Eletroquímica PROF. SAUL SANTANA

Transcrição

1 Eletroquímica PROF. SAUL SANTANA

2 Como o Cobre é mais nobre que o Zinco, ele reduz oxidando o zinco

3 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas Forma metálica e forma oxidada Ferro oxidado (minério) Nox = +2 ou +3 Ferro reduzido Nox = 0

4 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas

5 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas Formação da ferrugem

6 PILHA: Dispositivo em que uma reação de oxirredução (reação redox) espontânea gera energia elétrica.

7 CONCEITOS BÁSICOS: oxidar : DAR elétrons, o NOX Aumenta. REduzir : REceber elétrons, o NOX Reduz. AGENTE OXIDANTE: Substância com o elemento que REDUZIU. AGENTE REDUTOR: Substância com o elemento que OXIDOU.

8 Os elétrons migram do eletrodo em que ocorre oxidação (ÂNODO) para o eletrodo em que ocorre redução (CÁTODO)

9 Após o funcionamento da pilha

10 Sentido dos elétrons Maior E oxid para o menor E oxid

11 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas Eletrodo que recebe elétrons Eletrodo que doa elétrons Sofre redução Sofre oxidação Cátodo Polo + Ânodo

12 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas Agentes oxidantes e redutores mais eficazes

13 HISTÓRICO Luigi Aloisio Galvani ( ): criou uma teoria admitindo a existência de uma eletricidade animal Alessandro Volta ( ): a eletricidade tem origem nos metais. Criou a 1ª pilha em Precursor da produção de eletricidade em fluxo contínuo. Ele empilhou alternadamente discos de zinco e de cobre, separando-os por pedaços de tecido embebidos em solução de ácido sulfúrico. A pilha de Volta, produzia energia elétrica sempre que um fio condutor era ligado aos discos de zinco e de cobre, colocados na extremidade da pilha. John Frederic Daniell ( ): Em 1836 substituiu, nas pilhas, as soluções ácidas pelas soluções de sais.

14 A Pilha de Volta

15 PILHA DE DANIEL

16 Nomenclatura dos Eletrodos

17 Equações da pilha

18 Medindo a ddp de uma Pilha Experiência: seja a pilha de Daniell, na qual intercalaremos no fio condutor um voltímetro (aparelho usado para medida da ddp). A ddp registrada para a pilha zinco-cobre é igual a 1,10 V, ou seja, a ddp entre os eletrodos de zinco e cobre é igual a 1,10 V.

19 Espontaneidade de reações de oxirredução e pilhas Agentes oxidantes e redutores mais eficazes Como calcular o potencial eletroquímico das reações de oxirredução

20 Pilha e espontaneidade As reações que ocorrem em uma pilha são espontâneas, pois basta montar a aparelhagem para que o processo se efetue por si próprio. Em um processo espontâneo, o valor de E 0 é sempre positivo. Isto nos permite prever a ocorrência de reações de oxirredução. Verifique se ocorre a seguinte reação: Na tabela de potenciais observa-se que: Cu e - Cu 0 E 0 red = + 0,34 V Fe e - Fe 0 E 0 red = - 0,44 V E 0 = E 0 maior + E 0 menor = +0,34 (-0,44) = + 0,78 V Como E 0 > 0, o processo é espontâneo, e a reação ocorre

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22 Metais com maior potencial de redução (maior E red ) Platina O mais nobre dos metais, grande tendência à redução. Ouro Prata Cobre Mercúrio

23 Tipos de pilhas e baterias primárias mais comuns As pilhas, ou células eletroquímicas, e as baterias são dispositivos em que a energia química é transformada em energia elétrica de modo espontâneo.a pilha é formada somente por dois eletrodos e um eletrólito, enquanto que a bateria é um conjunto de pilhas em série ou em paralelo. As pilhas primárias são dispositivos não recarregáveis, sendo que quando a reação de oxirredução que ocorre dentro delas cessa, elas devem ser descartadas. Para cada equipamento é indicado um tipo de pilha e, entre as pilhas primárias usadas atualmente, temos que as principais são: pilhas secas de Leclanché (pilhas comuns ou pilhas ácidas), pilhas alcalinas e pilhas de lítio/dióxido de manganês. Veja o que as diferencia e para quais equipamentos elas são indicadas:

24 Dentre dos 8 tipos de pilhas existentes, poucas são conhecidas. Confira cada uma delas: Pilha de lítio: É aquela que usamos em calculadoras, câmeras fotográficas, controle remoto e tem tensão de 3V; Pilha de botão com óxido: São as que utilizamos nos relógios e possuem tensão de 1,55V; Pilha Seca: São utilizadas em lanternas, brinquedos, alarmes e possuem tensão de 1,5V; Pilha Alcalina: A mais conhecida de todas que é usada em equipamentos portáteis de som, jogos, câmeras fotográficas e, assim como a pilha seca, também possui tensão de 1,5V; Pilha de botão zinco-ar: São utilizadas nos aparelhos auditivos e possuem tensão de 1,4V; Pilha ou Acumulador NiCad: São utilizadas em ferramentas elétricas, telefones sem fio e possuem tensão de 1,2V; Acumulador de Li-Ion: Usadas em câmeras de vídeo digital e PC portáteis, sua tensão é de 3,6V; Acumulador NiMH: São utilizadas também em telefones sem fio, câmeras e PC portátil e possui tensão de 1,2 V.

25 Pilha de Leclanché

26 Esse tipo de pilha é indicado para equipamentos que requerem descargas leves e contínuas, como controle remoto, relógio de parede, rádio portátil e brinquedos

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28 02 - Pilhas alcalinas: Seu funcionamento se assemelha muito com o das pilhas secas de Leclanché, porém, a única diferença está que no lugar do cloreto de amônio (que é um sal ácido), coloca-se uma base forte, principalmente o hidróxido de sódio (NaOH) ou o hidróxido de potássio (KOH). Semirreação do Ânodo: Zn + 2 OH ZnO + H 2 O + 2e - Semirreação do Cátodo: 2 MnO 2 + H 2 O + 2e - Mn 2 O OH Reação global: Zn +2 MnO 2 ZnO + Mn 2 O 3

29 As pilhas alcalinas são mais vantajosas que as ácidas no sentido de que elas têm uma maior durabilidade, em geral, oferecem de 50 a 100% mais energia que uma pilha comum do mesmo tamanho, além de haver menos perigo de vazamentos. São indicadas principalmente para aparelhos que exigem descargas rápidas e mais intensas, como rádios, tocadores de CD/DVD e MP3 portáteis, lanternas, câmeras fotográficas digitais etc

30 03 - Pilhas de lítio/dióxido de manganês: Essas pilhas são leves e originam uma grande voltagem (cerca de 3,4 V), devido a isso, elas são muito utilizadas em equipamentos pequenos como relógios e calculadoras. O ânodo é o lítio, o cátodo é o dióxido de manganês e o eletrólito é uma solução salina: Diferentemente dos casos anteriores, o seu formato é de moeda, como mostra a imagem a seguir:

31 Semirreação do Ânodo: Li Li + + e Semirreação do Cátodo: MnO 2 + Li + + e MnO 2 (Li) Reação global: Li + MnO 2 MnO 2 (Li)

32 04 - Baterias de chumbo usadas em automóveis: O ânodo dessa bateria é formado por placas de chumbo metálico, e o cátodo é formado por placas de chumbo revestidas de PbO 2(s). Essas placas são intercaladas e separadas por papelão ou plástico e mergulhadas em uma solução de ácido sulfúrico concentrado, formando uma série de seis pilhas, com 2V cada e fornecendo um total de diferença de potencial de 12 V. O chumbo oxida-se, perdendo elétrons, enquanto o dióxido de chumbo reduz-se, ganhando elétrons: Ânodo: Pb +HSO H 2 O PbSO 4 + H 3 O e - Cátodo: PbO 2 + HSO H 3 O e - PbSO H 2 O Reação global: Pb + PbO HSO H 3 O 1+ 2 PbSO H 2 O

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34 05 - Bateria de celular (bateria de íon lítio): O cátodo dessa bateria é um composto de óxido de lítio e cobalto, e o ânodo é o carbono, sendo que esses dois eletrodos estão separados por um eletrólito não condutor. O seu funcionamento ocorre pelo movimento dos íons de lítio do ânodo em direção ao cátodo através do eletrólito: Ânodo: Li y C 6 (s) + y Li + (solv) + y e- Li x+y CoO 2(s) Cátodo: Li x CoO 2 (s) + y Li + (s) + y e - Li x+y CoO 2(s) Reação Global: Li y C 6(s) 6 C (s) + y Li + (solv) + y e -

35 06 - Pilha ou bateria de níquel/cádmio: O ânodo dessa bateria é uma liga de ferro e cádmio, e o cátodo é revestido por uma camada de hidróxido (ou óxido) de níquel III: Ânodo: 1 Cd (s) + 2 OH - (aq) 1 Cd(OH) 2(s) + 2e - Cátodo: 2 NiOOH + 4 H 2 O (?) + 2e- 2 Ni(OH) 2. H 2 O (s) +2 OH - (aq) Reação global: 1 Cd (s) + 2 NiO(OH) + 2 H 2 O (?) 1 Cd(OH) 2(s) + 2 Ni(OH) 2(s)

36 07 - Bateria de hidreto metálico/óxido de níquel (NiMH): Suas atribuições principais são semelhantes à bateria de níquelcádmio, mas com a modificação de que o ânodo é constituído por uma liga metálica que contém hidrogênio absorvido, formando um hidreto metálico: Ânodo: MH (s) + OH - (aq) M (s) + H 2 O (?) + e - Cátodo: NiOOH (s) + 2 H 2 O (?) + e - Ni(OH) 2. H 2 O (s) + OH - (aq) Reação global: 1 Cd (s) + 2 NiO(OH) + 2 H 2 O (?) 1 Cd(OH) 2(s) + 2 Ni(OH) 2(s)

37 Pilha de limão

38 Corrosão Uma deterioração dos metais provocada por processos eletroquímicos. O ferro, por exemplo, enferruja por que se estabelece uma pilha entre um ponto e outro do objeto de ferro. Reação no anodo: 2Fe 2Fe e - Reação no catodo: 3/2O 2 + 3H 2 O + 6e - 6OH - Reação global: 2Fe + 3/2O 2 + 3H 2 O 2Fe(OH) 3 Na formação da ferrugem: A presença do ar e da umidade são fundamentais A presença, no ar, de CO2, SO2 e outras substâncias ácidas acelera a corrosão Ambientes salinos aceleram a corrosão

39 Corrosão de outros metais O cobre e algumas ligas: recoberto por uma camada esverdeada Cu+O 2 +H 2 O+CO 2 CuO.xH 2 O+Cu(OH) 2.xH 2 O+CuCO 3.xH 2 O+outros comp. azinavre A prata: película superficial escura Ag + H 2 S + O 2 + compostos sulfurados Ag 2 S + outros compostos

40 Materiais que resistem a corrosão Materiais utilizados em próteses ortopédicas: Aço inoxidável, platina e titânio: resistem bem aos efeitos da corrosão. Alumínio Apesar de ter um potencial de oxidação elevado ocorre a apassivação do alumínio

41 Proteção contra corrosão Pintura (mais comum) -lixar o metal (para eliminar a película de ferrugem já formada); -tinta a base de zarcão (Pb 3 O 4 ); -Tintas especiais.

42 Proteção contra corrosão Revestimento com a película de zinco (folhas de zinco ou chapas galvanizadas). Adição da chapa de aço em Zn derretido ou depósito de zinco sobre o ácido por meio de eletrólise.

43 Proteção contra corrosão *Folha de flandres chapas de aço podem ainda ser protegidas por uma película de estanho, dando origem à lata comum (fabrico de latas de conserva).

44 Proteção contra corrosão Metal de sacrifício: associação de um metal mais reativo na estrutura. Este metal será corroído mais depressa, retardando a corrosão do metal de interesse Exemplo: A corrosão de canalizações de água, oleodutos e tanques subterrâneos, constituídos de aço ou ferro, podem ser retardadas ligando blocos de magnésio, que será corroído mais depressa.

45 F I M PROFESSOR SAUL SANTANA A QUIMICA DO BEM.