EleELETROQUÍMICA (Parte I)

Transcrição

1 EleELETROQUÍMICA (Parte I) I INTRODUÇÃO A Eletroquímica é responsável pela explicação dos fenômenos que envolvem a transferência de elétrons. Esses fenômenos são de grande importância cotidiana, pois através de suas aplicações obtemos pilhas, baterias, acumuladores de automóveis, peças galvanizadas e eletro-purificadas, entre outros, como ilustrado na Figura 1. Figura 1 - Bateria e Pilhas Os fenômenos eletroquímicos que nos interessam são as Pilhas, que trata-se de um processo espontâneo, e as Eletrólises, que são processos não espontâneo. II PILHAS Podemos definir pilha como, qualquer dispositivo no qual uma reação de oxirredução ocorre espontaneamente produzindo corrente elétrica. Também são chamadas de células galvânicas ou voltaicas. Esse fenômeno transforma a energia química em energia elétrica. As pilhas são formadas por um conjunto de metal mergulhado numa solução aquosa do sal, resultando numa solução eletrolítica de íon comum * Figura 2 - Experimento da pilha de Daniell. Esse conjunto é denominado eletrodo e nele ocorre a transferência eletrônica necessária para gerar energia elétrica. * Efeito do Íon Comum: é a aplicação do princípio de Le Chatelier para equilíbrios iônicos. Entretanto, há íons que apesar de não serem comuns ao equilíbrio iônico, também podem deslocá-lo. Como exemplo, temos a adição de um ácido à base H 4OH (aq), o H + do ácido reage com o OH da base, diminuímos a concentração desse íon e, conseqüentemente, deslocamos equilíbrio.

2 Na Figura 2, observamos o eletrodo de Zinco (Zn) ligado externamente ao eletrodo de Cobre (Cu) através de um fio condutor pelo qual os elétrons migram de um pólo a outro da pilha, e suas soluções entram em contato através de uma ponte salina que permite o fluxo iônico das soluções eletrolíticas, ou seja, o papel da ponte salina é permitir o escoamento de íons de uma semicela para outra, de modo que cada solução permaneça sempre eletricamente neutra. A equação a seguir descreve a pilha esquematizada acima que é conhecida como pilha de Daniell, pode-se perceber pelas equações que os elétrons partem do Zinco (Zn) em direção ao Cobre (Cu), ou seja, o eletrodo de Zinco (Zn) é oxidado, pois doa elétrons ao eletrodo de Cobre (Cu), e este por sua vez é reduzido: Semi-reações Representando os fenômenos separadamente, temos: Semi-reação de redução: Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) Semi-reação de oxidação: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e - Observe que o Zn (s) doa elétrons e tem seu nox aumentado, fazendo assim o processo de oxidação. O Cu 2+ (aq) recebe elétrons do Zn (s) e tem seu nox diminuído, fazendo o processo de redução. Dessa forma podemos concluir que o Zn (s) é o agente redutor e o Cu 2+ (aq) é o agente oxidante. O eletrodo que sofre oxidação é chamado de Ânodo, dele os elétrons partem em direção ao eletrodo que sofre redução chamado Cátodo. O eletrodo que recebe os elétrons (Cátodo) é dito pólo positivo da pilha e o eletrodo de onde partem os elétrons (Ânodo) é dito pólo negativo da pilha. Esquema da pilha Fluxo de elétrons Polo negativo Libera elétrons para o circuito e íons cátions para a solução. Ocorre oxidação (aumenta a carga) e corrosão (diminuição da massa) do eletrodo. Solução concentrada. - + Polo positivo Recebe elétrons para o circuito e capta os íons cátions da solução. Ocorre redução (reduz a carga) e corrosão (aumento da massa) do eletrodo. Solução diluída Figura 3 - Esquema de uma pilha

3 Notação oficial da pilha III Potenciais de Eletrodo (E ) Você quer aprender como identificar a espécie química que oxida e qual reduz em uma pilha? Cada eletrodo tem sua característica bem definida, ou seja, existem eletrodos com maior tendência de se reduzir e outros a oxidar. A medida dessa característica é observada experimentalmente pelos Potenciais de Eletrodo. As medidas de potenciais de eletrodo se baseiam em um padrão que é o eletrodo de Hidrogênio, ao qual é atribuído E = 0,0V tanto para redução quanto para oxidação. H 2 2H + + 2e - 2H + + 2e - H 2 E 0 oxi = 0,00 V E 0 red = 0,00 V Então, vamos procurar compreender a tabela a seguir dos Potencias de Eletrodo:

