ÓXIDO-REDUÇÃO REAÇÕES REDOX : CONCEITO E IMPORTÂNCIA PILHAS E BATERIAS POTENCIAL DE ELETRODO CORROSÃO E PROTEÇÃO ELETRÓLISE

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1 ÓXIDO-REDUÇÃO REAÇÕES REDOX : CONCEITO E IMPORTÂNCIA PILHAS E BATERIAS POTENCIAL DE ELETRODO CORROSÃO E PROTEÇÃO ELETRÓLISE 1

2 POR QUE ESTUDAR AS REAÇÕES DE OXI-REDUÇÃO? -DESENVOLVIMENTO DE NOVAS BATERIAS -PREVENÇÃO À CORROSÃO -PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE (Cl 2, F 2, Al, Cu, NaOH, etc.) -REAÇÕES REDOX DE INTERESSE BIOLÓGICO 2

3 IMPORTÂNCIA ECONÔMICA AMBIENTAL SEGURANÇA 3

4 DESCARTE DE BATERIAS! 4

5 CORROSÃO DO CONCRETO 5

6 TERMINOLOGIA UTILIZADA NO ESTUDO DAS REAÇÕES REDOX OXIDAÇÃO - perda de e - por uma espécie; aumento do N ox Fe Fe e REDUÇÃO - ganho de e - ; diminuição do N ox Fe 3+ + e Fe 2+ AG.OXIDANTE aceptor de e- ; quem sofre redução AG.REDUTOR doador de e- ; quem sofre oxidação 6

7 CÉLULAS GALVÂNICAS PRODUÇÃO DE ENERGIA! K + Cl - CÁTODO/ REDUÇÃO ANODO / OXIDAÇÃO 7

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10 OXIDAÇÃO REDUÇÃO: processos simultâneos 10

11 BATERIA DE BACTÉRIAS! ânodo Membrana de troca iônica cátodo 11

12 Rhodoferax ferrireducens aderido ao eletrodo de grafita Fritz Scholz and Uwe Schröder Nature Biotechnology, 21, (2003) 12

13 PREPARANDO UMA PILHA EM CASA 13

14 PREPARANDO UMA BATERIA 14

15 POR QUE 1,10 Volts? Cu 2+ (aq) + 2e Cu (s) (redução) Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e (oxidação) Zn (s) + Cu 2 (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) E º = 1,10V Zn / Zn +2 // Cu +2 / Cu 15

16 POTENCIAL DE ELETRODO Uma medida relativa e arbitrária Cu ++ (aq) + 2e Cu (s) 16

17 DETERMINANDO O POTENCIAL DE ELETRODO DO ZINCO ELETRODO DE REFERÊNCIA 17

18 POTENCIAIS PADRÕES A 25 ºC FORÇA OXIDANTE F + 2(g) 2e 2F - (aq) E = +2,87 V Au + (aq) + e Au (s) E = +1,69 V Cu ++ (aq) + 2e Cu (s) E = +0,34 V 2H + (aq) + 2e H 2(g) E = 0,00 V Zn 2+ (aq) + 2e Zn (s) E = -0,76 V Al 3+ (aq) + 3e Al (s) E = -1,66 V Li + (aq) + e Li E = V (aq) FORÇA REDUTORA 18

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20 VARIAÇÃO DA ENERGIA LIVRE DE GIBBS (T, P ctes) G = - n F E n = elétrons transf.na reação F = C/mol E = potencial 20

21 CRITÉRIO DE EQUILÍBRIO E ESPONTANEIDADE G > 0 transf. não espontânea G = 0 equilíbrio G < 0 transf. espontânea 21

22 EFEITO DA CONCENTRAÇÃO na fem da PILHA Equação de Nernst G = G º + RT ln Q Sabendo-se que G = - n F E e G º = - n F E º E = E º - 0,059/n log Q 22

23 CALCULANDO a K eq a partir de medidas da fem NO EQUILÍBRIO, E = 0 e Q = K eq lnk eq = n F E º / RT 23

24 Zn (s) + Cu 2+ Zn 2+ + Cu (s) Eº = 1,10 V E = 1,10 0,059/2 log [Zn 2+ ] / [Cu 2+ ] Qdo, [Zn 2+ ] = 0,01M e [Cu 2+ ] = 0,5M E = 1,05 V 24

