Preparação de uma pilha baseada na oxidação em meio ácido. Química 12º Ano

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1 Preparação de uma pilha baseada na oxidação em meio ácido Química 12º Ano Unidade 1 Metais e ligas metálicas Actividades de Projecto Laboratorial Outubro 2005 Jorge R. Frade, Ana Teresa Paiva Dep. Eng. Cerâmica e do Vidro Universidade de Aveiro

2 Preparação de uma pilha baseada na oxidação em meio ácido 1. Objectivos: i) Verificar a co-existência de duas semi-reacções de oxidação (perda de massa) e de redução (libertação de hidrogénio) na corrosão de uma placa de zinco em meio ácido. ii) iii) iv) Verificar que é possível dissociar as semi-reacções de oxidação e de redução, deslocando-as para diferentes placas. Preparar pilhas com placas de cobre e de zinco em meios ácidos, incluindo ácidos inorgânicos (HCl) e ácidos orgânicos naturais tal como o ácido acético do vinagre ou o ácido cítrico dos limões. Relacionar a força electromotriz da pilha (em circuito aberto) com as semireacções de eléctrodo. v) Verificar que a tensão da pilha diminui com o aumento da corrente. 2. Fundamentos A corrosão do zinco (Zn) em meio ácido manifesta-se por dois efeitos facilmente observáveis, isto é, a libertação de bolhas de hidrogénio (H 2 ) e a perda de massa. Estes dois efeitos relacionam-se com as duas semi-reacções que constituem o processo global de corrosão, isto é: 2H + + 2e - H 2 (1) Zn Zn 2+ (aq) + 2e - (2) A primeira semi-reacção é responsável pela libertação do gás e a segunda semireacção traduz-se na perda de massa, por transferência de iões Zn 2+ para a solução. As duas semi-reacções são interdependentes, isto é, a primeira reacção cede electrões que são consumidos na segunda reacção. A reacção 1 será tanto mais intensa quanto menor for o valor do ph do meio. Note-se que a corrosão em meio ácido é geralmente controlada pela libertação do hidrogénio, sendo esta dependente da acidez do meio (Eq.1). É possível separar as semi-reacções 1 e 2 quando se liga a placa de zinco a um dos pólos de uma pilha, enquanto se liga uma placa de cobre ao outro pólo. A ligação do zinco ao pólo negativo promove a reacção 1, dando origem a uma libertação de hidrogénio mais intensa, e inibe a semi-reacção 2. Pelo contrário, a ligação ao pólo positivo inibe a libertação de hidrogénio e acentua a dissolução do zinco. Esta separação

3 das reacções de oxidação e de redução também permite a preparação de uma pilha com eléctrodos de zinco e cobre, em meio ácido. A força electromotriz de uma pilha é a diferença entre os valores das tensões de redução das semi-reacções de eléctrodo. Por exemplo, a tensão de redução padrão da reacção 1 (a ph=0) é 0 volts e a tensão de redução padrão da reacção 2 (numa solução com concentração 1M de iões Zn 2+ ) é -0,763 volts. Por isso, a força electromotriz da correspondente pilha será cerca de 0,763 volts. Em circuito fechado, a tensão da pilha diminui com o aumento de corrente. Este decréscimo deve-se à resistência interna da pilha: Esta resistência relaciona-se com a resistência do meio (electrólito) que separa os dois eléctrodos e com a cinética das reacções de eléctrodo. 3. Equipamento, materiais e reagentes - Chapas de zinco com dimensões aproximadas de 1,5x10 cm 2 cada. - Chapas de cobre com dimensões aproximadas de 2x9 cm 2 cada. - Lixa - Solução de HCl 1M - Solução de NaOH 1M - Limões - Papel indicador de ph (para meio ácido) - Material de vidro - Balança com precisão até ±1 cg. - Multímetro. 4. Realização experimental 1. Efectue o polimento de chapas de zinco e cobre, com lixa, lave-as e deixe secar. 2. Prepare um balão contendo 150 ml de solução 1M de HCl. 3. Verta cerca de 50 ml de solução 1M de HCl para um copo de vidro de 50 ml. Meça o ph com papel indicador. Pese uma das chapas de zinco, introduza-a na solução, deixando-a parcialmente imersa e registe o tempo (hora e minutos). Observe cuidadosamente os efeitos (p.e. escurecimento da superfície da amostra de zinco, libertação de gases, etc.) e registe essas observações. 4. Prepare solução 0.1M de HCl, diluindo 10 ml de solução 1M, e verta 50 ml para outro copo de vidro de 50 ml. Repita os restantes passos da alínea Introduza uma placa de cobre na solução 1M de HCl e verifique que não ocorre libertação de hidrogénio nem qualquer evidência de corrosão do cobre.