4 Tabela 1 - Tabela de Potenciais

5 Quanto maior for o E 0 red, mais fácil será sua redução e a espécie química será um forte agente oxidante. Quanto menor for o E 0 red, mais fácil será sua oxidação e a espécie química será um forte agente redutor. Toda pilha gera uma determinada diferença de potencial (ddp), a qual vem expressa na unidade de Volts (V) em sua embalagem. Cálculo de voltagem ( E) das pilhas Para calcular a ddp, representada pelo ( E) de uma pilha, basta aplicarmos a relação a seguir: E 0 = (E 0 red >) (E 0 red <) ou E 0 = (E 0 oxi >) (E 0 oxi <) Assim, se ambas as semi-reações forem de redução, aplicaremos a primeira relação, mas se as duas semi-reações forem de oxidação, aplicaremos a segunda relação. Por isso, é importante diferenciar as semi-reações de redução e de oxidação. Entretanto, se forem dados os potenciais de redução e oxidação, poderemos calcular a ddp também a partir da seguinte relação: E 0 = E 0 oxi + E 0 red Exemplificando para a pilha de Daniell, estudada anteriormente: Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) E 0 red = +0,34V Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) E 0 red = -0,76V E 0 = (E 0 red >) (E 0 red <) E 0 = +0,34 (-0,76) E 0 = +1,10V IMPORTANTE! Podemos proteger superfícies metálicas da corrosão através do uso de eletrodos ou metais de sacrifício. Basta recobrirmos a superfície metálica a proteger totalmente ou parcialmente com um metal de menor potencial de redução, ou seja, mais sensível a oxidação. Dessa forma esse metal é oxidado ou corroído, protegendo o outro metal que fica no estado reduzido. Exemplos: Ferro galvanizado (ferro revestido de zinco), Lata (ferro revestido de estanho), Ferro com plaquetas de Zn ou Mg presas na superfície e que funcionam como eletrodo de sacrifício.

6 Curiosidade Conheça o mecanismo de uma Bateria Automotiva, na Figura 4, e, de uma Pilha Seca, na Figura 5. Figura 4 - Bateria automotiva Figura 5 - Pilha comum Fonte: DERBLY NETTO. Jorge Abdalla. Química sem mistérios. Disponível em < Acesso em 20 Fev DERBLY NETTO. Jorge Abdalla. Apostilas de Química: Pré - Vestibular Cidadão. Curitiba: Educon, 2006, v.04. p.200. USBERCO, João e SALVADOR, Edgard. Química volume único. São Paulo: Saraiva, 2002.

7 Vamos lá praticar um pouco o que aprendemos!!! ATIVIDADES PROPOSTAS 01. (UFSC) Uma pilha a combustível é um dispositivo eletroquímico no qual a reação de um combustível com oxigênio produz energia elétrica. Esse tipo de pilha tem por base as semi-reações apresentadas na tabela a seguir, conforme ilustrado no esquema de uma pilha a combustível. De acordo com as informações do enunciado e da figura acima, assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S). (01) O gás hidrogênio atua na pilha como agente oxidante. (02) A diferença de potencial elétrico padrão da pilha é + 1,23 V. (04) O oxigênio sofre redução. (08)A obtenção de energia elétrica neste dispositivo é um processo espontâneo. (16) A equação global da pilha no estado padrão é 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l) (32) A diferença de potencial elétrico padrão da pilha é + 0,43 V. Soma ( ) 02. (Puc-MG) Uma pilha foi elaborada a partir das associações das meias pilhas: Fe 2+ /Fe e Al 3+ /Al. Sendo dados o E (Fe 2+ /Fe) = - 0,44V e o E (Al 3+ /Al) = -1,66V. Indique qual das montagens a seguir representa CORRETAMENTE a pilha em funcionamento.

8 03. (Puc-PR) Dados os seguintes potenciais: K + (aq) + e - K (s) E 0 = - 2,92 V Ag + (aq) + e - Ag (s) E 0 = - 0,80 V Determine o valor da carga de uma pilha envolvendo estes dois elementos. a) E 0 = +3,72 V b) E 0 = -2,12 V c) E 0 = +2,12 V d) E 0 = -3,72 V e) E 0 = +1,72 V 04. (UFPE) Podemos dizer que, na célula eletroquímica Mg (s) / Mg 2+ (aq) // Fe 2+ (aq) / Fe (s) a) o magnésio sofre redução. b) o ferro é o ânodo. c) os elétrons fluem, pelo circuito externo, do magnésio para o ferro. d) há dissolução do eletrodo de ferro. e) a concentração da solução de Mg 2+ diminui com o tempo. 05. (UFPR) Dados os potenciais de oxi-redução a seguir Ag + (aq) + e - Ag (s) E 0 = + 0,80V Fe 2+ (aq) + 2e - Fe (s) E 0 = - 0,44V Al 3+ (aq) + 3e - Al (s) E 0 = - 1,66V Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) E 0 = + 0,34V É correto afirmar que: (01) Uma pilha formada por um eletrodo de ferro em contato com uma solução contendo íons Fe 2+, e um eletrodo de prata em contato com uma solução contendo íons Ag +, ligados por uma ponte salina, apresenta um potencial padrão de +1,24V. (02) Na mesma pilha da alternativa anterior ocorrerá a oxidação da prata com formação de Ag +. (04) A reação 2Ag (s) + Fe 2+ 2Ag + (aq) + Fe (s) é espontânea. (08) Uma lâmina de alumínio mergulhada em uma solução 1mol/L de CuSO 4 apresentará a formação de um depósito de cobre metálico dobre ela. (16) O alumínio Al (s) é um agente redutor mais forte do que o ferro Fe (s). Soma ( ) 06. (Vunesp-SP) A corrosão de ferro metálico envolve a formação de íons Fe 2+. Para evitá-la, chapas de ferro são recobertas por uma camada de outro metal. Em latas de alimentos a camada é de estanho metálico e em canos d'água, de zinco metálico ou magnésio metálico. Responda: a) Analise os potenciais padrão e explique qual dos metais seria mais eficiente para proteger o ferro metálico. b) Explique por que a camada de zinco e/ou magnésio consegue evitar a corrosão de canos d'água feitos de ferro.

9 c) Por que quando a camada de estanho é danificada, expondo a camada do ferro, a corrosão acontece mais rapidamente do que quando a referida camada está ausente. Dados: Potenciais padrões de redução a 25 C. Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) E 0 = - 0,76 V Fe 2+ (aq) + 2e - Fe (s) E 0 = - 0,44 V Sn 2+ (aq) + 2e - Sn (s) E 0 = - 0,14 V Mg 2+ (aq) + 2e - Mg (s) E 0 = - 2,35 V 07. (Fuvest-SP) Para recuperar prata de soluções aquosas contendo íons Ag +, costuma-se adicionar zinco metálico às soluções, pois a transformação abaixo é espontânea: 2Ag + (aq) + Zn (s) 2Ag (s) + Zn 2+ (aq) Então, podemos concluir que: a) Ocorre transferência de elétrons do Ag + para o Zn. b) O Zn atua como oxidante e o Ag + como redutor. c) O Zn é menos redutor do que Ag. d) O potencial de redução do Ag + /Ag é maior do que o do Zn 2+ /Zn. 08. Dados os potenciais padrão de redução: Al 3+ (aq) + 3e - Al (s) Fe 2+ (aq) + 2e - Fe (s) A ddp da pilha Al/Fe, em condições padrão, é: E 0 = -1,66 V E 0 = -0,44 V a) 2,10 V b) 1,32 V c) 1,22 V d) 1,08 V e) 0,88 V 09. (Cesgranrio-RJ) O esquema adiante representa uma célula voltaica com eletrodos de alumínio e cobalto. Observe a seguir as semi-reações e seus potenciais-padrão de redução: Al 3+ (aq) + 3e - Al 0 (s) Co 2+ (aq) + 2e - Co 0 (s) E = -1,66V E = -0,28V No caso da célula estar em funcionamento, pode-se afirmar que: I - A ddp, também denominada de força eletromotriz (F.E.M) da cédula será 1,38 volts. II - O agente redutor da célula será o Al 0. III - O agente oxidante da cédula será o Co 0.

