Caracterização das reações de oxidação-redução

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Terezinha Felgueiras Mascarenhas
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Caracterização das reações de oxidação-redução Nas baterias de lítio-iodo as reações responsáveis pela produção de corrente elétrica são descritas pelas equações químicas (1) e (2), que mostram o

1 Caracterização das reações de oxidação-redução Nas baterias de lítio-iodo as reações responsáveis pela produção de corrente elétrica são descritas pelas equações químicas (1) e (2), que mostram o envolvimento de eletrões, e : Li Li + + e (1) I e 2 I (2) O lítio, Li, liberta eletrões, ou seja, cede eletrões ao transformar-se em ião lítio, Li +. Diz-se que o lítio sofreu uma oxidação, que se oxidou ou que foi oxidado. O iodo, I 2, recebe eletrões, ou seja, ganha eletrões e transforma-se em ião iodeto, I. Diz-se que o iodo sofreu uma redução, que se reduziu ou que foi reduzido. 1

2 A cedência de eletrões por uma espécie química implica a existência de outra que receba eletrões. Os dois processos são simultâneos e reúnem-se numa equação global resultante de (1) e (2), a equação química: 2 Li + I 2 2 LiI Trata-se de um processo de transferência de eletrões entre uma espécie dadora de eletrões, Li, e uma outra recetora de eletrões, I 2. As reações químicas de transferência de eletrões designam-se reações de oxidação-redução. A formação da ferrugem resulta de reações de oxidação-redução. A ferrugem é constituída por óxidos de ferro, produtos da reação entre o ferro, Fe, e o oxigénio, O 2. O ferro e o oxigénio reagem originando, por exemplo, óxido de ferro (III): eletrões 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) 2

3 No óxido de ferro (III), Fe 2 O 3, o ferro está presente sob a forma de ião ferro (III), Fe 3+, e o oxigénio sob a forma de ião óxido, O 2. Esta transformação decorre da transferência de eletrões do ferro, Fe, para o oxigénio, O 2. ao ceder eletrões Fe Fe 3+ Oxidação ao receber eletrões O 2 O 2 Redução Oxidação do ferro A oxidação e a redução de uma espécie dependem das características do meio. Em meio húmido a oxidação do ferro pode traduzir-se pela equação: eletrões óxido de ferro (II) di-hidratado Nesta reação o ferro foi oxidado e o oxigénio foi reduzido. 3

4 Espécie oxidada e espécie reduzida Nas reações de oxidação-redução há sempre duas espécies químicas: a espécie oxidada, que sofre oxidação (cede eletrões); a espécie reduzida, que sofre redução (recebe eletrões). Na reação 2 Li + I 2 2 Li I A espécie oxidada é o lítio, Li, pois sofre oxidação ao ceder eletrões. A espécie reduzida é o iodo, I 2, pois sofre redução ao receber eletrões. No caso do enferrujamento do ferro, expresso por: 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) A espécie oxidada é o ferro, Fe, uma vez que sofre oxidação (cede eletrões) A espécie reduzida é o oxigénio, O 2, porque sofre redução (recebe eletrões). 4

5 Oxidante e redutor Para que uma espécie química seja reduzida (receba eletrões) tem de existir uma outra que, ao ceder eletrões, provoque essa redução. Esta espécie que cede eletrões chama-se (agente) redutor. Para que uma espécie química seja oxidada (ceda eletrões) tem de existir uma outra que, ao receber eletrões, provoque essa oxidação. A esta espécie chama-se (agente) oxidante. A transferência de eletrões ocorre do redutor para o oxidante. Quando se mergulha uma peça de zinco, Zn, numa solução aquosa contendo iões cobre (II), verifica-se a corrosão da peça de zinco e o desaparecimento da cor azul da solução, ao mesmo tempo que se observa a formação de um depósito cor de cobre. eletrões redução Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) oxidação O Zn comporta-se como redutor, dador de eletrões. O Cu 2+ comporta-se como oxidante, recetor de eletrões. A transferência de eletrões faz variar a carga dos elementos químicos. 5

6 Número de oxidação O número de oxidação (n.o.) de um elemento é um número cuja variação permite verificar a ocorrência ou não de oxidações ou de reduções. Relaciona-se com a carga elétrica de átomos, moléculas e iões a que pertença. Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) Zn Cu 2+ Zn 2+ Cu Carga 0 Carga +2 Carga +2 Carga 0 cede eletrões, oxidação, Zn Zn aumento n.o. 2+ redutor Cu 2+ Oxidante recebe eletrões, redução, diminuição n.o. Cu É a alteração da carga de um elemento químico que, numa reação, permite a identificação de oxidações e de reduções: oxidação aumenta a carga de um elemento químico; redução diminui a carga de um elemento químico. 6

7 A soma de todos os números de oxidação, considerando todos os átomos de cada elemento na unidade estrutural, é igual à carga dessa unidade: Em átomos, por exemplo Ne, C e Cu, a carga é zero e o número de oxidação do elemento é zero. Num ião monoatómico, por exemplo Na +, Ca 2+, Zn 2+, H, O 2 e S 2, o número de oxidação do elemento coincide com a carga do ião: +1, +2, +2, 1, 2, 2. Num ião poliatómico, por exemplo HCO 3 e PO 4 3, convenciona-se que o número de oxidação do hidrogénio é +1 e o do oxigénio é 2. Os restantes n.o. calculam-se a partir destes e da carga total. A soma de todos os números de oxidação, considerando todos os átomos de cada elemento na unidade estrutural, é igual à carga dessa unidade: Em substâncias elementares, que têm moléculas como unidades estruturais, por exemplo H 2, O 2 e Cl 2, o número de oxidação do elemento é zero. Em substâncias compostas, cujas unidades estruturais são moléculas, por exemplo CH 4, CO 2, HClO 3 e H 2 SO 4, convenciona-se que o número de oxidação do hidrogénio é +1 e o do oxigénio é 2. 7

8 Há ainda a considerar algumas exceções: n.o. (H) = 1 quando combinado com elementos metálicos (por exemplo, NaH e AlH 3 ). n.o. (O) = 1 nos peróxidos como, por exemplo, em H 2 O 2 e Na 2 O 2. Δn.o. > 0: o número de oxidação de um elemento aumenta numa oxidação. Δn.o. < 0: o número de oxidação de um elemento diminui numa redução. Semirreações de oxidação e de redução Quando se introduz uma folha de alumínio, Al, numa solução azul contendo iões cobre (II), Cu 2+, a folha de Al fica corroída (com aspeto esburacado), a solução vai perdendo a cor azul e forma-se um depósito cor de cobre. Tal resulta da transferência de eletrões do alumínio para os iões cobre (II) da solução. Al (s) Al 3+ (aq) + 3 e Redutor Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) Oxidante Semirreação de oxidação Semirreação de redução 8

9 As semirreações são reações que correspondem aos processos que ocorrem simultaneamente numa reação de oxidação-redução (a redução e a oxidação). Nas equações das semirreações tem de se verificar: o acerto da massa, de acordo com a Lei de Lavoisier; o acerto da carga, que, tal como a massa, também se conserva nas reações químicas; igualdade entre o número de eletrões na oxidação e o número de eletrões na redução, pois o número de eletrões recebidos pelo oxidante, Cu 2+, tem de ser igual ao número de eletrões cedidos pelo redutor, Al. Para que haja igualdade entre o número de eletrões na oxidação e na redução, multiplicam-se as equações (1) e (2) por um número inteiro. (1) Al (s) Al 3+ (aq) + 3 e x 2 (2) Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) x 3 Multiplicando a reação (1) por 2 e a reação (2) por 3, obtém-se: 2 Al (s) 2 Al 3+ (aq) + 6 e 3 Cu 2+ (aq) + 6 e 3 Cu(s) A equação global que traduz a reação de oxidação-redução é obtida a partir da soma das semirreações: 2 Al (s) + 3 Cu 2+ (aq) + 6 e 2 Al 3+ (aq) + 6 e + 3 Cu (s) 9

Como uma equação química deve ser escrita do modo mais simples, a formação de cobre metálico, Cu, e de iões alumínio, Al 3+, em solução, a partir de alumínio, Al, e de Cu 2+ em solução, representa-se

10 Como uma equação química deve ser escrita do modo mais simples, a formação de cobre metálico, Cu, e de iões alumínio, Al 3+, em solução, a partir de alumínio, Al, e de Cu 2+ em solução, representa-se por: 2 Al (s) + 3 Cu 2+ (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 Cu (s) A corrosão manifestada por recipientes de alumínio em contacto com soluções de cobre (II) decorre da oxidação do alumínio a ião Al 3+. Máquinas contendo soluções de sulfato de cobre (II), usadas no tratamento de culturas agrícolas, não podem ser de alumínio. Questões Considere a reação traduzida pela seguinte equação química: Zn (s) + HCl (s) ZnCl 2 (aq)+ H 2 (g) 1. Calcule o número de oxidação de cada um dos elementos presentes. 2. Identifique o oxidante e o redutor. 3. Indique o número de eletrões transferidos nesta reação de oxidação-redução. 10

11 Questões (Resolução) Considere a reação traduzida pela seguinte equação química: Zn (s) + HCl (s) ZnCl 2 (aq)+ H 2 (g) n.o.(zn)= 0 n.o.(h)=+1 n.o.(cl)=-1 n.o.(zn)= +2 n.o.(cl)=-1 n.o.(h)=0 1. Calcule o número de oxidação de cada um dos elementos presentes. 2. Identifique o oxidante e o redutor. Oxidante H + presente no HCl na equação química Redutor - Zn 3. Indique o número de eletrões transferidos nesta reação de oxidação-redução. São transferidos 2 eletrões do Zn para o H +. 11

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