4 6. Ligue uma placa de cobre a uma placa de zinco, introduza o conjunto num copo de 50 ml contendo solução 0.1M de HCl e verifique que ocorre libertação de hidrogénio. Ligue a placa de zinco ao pólo positivo de uma pilha e a placa de cobre ao pólo negativo e verifique que a libertação de hidrogénio se torna mais intensa na placa de cobre e é inibida na placa de zinco. Inverta a polaridade e verifique que a libertação de hidrogénio se volta a acentuar na placa de zinco. 7. Ao fim de 1 hora retire cada uma das placas de zinco usadas nos passos 3, 4 e 5, lave-as, seque-as e depois pese-as. 8. Relacione as observações efectuadas com a coexistência das semi-reacções de redução e de oxidação. 9. Prepare uma solução aquosa de cloreto de sódio (5,844 g por 100ml), adicione farinha de trigo (1 g de farinha por cada 10 ml de solução) e aqueça em banhomaria para preparar uma cola bastante espessa. 10. Prepare uma pilha com eléctrodos de zinco e cobre em solução de HCl 1M conforme se descreve seguidamente: - Corte um pedaço de tecido com área de cerca de 4x10 cm 2. - Deposite, sobre esse tecido, uma camada da cola preparada na alínea 9. - Pulverize abundantemente com sal de cozinha. - Coloque uma chapa de zinco sobre a camada de sal e envolva-a com o tecido. (Nota: O tecido e a cola actuam como barreiras, atenuando a acidez e a libertação de hidrogénio junto do eléctrodo de zinco.) - Aperte o conjunto entre 2 placas de cobre, tendo o cuidado de dobrar uma das extremidades de uma das placas de cobre, e amarre com arame de cobre. - Introduza o conjunto num copo de 50 ml contendo 50 ml de solução HCl 1M. - Meça a tensão produzida por esta pilha e compare-a com os valores da tensão de redução das semi-reacções de eléctrodo. 11. Prepara uma segunda pilha equivalente à descrita no passo Ligue as pilhas em série e verifique que é possível alimentar um relógio digital, substituindo a sua pilha comercial. 13. Meça diversas resistências eléctricas e seleccione uma série com valores próximos de 10Ω, 33Ω, 47Ω, 68Ω, 100Ω e 220Ω, respectivamente. Ligue uma dessas resistências aos pólos da pilha preparada no passo 10, seguindo o esquema da Fig.1, e determine a tensão da pilha em circuito fechado. Calcule a corrente tendo em conta a lei de Ohm (I=V aux /R aux ). Repita estas medidas e cálculos para cada uma das resistências e represente a variação da corrente em função da tensão da pilha. 14. Repita o ponto anterior utilizando, desta vez, uma pilha comercial de 1,5V e analise as diferenças. 15. Neutralize a solução ácida de HCl adicionando quantidades de solução de NaOH até que se obtenha um ph próximo de 6/ Prepare uma pilha espetando uma placa de zinco e uma placa de cobre num limão, assegurando-se de que estas não se contactam e de que a distância entre elas não excede 1 cm. Meça a tensão desta pilha. 17. Prepare uma segunda pilha idêntica à da alínea 14 e faça uma associação em série das duas pilhas. Verifique que esta associação em série também é suficiente para alimentar o relógio digital.

5 R aux V aux Cobre. Zinco Fig.1: Representação de uma montagem experimental para verificar a variação da tensão de uma pilha com a corrente.

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