ELETROQUÍMICA Prof: Luiz Cláudio

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1 ELETROQUÍMICA Prof: Luiz Cláudio
A matéria é constituída de partículas eletricamente carregadas; assim, não é surpreendente que seja possível converter a energia química em energia elétrica e vice-versa??? Prof: Luiz Cláudio

2 Eletroquímica É a parte da Química que estuda a relação entre a corrente elétrica e as reações químicas. Energia química energia elétrica pilhas eletrólise

3 Células galvânicas ou eletroquímicas
Um dispositivo que permite a interconversão de energia química e elétrica Pilhas: a energia química é convertida em energia elétrica. Neste caso a reação química é espontânea. Células eletrolíticas: a energia elétrica é convertida em energia química. Neste caso a energia elétrica de uma fonte externa é utilizada para produzir reações químicas.

4 REAÇÕES DE OXI-REDUÇÃO
Reações que se caracterizam pela transferência de elétrons. Zn0 + CuSO ZnSO4 + Cu0 Lâmina de Zn Zn 15 a 20 minutos Solução com menos CuSO4 e um pouco de ZnSO4 Solução aquosa de CuSO4 Depósito de Cu

5 PILHAS É um dispositivo onde uma reação de óxido-redução espontânea produz corrente elétrica. Neste caso, o Zn0 entrega os elétrons ao Cu2+ através de um fio externo – teremos a chamada pilha de Daniell.

6 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 (1790 – 1845): substituiu, nas pilhas, as soluções ácidas pelas soluções de sais.

7 Funcionamento da pilha:
Em 1836, John Frederick Daniell construiu uma pilha com eletrodos de cobre e zinco em uma cela individual e um tubo que ligava as soluções salinas (ponte salina). Esta pilha ficou conhecida como pilha de Daniell. Funcionamento da pilha: Semelhante a de Volta: possuem os mesmos eletrodos; Diferenças em relação a de Volta: os eletrodos estão em compartimentos separados, e a utilização da ponte de salina, que é responsável pelo fechamento do circuito elétrico.

8 Ânodo/Solução do ânodo//Solução do cátodo/Cátodo
Denominações dos materiais utilizados nas pilhas Ânodo: eletrodo que emite elétrons para o circuito externo Cátodo: eletrodo que recebe elétrons do circuito externo Ponte de salina: permite a movimentação de íons de uma cela para outra, nos dois sentidos Representação convencionada pela IUPAC para as pilhas Ânodo/Solução do ânodo//Solução do cátodo/Cátodo Zn0(s)|Zn2+ (1mol/L) || Cu2+ (1 mol/L) |Cu0(s) (25 0C)

9 Co0(s) | Co2+ (1mol/L) || Au3+ (1mol/L) | Au0 (s) (25 0C)
Exercício de sala... Sabendo que o metal cobalto pode ceder elétrons espontaneamente para os íons Au3+, e considerando a pilha: Co0(s) | Co2+ (1mol/L) || Au3+ (1mol/L) | Au0 (s) (25 0C) responda as seguintes perguntas: a) Quais as semi-reações? Qual a reação global do processo? b) Quem se oxida? Quem se reduz? c) Qual é o eletrodo positivo? Qual é o eletrodo negativo? d) Em que sentido fluem os elétrons pelo fio? e) Qual eletrodo será gasto? Qual tera a sua massa aumentada? f) Qual das duas soluções irá se diluir? Qual irá se concentrar?

10 Potencial do eletrodo Eoxid Ered
É a tendência em deslocar o equilíbrio da reação para o sentido da oxidação ou redução, é simbolizado por E. Eoxid Ered Fatores que interferem no potencial do eletrodo: Temperatura Concentração dos íons da solução Maior temperatura do eletrodo  maior tendência a perder elétrons  maior Eoxid Menor Eoxidmaior Eredmaior tendência a receber e-maior conc. cátions

11 Medida de potencial do eletrodo
A medida do potencial do eletrodo é efetuada nas seguintes condições: - Temperatura de 25 0C; Concentração da solução igual a 1 molar; Pressão de 1 atm. O valor medido é o potencial normal do eletrodo, simbolizado por E0. O potencial padrão de hidrogênio é o referencial usado para medida de potencial do eletrodo e a unidade de medida convencional para potencial elétrico é o volt (V).

12 Eletrodo padrão de hidrogênio
Solução 1M de um ácido; Fluxo de gás hidrogênio, p = 1 atm e T = 25 0C; Lâmina de platina (absorve este gás na superfície do metal) 2H e H2(g) Ao eletrodo padrão de hidrogênio associou-se o valor nulo. Então, para medir o potencial normal do eletrodo de zinco, basta ligá-lo ao eletrodo padrão em uma montagem semelhante a pilha de Daniell

13 Medida do potencial do eletrodo
Para o eletrodo de zinco: O voltímetro acusa uma ddp de 0,76V e indica que o movimento dos elétrons é do eletrodo Zn0/Zn2+ para o eletrodo padrão. Eletrodo Zn0/Zn2+ : E0oxid = +0,76 V E0red = -0,76 V Eletrodo padrão : E0oxid = 0 V Para o eletrodo de cobre: O voltímetro acusa uma ddp de 0,34V e indica que o movimento dos elétrons é do eletrodo padrão para o eletrodo Cu0/Cu2+. Eletrodo Cu0/Cu2+ : E0red = +0,34 V E0oxid = -0,34 V Eletrodo padrão : E0red = 0 V

14 Exercício de sala... Observe a tabela: Semi-reação E0red
Al e-  Al -1,66V Co e-  Co -0,28V Qual deles se reduz mais facilmente? Qual deles se oxida mais facilmente? Qual o melhor agente redutor? Qual o melhor agente oxidante? Qual o valor do E0oxid do eletrodo Al?

15 Cálculo da ddp (E0) ou força eletromotriz (fem)
E0 = E0oxid + E0red Assim, para a pilha de Daniell, temos: Eletrodo Zn0/Zn2+ : E0oxid = +0,76 V Eletrodo Cu2+/Cu0 : E0red = +0,34 V E0 = +0,76 + 0,34 = 1,10 V

16 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 E0 é sempre positivo. Isto nos permite prever a ocorrência de reações de oxirredução. Verifique se ocorre a seguinte reação: Cu0 + Fe2+  Cu Fe0 Na tabela de potenciais observa-se que: Cu e-  Cu E0red = + 0,34 V Fe e-  Fe E0red = - 0,44 V E0 = E0oxid + E0red = - 0,34 – 0,44 = - 0,78 V Como E0 < 0, o processo não é espontâneo, e a reação não ocorre

17 Tipos de pilha PILHA DE MÃO
Constituída de dois eletrodos: um de cobre e outro de alumínio, conectadas a um voltímetro. Nos dois pólos: negativo (alumínio) e positivo (cobre) ocorrem as semi-reações de oxidação e redução, respectivamente. Mas a pilha só entra em funcionamento quando o circuito é fechado, e isto ocorre no momento em que uma pessoa coloca suas duas mãos nos eletrodos. Os sais presentes no suor das mãos estão dissociados em íons que são responsáveis pelo transporte da corrente elétrica. A pilha de mãos funciona com duas ou mais pessoas. Entretanto, o fluxo da corrente elétrica fica mais fraco, aumentando a resistência e consequentemente diminuindo a intensidade de corrente elétrica.

18 ACUMULADOR OU BATERIA DE CHUMBO
Inventado pelo francês Gaston Piantei em 1860. É uma associação de pilhas ligadas em série. O potencial de cada pilha é aproximadamente 2V. Uma bateria de pilhas, que é a mais comum nos carros modernos, fornece uma tensão de 12V. Constituída de dois eletrodos; um de chumbo e o outro de dióxido de chumbo, ambos mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico com densidade aproximada de 1,30g/mL.. Quando o circuito externo é fechado, conectando eletricamente os terminais, a bateria entra em funcionamento (descarga), ocorrendo a semi-reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo. Durante o funcionamento normal de um automóvel, a bateria fornece eletricidade para dar partida; para acender os faróis; ligar o rádio, limpador, setas, buzina, etc. e recebe energia do gerador para se recarregar.