25 PILHA DE CONCENTRAÇÃO 25

26 CORROSÃO DO FERRO MEIO sem O 2 2- MEIO com O 2 26

27 CORROSÃO DO FERRO 27

28 PREVENINDO A CORROSÃO DO FERRO 28

29 PROTEÇÃO CATÓDICA POR ANODO DE SACRIFÍCIO Zn Zn e H 2 O +1/2 O 2 + 2e 2OH - H 2 O + NaCl + Fenolftaleína 29

30 PILHA SECA 30

31 BATERIA ALCALINA Cátodo: 2MnO 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e - 2MnO(OH)(s) + 2OH - (aq) Ânodo: Zn(s) + 2OH - (aq) Zn(OH) 2( s) + 2e - 31

32 PILHAS RECARREGÁVEIS Baterias de níquel-cádmio, níquel-hidreto metálico e íon lítio Cátodo: 2NiO(OH) 2 (s) + 2H 2 O(l) + 2e - 2Ni(OH) 2 (s) + 2OH - (aq) Ânodo: Cd(s) + 2OH - (aq) Cd(OH) 2 (s) + 2e - APLICAÇÃO: telefones celulares, computadores notebooks e gravadores de vídeos 32

33 1,23 V CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL Exaustão de H 2 Exaustão de O 2 e H 2 O Entrada de H 2 Ânodo Membrana porosa Cátodo Entrada de O 2 Cátodo: 4e - + O 2( g) + 2H 2 O(l) 4OH - (aq) Ânodo: 2H 2 (g) + 4OH - (aq) 4H 2 O(l) +4e - 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O 33

34 Pb + PbO 2 + H 2 SO 4 pilha PbSO 4 eletrólise + H 2 O 34

35 Cátodo: PbO 2 (s) + HSO 4- (aq) + 3H + (aq) + 2e - PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) Ânodo: Pb(s) + HSO 4- (aq) PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e- PbO 2 (s) + Pb(s) + 2HSO 4- (aq) + 2H + (aq) PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) E cel = E red (cátodo) E red (ânodo) = (+1,685V) (-0,356V) = +2,041V 35

36 ELETRÓLISE UM PROCESSO NÃO ESPONTÂNEO! 36

37 Obtenção de sódio metálico e gás cloro 37

38 ELETRÓLISE DA ÁGUA EM MEIO DE Na 2 SO 4 cátodo ânodo Solução de Na 2 SO 4 + extrato repolho roxo 2H 2 O + 2e - 2OH H 2 H 2 O 2H + + ½ O 2 + 2e - 38

39 ORDEM DE PRIORIDADE DOS ÂNIONS NA DESCARGA NO ÂNODO (+) S 2-,, I -, Br -, Cl - > F -, SO 4 2-, NO 3 - F - bastante eletronegativo, sustenta bem a carga Os ânions oxigenados estabilizam bem a carga Os cátions que têm baixo potencial de ionização, perdem elétrons com facilidade (famílias IA e IIA), numa eletrólise em solução aquosa perdem para o H +, que descarrega preferencialmente. Cu ++, Ag +, descarregam preferencialmente ao H +. 39

40 ELETRÓLISE Produção de Alumínio Ânodo carbono CÁTODO COBRE Alumina /criolita Al 2 O 3 Na 3 AlF 6 40

41 ELETRÓLISE PRODUÇÃO DE COBRE ELETROLÍTICO 41

42 Quando o ânodo é constituido pelo metal que se quer revestir a peça, o processo eletrolítico ocorre com uma transferência do metal deste eletrodo para a peça, através da solução eletrolítica. Revestimento de uma peça com prata, utilizando ânodo de prata (prateação ): Ânodo: Ag ---> Ag + + e - Cátodo: Ag + + e - ---> Ag O metal do ânodo se oxida. O cátion formado vai para a solução, e o cátion da solução se reduz no cátodo ficando aderido na forma metálica. 42

43 Quando o ânodo é um material inerte ocorre nele a descarga da água da solução. O cátion da solução se reduz no cátodo, ficando aderido a peça. Revestimento de uma peça com cromo, utilizando ânodo inerte ( cromação ): Ânodo: H 2 O ---> 2 H + + 1/2 O e - Cátodo: Cr e - ---> Cr Dependendo do metal que é revestido a peça ou objeto a galvanização recebe nomes especiais: douração ( ouro ), cromação ( cromo ), prateação ( prata ), niquelação ( níquel ) e outros. OBS: eletrodo inerte: platina ou grafite Retirado de " 43