Quí. Quí. Monitor: Diego Gomes

Transcrição

1 Quí. Professor: Allan Rodrigues Monitor: Diego Gomes

2 Eletroquímica: Pilha 26 Out RESUMO A Eletroquímica é a parte da química que estuda a produção de energia elétrica a partir de reações que ocorrem com transferência de elétrons: as reações de oxirredução, que já conhecemos. I. Pilha O primeiro processo eletroquímico o que estudaremos neste material é a pilha (esse processo ocorre tanto nas conhecidas pilhas como nas baterias). Ela se caracteriza pela formação de corrente elétrica a partir de uma reação espontânea de oxirredução. Nesta reação, uma das espécies químicas utilizadas sofre redução isto é, recebe elétrons e a outra sofre oxidação isto é, perde elétrons. O que se faz é forçar esses elétrons transferidos a transitarem por um fio, um circuito externo. Cada espécie possui um potencial de oxidação (E oxi), que é a sua tendência em perder elétrons (oxidar) e um potencial de redução (E red), que é a sua tendência em ganhar elétrons (reduzir). O potencial de oxidação de uma espécie tem sempre o mesmo módulo (valor) do seu potencial de redução, mas com sinal oposto. Sendo assim, se o E oxi de X é n, seu E red é n. A espécie que possuir maior potencial de redução (ou seja, menor potencial de oxidação) será a que sofrerá redução. A que possuir menor potencial de redução (ou seja, maior potencial de oxidação) será a que sofrerá oxidação. O que força os elétrons a transitarem da espécie redutora (ou seja, a que faz a outra reduzir, portanto, a que é oxidada) para a espécie oxidante (ou seja, a que faz a outra oxidar, portanto, a que é reduzida) é a diferença entre o potencial que a primeira tem de oxidar (E oxi) e o potencial que a última tem de reduzir (E red). Essa diferença chamamos de diferença de potencial força eletromotriz (fem), porquanto força a movimentação dos elétrons. Sua unidade é volt (V). Se liga só nas duas maneiras com que podemos calculá-la: i) red + E oxi ii) red maior) (E red menor) Onde: E red = potencial de redução de quem se reduz; E oxi = potencial de oxidação de quem se oxida; E red maior = maior potencial de redução, entre as espécies envolvidas; E red menor = menor potencial de redução, entre as espécies envolvidas; Como a reação redox na pilha ocorre de maneira espontânea, a ddp ou. A pilha mais importante para o estudo da eletroquímica é a Pilha de Daniell, composta por: Duas placas metálicas, uma de cobre (Cu) e uma de zinco (Zn), as quais chamamos de eletrodos; Um recipiente com solução de Cu(NO 3) 2, contendo a placa de cobre; Um recipiente com solução de Zn(NO 3) 2, contendo a placa de zinco; Um fio condutor unindo externamente os eletrodos, no qual um voltímetro era conectado;

3 Uma ponte salina conexão entre os dois recipientes contendo uma solução saturada de KCl. Fonte: O que ocorre: Analisamos os potenciais de cada espécie para sabermos quem oxida e quem reduz: Reações de redução Potenciais de redução Zn (aq) + 2 e - Zn (s) E red = 0,76 V Cu (aq) + 2 e - Cu (s) E red = + 0,34 V Como o cobre possui maior potencial de redução, é ele quem reduz. O zinco, portanto, oxida, motivo pelo qual devemos inverter sua reação, na forma como está representada acima. Se invertemos o E também, ele deixa de ser de redução e passa a ser de oxidação, por isso, invertemos seu sinal: Semirreação de oxidação: Zn (s) Zn (aq) + 2 e - Semirreação de redução: Cu (aq) + 2 e - Cu (s) Reação global: Zn (s) + Cu (aq) Cu (s) + Zn (aq) E oxi = + 0,76 V E red = + 0,34 V + 0,76 + 0,34 = 1,10 V Observação: Nunca se multiplica o valor do E de uma espécie, ainda que multipliquemos sua semirreação por algum fator a fim de balancear a reação global. Perceba que cada átomo de zinco transfere 2 elétrons para um átomo de cobre, através do fio externo que conecta esses eletrodos. Como uma placa metálica contém muitos átomos, o fluxo de elétrons pelo fio é considerável e, portanto, capaz de fazer funcionar um aparelho eletrônico. A forma oxidada (iônica) de cada um desses metais é a que fica dissolvida nas soluções. Já a forma reduzida (neutra) é a que compõe a placa metálica sólida. Sendo assim, uma vez que o zinco está passando da sua forma reduzida para a sua forma oxidada, a placa de zinco está sofrendo corrosão, isto é, está perdendo átomos/matéria sólida para a solução de Zn(NO 3) 2, a qual, por isso, fica mais concentrada, com o tempo O cobre, em contrapartida, está passando da sua forma oxidada para a sua forma reduzida, ou seja, a placa de cobre está ganhando átomos da solução de Cu(NO 3) 2, a qual, por isso, fica mais diluída, com o tempo.

4 Como os elétrons são negativos, eles migram para o polo positivo, que, no caso apresentado aqui, é o eletrodo de cobre. Logo, é fácil entender que o eletrodo de zinco será o polo negativo, de onde os elétrons partem. Então, o eletrodo onde ocorre oxidação é o ânodo (polo negativo) e o eletrodo onde ocorre redução é o cátodo (polo positivo). As soluções, tanto de Cu(NO 3) 2 como de Zn(NO 3) 2, no início do processo possuem iguais quantidades de ânions e cátions (já que só possuem os sais dissolvidos). Durante o processo, no entanto, ambas as soluções tendem a perder sua neutralidade, já que: a solução de Cu vai perdendo cátions para a placa metálica, o que faz com que a concentração de ânions (carga negativa) supere a de cátions (carga positiva); a solução de Zn vai ganhando cátions da placa metálica, o que faz com que a concentração de cátions (carga positiva) supere a de ânions (carga negativa). A ponte salina serve para compensar esses desequilíbrios de carga, enviando ânions para a solução de Zn e cátions para a de Cu. A todo o sistema da pilha, os químicos deram o nome de cela ou célula eletrolítica. John Freferick Daniell, particularmente, chamou cada lado da célula (um contendo placa de cobre com solução de sal de cobre e outro contendo placa de zinco com solução de sal de zinco) de semicélula. A IUPAC (União Internacional da Química Pura e Aplicada) estabelece um padrão para representarmos uma pilha. Vamos vê-lo com o exemplo da Pilha de Daniell: MACETE: II. Corrosão de metais É evidente que os processos de oxidação de certas espécies, nas reações de oxirredução que estudamos, são muito importantes para nós. Mas como quase tudo na vida tem seu lado negativo, alguns desses processos nos prejudicam no dia a dia. Ninguém deseja que seus talheres de ferro sofram corrosão, por exemplo. No entanto, é muito comum vermos a formação de ferrugem neles, devido à reação do ferro com a umidade do ar. Vamos entender como isso funciona? No sistema ferro + ar úmido, ocorrem as seguintes semirreações: Oxidação do ferro Redução do oxigênio 2 Fe 0 2 Fe + 4 e O H 2O + 4 e 4 OH Global 2 Fe + O H 2O 2 Fe(OH) 2

5 O hidróxido de ferro II é oxidado novamente pelo ar, formando a ferrugem, da seguinte forma: 4 Fe(OH) 2 + O H 2O 4 Fe(OH) 3 Ferrugem III. Proteção dos metais contra a oxidação Existem basicamente três formas de proteger um metal contra a corrosão. São elas: Revestimento: consiste em revestir a superfície metálica com tinta, óleos, graxa, entre outros produtos isolantes, que evitem o contato do metal com o ar atmosférico (que contém oxigênio, altamente oxidante), com a umidade e outros agentes oxidantes; Galvanização: é um tipo de revestimento, mas mais específico. Consiste em revestir a superfície metálica com um outro metal, que, ao sofrer oxidação, não perca massa, mas forme produtos (óxidos) que continuem a isolar o metal protegido do ambiente externo. Muitos materiais de ferro como pregos, por exemplo, são recobertos com zinco. Também é muito utilizado o estanho para revestir latas de ferro, ao que nomeou- Metais de sacrifício: consiste em colocar em contato com o metal que se deseja proteger um outro metal, com maior potencial de oxidação. Esse metal, por ser mais redutor, sempre oxida no lugar do outro - de navios, feitos de ferro, coloca-se magnésio, mais redutor que o ferro, que é oxidado, evitando a corrosão deste último. EXERCÍCIOS 1. Ferro metálico reage espontaneamente com íons Pb, em solução aquosa. Esta reação é representada por: Fe + Pb + Pb Na pilha representada pela figura Em que ocorre aquela reação global, a) os cátions devem migrar para o eletrodo de ferro. b) ocorre deposição de chumbo metálico sobre o eletrodo de ferro. c) ocorre diminuição da massa do eletrodo de ferro. d) os elétrons migram através da ponte salina do ferro para o chumbo. e) o eletrodo de chumbo atua como ânodo.

6 2. Considere a seguinte célula galvânica. Dados: Mg (aq) + 2 e (s) E o = 2,36V Pb (aq) + 2 e (s) E o = 0,13V 2 H + (aq) + 2 e 2 (g) E o = 0,00V Sobre essa célula, assinale a alternativa correta. a) A placa de magnésio é o polo positivo. b) O suco de limão é a solução eletrolítica. c) Os elétrons fluem da placa de magnésio para a placa de chumbo através do suco de limão. d) A barra de chumbo é o ânodo 3. Para montar uma pilha, dispõe-se dos materiais e dos dados a seguir. Materiais: uma lâmina de cobre; dois béqueres; uma lâmina de zinco; um fio condutor; solução de CuSO 4 a 1 mol/l; uma ponte contendo KNO 3. solução de ZnSO 4 a 1 mol/l; Dados: a) Faça um desenho esquematizado da pilha e escreva sua notação simplificada. b) Indique o sentido dos elétrons do fio. c) O que ocorre com as massas dos metais Zn e Cu? d) Calcule a ddp da pilha. e) Qual a função da ponte salina? 4. A célula eletroquímica zinco-óxido de prata, utilizada para fornecer energia em aparelhos auditivos e relógios de pulso, baseia-se nas seguintes semi-reações, escritas na forma de redução: O quadro a seguir indica algumas possíveis relações entre as características apresentadas por essa célula

7 A linha do quadro que corresponde ao conjunto de relações corretas é a) I. b) II. c) III. d) IV. e) V 5. Os preços dos metais para reciclagem variam em função da resistência de cada um à corrosão: quanto menor a tendência do metal à oxidação, maior será o preço. Na tabela, estão apresentadas duas características eletroquímicas e o preço médio de compra de dois metais no mercado de reciclagem. Metal cobre ferro Semirreação de redução Potencial-padrão de redução (V) 0 (aq) + (s) 0,34 Cu 2e Cu 0 (aq) + (s) 0,44 Fe 2e Fe Preço (R$/kg) + 13,00 0,25 Com o objetivo de construir uma pilha que consuma o metal de menor custo, um laboratório dispõe desses metais e de soluções aquosas de seus respectivos sulfatos, além dos demais materiais necessários. Apresente a reação global da pilha eletroquímica formada e determine sua diferença de potencial, em volts, nas condições-padrão. 6. Da mesma forma que trabalhamos com potenciais de oxidação, podemos fazê-lo com os de redução. Observe que, nas mesmas condições experimentais, os valores absolutos dos dois potenciais são iguais, mas de sinais contrários. Os valores são tabelados a 25 C, 1 atm e solução 1,0 mol/l. Das espécies químicas fornecidas, o melhor agente oxidante e o melhor agente redutor são, respectivamente: 3+ d) Cu 3+ e) Cu

8 7. Considere os potenciais-padrão de redução dos eletrodos abaixo e o esquema da pilha constituída por esses eletrodos: Quando se fecha o circuito elétrico durante algum tempo, verifica-se que houve: a) aumento na concentração de íons Cu. b) redução de íons Mg. c) oxidação do cobre metálico. d) diminuição na concentração de íons NO e) diminuição na massa da lâmina de magnésio. 8. Em uma pilha galvânica, um dos eletrodos é cobre imerso em uma solução de Cu 1,0 mol/l, e o outro é chumbo imerso em uma solução 1,0 mol/l de íons Pb. Baseando-se nos potenciais de redução padrão, a afirmativa correta é: a) O chumbo cede elétrons ao cobre. b) O eletrodo de chumbo funciona como o cátodo da pilha. c) O eletrodo de cobre funciona como ânodo da pilha. d) A representação da reação da pilha é Cu /Cu //Pb /Pb e) A diferença de potencial da pilha é de +0,21 volt 9. na reação total da pilha galvânica padrão representada abaixo. a) 0,02 V; Zn; Cr; 3 b) + 0,02 V; Zn; Cr; 6 c) 0,7 V; Zn; Cr; 6 d) + 0,7 V; Cr; Zn; 3 e) + 0,02 V; Cr; Zn; 2

9 10. A pilha de Daniell é constituída basicamente de uma placa metálica de cobre mergulhada em uma solução de sulfato de cobre, constituindo o cátodo, e por uma placa metálica de zinco mergulhada em solução de sulfato de zinco, constituindo o ânodo. Ambos os metais são interligados por um circuito elétrico, e uma ponte salina faz a união das duas células, permitindo a migração de íons entre elas. A reação global que ocorre nessa pilha é representada por Cu + Zn Cu + Zn, cuja diferença de potencial ( ΔE ) da pilha formada é de 1,10 V. Um estudante resolveu testar uma nova configuração de pilha, substituindo o cobre por uma placa metálica de alumínio mergulhada em uma solução de A 2(SO 4 ) 3 e o zinco por uma placa metálica de ferro mergulhada em uma solução de FeSO 4. As semirreações de redução envolvidas para a nova pilha construída são dadas a seguir. Fe + 2e Fe E = 0,44 V 3+ A + 3e A E = 1,67 V Com base nessas informações, a) escreva a equação química balanceada que representa esse processo e a diferença de potencial da nova pilha construída; b) indique o fluxo de elétrons, o agente oxidante e o agente redutor nessa nova pilha construída. QUESTÃO CONTEXTO Um problema que vem afetando o bem-estar de nossa sociedade é o uso indiscriminado de telefones celulares. A maioria desses aparelhos contêm baterias de níquel- cádmio. Baterias usadas, lançadas no lixo urbano, expostas ao tempo e à chuva, rompem-se e liberam metais pesados que contaminam o solo e os lençóis freáticos. A seguir, estão representadas as transformações que ocorrem nos eletrodos desse tipo de bateria: Determine quem é o cátion e quem é o ânion, escreva a equação global da pilha e calcule sua ddp:

10 GABARITO Exercícios 1. c Fe ânodo, oxida, negativo, diminui espessura Pb cátodo, reduz, positivo, aumenta espessura 2. b Pb cátodo, reduz, positivo, aumenta espessura Mg ânodo, oxida, negativo, diminui espessura 3. b) Do eletrodo a zinco para o eletrodo de cobre. c) Zn: diminui a massa. Cu: aumenta de massa. ( 0,76) = 1,10 V e) Manter a neutralidade dos eletrodos da pilha, fornecendo cátions para o cátodo e ânions para o ânodo 4. a Eletrodo de zinco (Ered= - oxidação (redutor) polo negativo + 2e - redução (oxidante) polo positivo Ag 2S + H 2O + 2e Ag + 2 OH - E = Ered maior Ered menor = (+0,344)-(-0,763) = +1,107V 5. Reação global da pilha eletroquímica formada por cobre e ferro:

11 + 0,34 V 0,44 V Então : 2 Cu + (aq) + 2e 0 Cu (s) (redução) 0 2 Fe (s) Fe + (aq) + 2e (oxidação) 0 Global 0 Cu (aq) + Fe (s) Cu (s) + Fe (aq) ΔE = Emaior Emenor ΔE = + 0,34 ( 0,44) ΔE =+ 0,78 V 6. e O O melhor agente redutor (sofre oxidação) possui menor E redução: - 7. e Eletrodo de magnésio (Ered= - oxidação (redutor) polo negativo + 2e redução (oxidante) polo positivo Cu + 2e- 8. a Eletrodo de chumbo (Ered= - oxidação (redutor) polo negativo + 2e redução (oxidante) polo positivo Cu + 2e- Reação Global: Pb + Cu + Cu E = Ered maior Ered menor = (+0,34)-(-0,13) = +0,47V 9. b 10. a) Como é uma pilha, o processo é espontâneo, portanto, a variação de potencial será positiva. ( 3) 3Fe + 6e 3Fe E = 0,44 V 3+ ( 2) 2 A 2 A + 6e E = 1,67 V 3+ 3Fe + 2 A 3Fe + 2 A ΔE = 1,23V b) O sentido do fluxo dos elétrons será do alumínio (ânodo) para o ferro (cátodo). O agente oxidante é na reação. + 2 Fe, pois está reduzindo e o agente redutor será o alumínio, pois está oxidando

12 Questão Contexto Cátodo: NiO 2 Ânodo: Cd Ddp: +0,41V + 0,761V = +1,17V