Eletroquímica

Eletroquímica

AUTOR: Nailton Martins Rodrigues (Aluno de Graduação em Química Licenciatura da Universidade federal de Sergipe)

     Você usa pilhas elétricas em sua lanterna, em seu radio portátil, em sua calculadora etc.; um automóvel usa a bateria para o motor de arranque, os faróis, os limpadores de pára-brisas. Em todos esses casos existem reações químicas que estão produzindo corrente elétrica.

     Mas se desejamos purificar o cobre ou fazer a cromação de um objeto, devemos utilizar corrente elétrica para que a reação aconteça, esse processo é chamado de eletrolise.

Todos esses fenômenos são objeto de estudo da Eletroquímica. Portanto:

     Eletroquímica: é a parte da química que estuda a relação entre a corrente elétrica e as reações químicas. Os principais fenômenos estudados são a produção de corrente elétrica através de uma reação química (pilha) e a ocorrência de uma reação química pela passagem da corrente elétrica (eletrólise).

CORRENTE ALTERNADA X CORRENTE CONTINUA

     Para iniciar nosso estudo, devemos entender o conceito de corrente continua e alternada.
Em nossa casa geralmente encontramos tomadas com a descrição 110V ou pilhas com 1,5V. É claro para nós que eles possuem diferentes valores de tensão, mas também a outras diferenças essenciais para nosso estudo.

Tensão: Força com que os elétrons são atraídos.

     A energia que chega em nossas casas são originadas em hidroelétricas, tais que usam a força da água em movimento para mover as hélices das turbinas. Turbinas são imensos motores elétricos que convertem energia mecânica em energia elétrica. A energia produzida em hidroelétricas é conhecida como alternada ou senoidal.
      Corrente alternada é aquela na qual os elétrons seguem dois sentidos, meio ciclo dito positivo e o outro negativo.

     

     O Brasil trabalha com freqüência de 60Hz ou seja são 60 ciclos por segundo, cada ciclo representa uma volta completa realizada pela turbina.
      As pilhas que usamos em controles remotos em casa ou em outros aparelhos eletrônicos, são fontes de corrente continua, mas o que é isso?
      Corrente continua é aquela na qual os elétrons seguem um só sentido (direção)

GERADOR X RECEPTOR

    

     Gerador é um sistema que consiste em transformar algum tipo de energia em energia elétrica.
Receptor faz o processo inverso. Ex: Lâmpada. (transforma energia elétrica em luz visível e calor).
      Observe a polaridade do gerador (bateria) e a do receptor (lâmpada).
      O pólo negativo e positivo do receptor são uma ex-tensão dos pólos negativo e positivo do gerador. 

REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO

     Se colocarmos uma chapa de zinco em uma solução aquosa de sulfato de cobre, durante 15 a 20 minutos. Observaremos que e a solução ficara gradativamente incolor durante a experiência e que ao retirar a chapa de zinco, a parte que ficou mergulhada na solução esta recoberta por material escuro (cobre metálico).

     O que aconteceu na experiência? A lamina de zinco doou dois elétrons para os íons cobre II, formando íons zinco II e cobre metálico que se depositou na placa, observa-se que a solução inicialmente azul ficou incolor, isso é explicado devido a diminuição da concentração de íons cobre II (cor característica azul) e aumento da concentração de íons zinco II (incolor). 

OXIDAÇÃO: UMA PERDA DE ELÉTRONS

      Analisando somente o que aconteceu nos átomos da lamina de zinco, nota-se que ocorreu a perda de elétrons, ouve uma oxidação. Zinco metálico oxida-se a íons zinco II (aumento do Numero de Oxidação (NOX)). 

REDUÇÃO: UM GANHO DE ELÉTRONS

    Analisando somente o que aconteceu aos átomos de cobre, nota-se que ocorreu um ganho de elétrons, ocorreu uma redução. Íons cobre II se reduz a cobre metálico (diminuição do NOX).

OXIDAÇÃO x REDUÇÃO
      Perda ou ganho de elétrons não ocorrem isoladamente, só haverá oxidação (perda de elétrons) se houver redução (ganho de elétrons).
      Reação de oxirredução: Processo em que há transferência de elétrons.

OXIDANTES E REDUTORES
     Vimos que Zn 0 sofre oxidação, formando Zn 2+ :

     Vimos também que Cu 2+ reduz, formando Cu 0 :

Resumindo:

PILHA: DE ONDE VEM ESSE NOME?

     O cientista italiano Alessandro Volta não poderia prever a enorme agitação que iria provocar no mundo cientifico quando, em 1800, empilhou alternadamente discos de zinco e de cobre, separando-os por pedaços de tecidos embebidos em solução de ácido sulfúrico. A pilha de volta, como ficou conhecida o aparelho, produzia energia elétrica sempre que um fio condutor era ligado aos discos de zinco e de cobre, colocados nas extremidades da pilha.
     Dessa data em diante, todos os aparelhos que produziam eletricidade a partir de processos químicos passaram a ser chamados de celas voltaicas ou, simplesmente, pilhas.
     Em 1836, o químico inglês John Frederic Daniell (1790-1845) modificou a pilha de Volta. Modelo abaixo. 