10 IV - O fluxo de elétrons na cédula se dará do eletrodo de alumínio para o cobalto. V - A solução de Co(NO3)2 sofre um aumento de concentração. Assinale a opção que indica apenas as afirmativas corretas: a) I e III b) II e III c) IV e V d) I, II e IV e) II, IV e V 10. (Uel-PR) Considere a seguinte tabela de potenciais padrão de redução: Zn 2+ (aq) + 2e - Zn (s) E 0 = -0,76V Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) E 0 = +0,34V Na pilha em que ocorre a reação: Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s) prevê-se força eletromotriz, em volts, de a) +2,20 b) +1,10 c) +0,42 d) -0,42 e) -1, (UFF) Considerando as seguintes semi-reações, responda: Al 3+ (aq) + 3e - Al (s) E 0 = -1,66V Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) E 0 = 0,34V a) Indique qual deve ser a reação representativa da célula. b) Calcule a ddp da célula galvânica que se utiliza das semi-reações acima. c) Indique qual a semi-reação representativa do ânodo. 12. (Unesp-SP) Calcule qual a diferença de potencial (voltagem) da bateria que é formada pela ligação em série de 6 pilhas eletroquímicas internas, sabendo que ocorre as seguintes semi-reações. Em seguida, indique qual pólo ocorre cada uma das semi-reações: Pb + SO 2-4 PbSO 4 + 2e - PbSO 4 + 2H 2 O PbO 2 + SO H + + 2e - E 0 = +0,34V E 0 = -1,66V 13. (UFV) A seguir são feitas algumas afirmativas sobre a célula galvânica representada abaixo: Potenciais padrão de redução (E ): Ag + (aq) + e - Ag (s) E 0 = + 0,79 Volts Pb 2+ (aq) + 2e - Pb (s) E 0 = - 0,13 Volts

11 I A ddp da pilha (E ) é 0,92 Volts. II O eletrodo de prata será o ânodo nesta célula. III Ocorre passagem espontânea de elétrons do eletrodo de chumbo para o de prata. IV A reação global dessa célula é: 2Ag (s) + Pb 2+ (aq) 2Ag + (aq) + Pb (s) São afirmativas CORRETAS: a) I, II e IV b) I e III c) II e III d) II e IV e) I e IV 14. (Mackenzie-SP) Para as semi-reações a seguir: Ni 2+ (aq) + 2e - Ni (s) Ag + (aq) + e - Ag (s) Indique o E da pilha, o cátodo e o ânodo, respectivamente: Dados: E 0 red Ag = + 0,80V; E 0 red Ni = - 0,24V (a 25 C e 1 atm) a) + 1,04 V, prata, níquel. b) + 1,04 V, níquel, prata. c) - 0,56 V, prata, níquel. d) - 1,04 V, níquel, prata. e) + 0,56 V, prata, níquel.

12 Respostas Resposta: = Resposta: letra A 3. E 0 = E 0 maior E 0 menor E 0 = -0,8 (-2,92) E 0 = 2,12V Resposta: letra C 4. Resposta: letra C 5. Resposta: = 2 6. Respostas: a) Qualquer metal que tenha Resposta: letra C 9. Resposta: letra D 10. E 0 = E 0 maior E 0 menor E 0 = 0,34 (-0,76) E 0 = +1,10V Resposta: letra B 11. Respostas: a) 2Al (s) + 3Cu 2+ (aq) 2Al 3+ (aq) + 3Cu (s) b) E = 0,34 - (-1,66) = 2,00 V menor potencial de c) 2Al (s) 2Al 3+ (aq) + 6e - redução que o ferro 12. E 0 = E 0 maior E 0 menor poderá agir como metal E 0 = +0,34 (-1,66) de sacrifício, a exemplo E 0 = 2,0V x 6 = 12V do magnésio e do zinco, Resposta: 12,0V porém o de maior eficiência seria o de Polo negativo: magnésio, por apresentar Pb + SO 2-4 PbSO 4 + 2e - menor potencial de E 0 = +0,34V redução. Polo positivo: b) Tanto o magnésio quanto PbSO 4 + 2H 2 O o zinco por apresentar 2- PbO 2 + SO 4 + 4H + + 2e - menor potencial de E 0 = -1,66V redução que o cano de 13. Resposta: letra B ferro, atua como eletrodo 14. E 0 = E 0 maior E 0 menor de sacrifício, tanto um E 0 = +0,8 (-0,24) como outro é corroído E 0 = +1,04V enquanto o ferro fica a Cátodo Ag salvo no estado reduzido. Ânodo Ni c) Este fato ocorre devido ao Resposta: letra A estanho ter maior potencial de redução do que o ferro, ou seja, o estanho tem maior tendência a se reduzir frente ao ferro, este último em contato com o oxigênio atmosférico terá uma rápida oxidação. 7. Resposta: letra D 8. E 0 = E 0 maior E 0 menor E 0 = -0,44 (-1,66) E 0 = 1,22V