelana porosa ou pela ponte salina: cátions em direção ao cátodo e ânions em direção ao ânodo.
As soluções de ambos os eletrodos começam a ter excesso de íons positivos Zn2+ no ânodo e de íons negativos SO4 2– no cátodo, pois os íons Cu2+ estão se descarregando. O sistema só estará fechado se houver eletroneutralidade das soluções; logo, os íons Zn2+ transitam para o cátodo (anulando a falta de cátions), e os íons SO4 2– transitam para o ânodo.
Veja o esquema da pilha em funcionamento:



Semicela A ânodo eletrodo de ZnO e solução de Zn2+.
Semicela B cátodo eletrodo de CuO e solução de Cu2+.
Normalmente, a notação química da pilha é feita pela representação:
redutor / cátion do redutor e sua concentração //cátion do oxidante e sua concentração / oxidante (temperatura)
Para a pilha de Daniell, tem-se: ZnO / Zn2+ (1mol.L–1) // Cu2+ (1 mol.L–1) / CuO (25ºC)

OUTRAS PILHAS COM ELETRODOS METAL / ÍON EM SOLUÇÃO

Pode-se montar outras pilhas com eletrodos metálicos que não sejam CuO e ZnO. A montagem e os processos que ocorrem nesses sistemas são idênticos aos mostrados na pilha de Daniell. Por exemplo: pilha entre cobre e alumínio.

Determinação do cátodo e do ânodo:
Al3+ (aq) + 3e → AlO(s) Eº = –1,67V
menor Eºred ânodo inverte a equação
Cu2+ (aq) + 2e → CuO(s) Eº = +0,34 V
maior Eºred cátodo mantém a equação

Reação anódica:
2AlO(s) → 2Al3+ (aq) + 6e Eº = +1,67 V
Reação catódica: 3Cu2+ (aq) + 6e → 3CuO(s) Eº = +0,34 V
Reação global: 2AlO(s) + 3Cu2+ (aq) → 2Al3+ (aq) + 3CuO(s) ∆Eº = +2,01 V

OBSERVAÇÕES

1. Multiplica-se a equação anódica por 2 e a equação catódica por 3, para que o número de elétrons perdidos seja igual ao número de elétrons recebidos no processo. Apesar disso, o Eº permanece constante, pois não depende do número total de elétrons, mas sim do número de elétrons para um único íon, o que não foi alterado.
2. Essa pilha possui maior rendimento do que a pilha de Daniell, 2,01V
CARGA E DESCARGA EM UMA PILHA

Com o passar do tempo, há um desgaste do ânodo da pilha, o que significa que ela está se descarregando.
Quando as reações da pilha são reversíveis, pode-se recarregá-la. Isso é feito ligando-se um gerador ao circuito externo, com d.d.p. superior à da pilha.
O gerador “força” os elétrons a retornarem ao ânodo, logo o processo é não espontâneo (∆Eº < 0). Para a pilha de Daniell, tem-se:
A.    Descarga:
Cu2+ (aq) + ZnO(s) → CuO(s) + Zn2+ (aq) ∆Eº = +1,10 V espontâneo
B.     Carga:
CuO(s) + Zn2+ (aq) → Cu2+ (aq) + ZnO(s) ∆Eº = –1,10 V não espontâneo
À medida que a pilha é carregada, a lâmina de zinco recompõe-se, enquanto a de cobre diminui, até voltarem ao normal.

PILHA SECA

Pilha seca é uma pilha cujas reações são irreversíveis, ou seja, não pode ser recarregada. Quando ocorre uma transformação total dos reagentes, a pilha para de funcionar. A sua constituição é mostrada no esquema a seguir:

O sistema é formado por uma série de reações muito complexas, porém as mais importantes e que mais contribuem para d.d.p. são:
Na verdade, essas pilhas não são totalmente secas, pois, em seu interior, sempre se obtém a pasta NH3 e H2O. Só será obtido um rendimento máximo intercalando-se intervalos de uso e “repouso”, o que favorece a dissolução de NH3(g) em água, diminuindo a resistência interna da pilha. Não agindo dessa forma, pode-se verificar, em alguns casos, vazamentos na pilha. Para evitá-los, deve-se retirá-la no período de “repouso”.

PILHAS ALCALINAS
São pilhas semelhantes às secas, alterando somente a substância que está impregnada na pasta externa, que, no caso da pilha alcalina, é o KOH e não NH4Cl.
As pilhas alcalinas apresentam rendimento muito superior ao das pilhas secas comuns.
A pilha alcalina mais comum é a de níquel-cádmio. Essas pilhas podem ser recarregadas até 4000 vezes.
A reação que ocorre é:

BATERIA DE AUTOMÓVEL OU ACUMULADOR DE CHUMBO

A bateria de automóvel é uma associação de pilhas em série. Normalmente, são associadas 6 pilhas de 2 V, logo a bateria fornecerá 12 V
As reações que ocorrem durante o processo são:


OBSERVAÇÕES

1. Pb, PbO2 e PbSO4 são sólidos e o ∆Eº do acumulador depende da concentração de H2SO4. Assim, é sempre bom manter constante o volume de água.
2. O ácido sulfúrico não deve ser substituído por outro ácido, senão o sal formado seria solúvel, além do fato de que outro ácido poderia corroer as placas.

3. O ácido sulfúrico vai sendo consumido e é por isso que, na prática, testa-se a carga da bateria medindo-se a densidade do ácido. Essas reações são reversíveis. Em um automóvel, o alternador ou dínamo é o responsável pela recarga contínua da bateria, o que prolonga muito a sua vida útil.

MAPA MENTAL


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