COMPONENTES DA PILHA

     A pilha de Daniell é constituída de uma placa de Zinco (Zn) em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4), (formando o eletrodo de zinco) e uma placa de Cobre (Cu) em uma solução de sulfato de cobre (CuSO4) (formado o eletrodo de cobre).
      O eletrodo é o conjunto formado por um metal e uma solução iônica na qual o metal está mergulhado.
      Para que haja transferência de elétrons entre os eletrodos, intercalam-se entre ambos um condutor elétrico e uma ponte salina.
      A ponte salina é um tubo curvado, que fica em contato com as soluções dos eletrodos. No interior encontra-se uma solução salina ou sal gelatinoso. 

FUNCIONAMENTO DA PILHA

     Os elétrons circulam do eletrodo de menor potencial de redução para o de maior potencial de redução. No caso os elétrons vão do zinco para o cobre. Conforme modelo abaixo.

Os Pólos da pilha:

Ânodo – Pólo negativo – menor potencial de redução – Zn. Onde ocorre oxidação
Cátodo – Pólo positivo – maior potencial de redução – Cu. Onde ocorre redução

OBS: A placa de Zinco vai sofrendo corrosão e desaparecendo, já a placa de cobre vai tendo a sua massa aumentada.

REAÇÃO GLOBAL DA PILHA.

     Se somarmos algebricamente as semi-reações dos eletrodos, teremos como resultado um processo espontâneo de oxirredução, chamado simplesmente de reação da pilha.

A REPRESENTAÇÃO DE UMA PILHA

     De acordo com a IUPAC, as pilhas são representadas indicando para o leitor a semi-reação que deve ocorrer em cada eletrodo.
      A pilha de Daniell (Zn-Cu) por exemplo, pode ser representada da seguinte maneira:

 

     Perceba que esses códigos nos fornece uma grande quantidade de informações sobre o funcionamento da pilha zinco-cobre:

A FUNÇÃO DA PONTE SALINA

     A ponte salina tem a função de impedir o acúmulo do excesso de cargas positivas no eletrodo de zinco. Zn2+(aq), e o acumulo de carga negativa, SO2-4(aq), no eletrodo de cobre. Então, ela permite a migração de íons e o restabelecimento do equilíbrio das cargas nas soluções dos eletrodos.

POTENCIAIS ELETROQUÍMICOS

     Todos sabemos que pilhas possuem uma diferença de potencial (ddp). Pilhas comuns de lanterna, quando novas, possuem ddp=1,5 volts, enquanto uma bateria de carro (12 volts) é um conjunto de 6 pilhas ligadas em série, cada uma com ddp=2 volts.
      Diferentes metais possuem diferentes propriedades. A capacidade de sofrer redução foi denominada potencial de redução do eletrodo.

FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIFERENÇA DE POTENCIAL

• Não há relação com a eletronegatividade;
• O potencial de um eletrodo é uma característica dos materiais que constituem o sistema.
• O valor do potencial, medido em volts (V), depende da temperatura, da presão e da concentração da solução.

      Foi estabelecido o símbolo E° para indicar o potencial medido a 25 °C, 1 atm e concentrações 1,0 mol/L

ELETRODO PADRÃO DE HIDROGÊNIO

     O voltímetro é um aparelho usado apenas para medir uma diferença de potencial entre dois eletrodos e não o valor real do potencial de cada um dos eletrodos.
      Mas para estudar processos de oxirredução, os cientistas precisavam conhecer os valores dos potenciais dos eletrodos. Como resolver, então, essa dificuldade? Ou seja, como obter valores de uma grandeza que não pode ser medida com aparelhos usuais de laboratório?
     Baseando-se em um procedimento bastante comum em ciências exatas, a solução encontrada foi muito simples: Estabeleceu-se um estado de referência.
     O eletrodo de Hidrogênio foi tomado como referência e recebeu, por convenção, potencial padrão igual a zero. Qualquer eletrodo terá um potencial medido em função do eletrodo de hidrogênio. Isso é feito construindo-se uma pilha padrão com o eletrodo de hidrogênio e o eletrodo de potencial desconhecido.Analise o exemplo.

Teremos:

Abaixo temos uma tabela com alguns potenciais de redução: 

CÁLCULO DA DIFERENÇA DE POTENCIAL (ΔE°)

     A diferença de potencial de uma pilha no estado padrão (25°C, 1atm, 1mol/L), medida por um voltímetro, pode ser facilmente calculada pela expressão:

     Em termos práticos, isso quer dizer que o valor de ΔE° sempre pode ser calculado pela diferença algébrica entre o potencial maior e o menor.

     Numa pilha Zn-Cu, um voltímetro assinala ΔE° = 1,10 V. Isso significa que, apesar de não serem conhecidos os valores dos potenciais dos eletrodos, a diferença entre eles vale 1,10V.

Prevendo a Espontaneidade das Reações De Oxirredução.

     A mais importante aplicação do conceito de potencial (E°) esta na previsão de reações de oxirredução. Conhecendo as semi-reações com os valores de E°, podemos prever a reação espontânea da seguinte maneira:
1° Passo: escrever a semi-reação com E° maior;
2° Passo: invertemos a semi-reação com E° menor;
3° Passo: se necessário, igualamos as quantidades de elétrons, multiplicando as semi-reações por números inteiros;
4° Passo: somamos as semi-reações. O resultado obtido corresponderá sempre à reação espontânea de oxirredução.

     Essa seqüência de procedimentos é baseada no seguinte raciocínio: entre dois processos de redução a serem analisados, ocorrerá mais (mais facilmente) aquele que possuir maior E°red.
Isso significa que podemos fazer a seguinte generalização: