Carga total transportada por um mol de elétrons, denominada constante de Faraday (F)

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1 AULA 6 FÍSICO-QUÍMICA ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES ELETROQUÍMICAS E CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DATA: 16/10/2015 1) ESTEQUIOMETRIA DAS REAÇÕES ELETROQUÍMICAS PROF. ANA É possível prever a massa de substância formada em uma eletrólise em função do tempo e da corrente elétrica empregada no processo ou prever o desgaste de um eletrodo de pilha na medida em que ela é usada para gerar corrente. CARGA ELÉTRICA (Q) Para expressar a grandeza carga elétrica, simbolizada por Q, de prótons, elétrons e íons, é utilizada a unidade Coulomb (C). Assim a carga de um elétron é -1, C e a de um próton é +1, C. Estamos interessados no módulo da carga elétrica que atravessa um circuito, portanto, para a discussão a seguir, ignoraremos seu sinal. CORRENTE ELÉTRICA (i) A grandeza corrente elétrica (i) é definida como a carga elétrica que atravessa a seção transversal de um circuito (isto é, a carga que passa por um corte imaginário perpendicular à direção de propagação da corrente elétrica nesse circuito, dividida pelo intervalo de tempo Δt. A unidade SI para expressar corrente elétrica é o ampère (A), definido como C/s, ou seja, uma corrente de 1 A significa que a carga de 1 C passa pelo circuito no intervalo de 1 s. Em equação: Q = i. Δt A CONSTANTE DE FARADAY Utilizando o valor da constante de Avogadro (6, mol -1 ), podemos calcular o m[odulo da carga de um mol de elétrons: Número de elétrons Carga elétrica , C 6, mol F F = 9, C. mol -1 (ou, arredondando, 96500C) Carga total transportada por um mol de elétrons, denominada constante de Faraday (F) A LEI DE FARADAY A massa de substância produzida em um eletrodo é proporcional à carga elétrica que circula na célula eletrolítica e à massa molar dessa substância. Veja os seguintes exemplos de semi-reações de descarga em eletrólise:

2 1 Ag e - 1 Ag 0 1 mol de Ag + é... 1 mol de elétrons produzindo reduzido por... 1 mol de Ag 0 1 Cu e - 1 Cu 0 1 mol de Cu 2+ é... 2 mol de elétrons produzindo reduzido por... 1 mol de Cu 0 1 Al e - 1 Al 0 1 mol de Al 3+ é... 3 mol de elétrons produzindo reduzido por... 1 mol de Al 0 Assim, nesses exemplos, podemos afirmar que: - a carga de 1 mol de e - (1F), passando pelo circuito, deposita 1 mol de Ag, isto é, 108g de Ag. - a carga de 2 mol de e - (2F), passando pelo circuito, deposita 1 mol de Cu, isto é, 63,5g de Cu. - a carga de 3 mol de e - (3F), passando pelo circuito, deposita 1 mol de Al, isto é, 27,0g de Al. O mesmo raciocínio pode ser empregado nos processos que ocorrem nos eletrodos de uma pilha 1 Zn 0 2 e Zn 2+ 1 mol de Zn 0 é... 2 mol de elétrons produzindo oxidado e perde... 1 mol de Zn 2+ - a carga de 2 mol de e - (2F), passando pelo circuito, oxida 1 mol de Zn, isto é, 65,4g de Zn. 2) CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Sob o ponto de vista técnico, uma célula a combustível é um aparelho conversor de energia eletroquímica. A célula a combustível converte os elementos químicos hidrogênio e oxigênio em água, e gera eletricidade enquanto faz isso. A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo. o ânodo, pólo negativo da célula a combustível que desempenha vários papéis. Ele leva os elétrons liberados das moléculas de hidrogênio para que sejam usados no circuito externo. Esse circuito possui canais que dispersam o gás hidrogênio igualmente sobre a superfície do catalisador. enquanto isso o cátodo, pólo positivo da célula a combustível, tem outros canais distribuindo o oxigênio na superfície do catalisador. Ele também leva os elétrons ao retornarem do circuito externo do catalisador, que são então recombinados com os íons de hidrogênio e oxigênio para formar água.

3 o eleletrólito é a membrana trocadora de prótons. Esse material especialmente tratado assemelha-se a um embrulho plastificado comum de cozinha e somente conduz íons positivamente carregados. A membrana bloqueia os elétrons. o catalisador é um material especial que facilita a reação entre o oxigênio e o hidrogênio. Geralmente é feito de pó de platina finamente coado através de papel de carbono poroso ou tecido. O catalisador é grosseiro e poroso, tornando possível que a máxima área superficial da platina seja exposta ao hidrogênio e ao oxigênio. A face revestida de platina do catalisador fica em frente da PEM. VANTAGENS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL: - São altamente eficientes; - Não poluem (o único produto da reação é água). DESVANTAGENS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL: - O hidrogênio é um gás difícil de ser estocado; - Alto custo; - O hidrogênio não é uma fonte primária de energia. EXERCÍCIOS 1. Um técnico encarregado de uma indústria de eletrodeposição (galvanoplastia) deseja depositar, em uma peça metálica, um revestimento de 11,74g de níquel, em um processo de niquelação realizado com corrente de 96,5 A. A semi-reação que ocorre no cátodo é assim equacionada: Ni 2+ (aq) + 2e - Ni(s) Por quanto tempo a eletrólise deve ocorrer para que a massa desejada de níquel se deposite sobre a peça? MMNi = 58,7 g mol -1

4 2. (UFMG) Pilhas a combustível são dispositivos eletroquímicos em que a reação de um combustível com oxigênio produz energia elétrica. O diagrama representa, simplificadamente, uma pilha a combustível, que envolve a reação entre os gases hidrogênio e oxigênio, conforme a equação 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l) Com relação a essa pilha, todas as afirmativas a seguir estão corretas, EXCETO a) O circuito externo transporta, para o oxigênio, elétrons retirados do hidrogênio. b) O transporte de carga através da solução é feito por íons. c) A reação torna iguais os números de oxidação do hidrogênio e do oxigênio. d) O hidrogênio atua na reação como o agente redutor. 3. É antigo o desejo de substituir a energia oriunda de combustíveis fósseis por uma outra fonte, cuja forma de obtenção seja mais eficiente, mais barata e não cause danos ambientais. Uma boa alternativa vem da célula combustível do tipo hidrogênio-oxigênio (figura abaixo), que gera eletricidade através de um processo eletroquímico sem emissão de qualquer poluente, sem barulho ou vibração. De acordo com as informações sobre essa célula, é correto afirmar: a) A oxidação de O2(g) ocorre no cátodo. b) A redução do H2(g) ocorre no ânodo. c) O potencial padrão da célula é igual a -0,43V. d) A reação eletroquímica da célula é espontânea nas condições padrões. e) A reação global do processo eletroquímico é 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) + 4e -.

5 4. (UNESP) O funcionamento de uma pilha de combustível é baseado nas semi-reações a seguir, cada uma delas representada com o respectivo potencial padrão de redução, E : 2H2O(g) + 2e H2(g) + 2OH(aq) E =-0,828 V O2(g)(g) + H2O(g) + 2e 2OH(aq) E =0,401V Levando-se em conta estas informações, afirma-se: I) A reação global da pilha de combustível é H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g) II) O hidrogênio sofre oxidação no processo. III) A diferença de potencial desta pilha de combustível, em condição padrão, é igual a 1,229V. Estão corretas as afirmações: a) I, apenas. b) II, apenas. c) I e II, apenas. d) II e III, apenas. e) I, II e III. 5. Célula a combustível é uma alternativa para a produção de energia limpa. As semirreações da célula são: Sobre essa célula, pode-se afirmar que H2 2H + + 2e - 1/2O2 + 2H + +2e - H2O a) H2 é o gás combustível e oxida-se no cátodo. b) eletrólise da água ocorre durante o funcionamento da célula. c) H2O e CO2 são produzidos durante a descarga da célula d) célula a combustível é um exemplo de célula galvânica. e) O2 é o gás comburente e reduz-se no ânodo.

6 GABARITO s 2. C 3. D 4. E 5. D

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