19 PILHA DE LECLANCHÉ (PILHA SECA ou PILHA COMUM)
Inventada em 1866 pelo engenheiro francês George Leclanhé ( ). Dão voltagem de 1,5V, e são extensivamente usadas em lanternas, rádios portáteis, gravadores, brinquedos, flashes, etc. Formada por um cilindro de zinco metálico, que funciona como ânodo, separado das demais espécies químicas presentes na pilha por um papel poroso. O cátodo é o grafite coberto por uma camada de dióxido de manganês, carvão em pó e uma pasta úmida contendo cloreto de amônio e cloreto de zinco. A expressão pilha seca é apenas uma designação comercial que foi criada para diferenciar este tipo de pilha (revolucionário na época) da pilha de Daniell.

20 PILHA SECA ALCALINA ou PILHA COMUM ALCALINA
São semelhantes à de Leclanché. As principais diferenças são: A mistura eletrolítica contém KOH ou NaOH, ao invés de NH4Cl O ânodo é feito de zinco altamente poroso, que permite uma oxidação mais rápida em relação ao zinco utilizado na pilha seca comum. Comparando-as com as pilhas secas comuns, as alcalinas são mais caras, mantêm a voltagem constante por mais tempo e duram cinco vezes mais. Por que será que as pilhas alcalinas duram mais que as comuns??? Nas pilhas alcalinas, o meio básico faz com que o eletrodo de zinco sofra um desgaste mais lento, comparado com as pilhas comuns que possuem um caráter ácido.

21 SABENDO MAIS... Porque uma bateria de automóvel (chumbo) dura tanto tempo? Em uso contínuo, a bateria de chumbo duraria poucas horas, mas no automóvel, ela é recarregada pelo gerador, através da aplicação de uma diferença de potencial superior a da bateria em sentido contrário (eletrólise). É correto colocar água na bateria de chumbo? As constantes recargas efetuadas pelo gerador na bateria de chumbo, causa também a decomposição da água da solução da bateria, por isso, periodicamente coloca-se água destilada Quando a bateria de chumbo fica totalmente descarregada? Durante a descarga da bateria o ácido sulfúrico é consumido, com isso a concentração e a densidade da diminuem gradativamente. Quando a densidade atinge valores inferiores a 1,20g/mL, a bateria está praticamente descarregada.

22 SABENDO MAIS... Depois que a pilha comum para de funcionar (descarrega) ela pode ser recarregada e voltar a funcionar novamente? Não. Porque a pilha de Leclanché não é recarregável (semi-reação de redução irreversível). A pilha cessa seu funcionamento quando todo o dióxido de manganês é consumido. Se colocarmos uma pilha gasta na geladeira ela é recarregada? Não, ela volta a funcionar durante algum tempo, porque a baixa temperatura faz com que o gás amônia seja removido, o que não significa que ela foi recarregada.

23 SABENDO MAIS... Será que a pilha comum dura mais se intercalar períodos de uso e de repouso? Sim. Pois ao utilizar continuamente a pilha, os gases formados: hidrogênio e gás amônia impedem o fluxo de cargas elétricas fazendo com que a corrente caia. Retirando a pilha do aparelho, após um certo tempo ela irá funcionar, pois as bolhas gasosas formadas serão desfeitas. E na água quente a pilha é recarregada? Recarregada não, mas o aumento de temperatura irá favorecer a perda de elétrons, fazendo com que ela funcione por mais algum tempo.

24 Exercício de sala... Dê a equação global e calcule a diferença de potencial de uma pilha com eletrodos de magnésio e chumbo. A seguir, faça um esquema da montagem dessa pilha, indicando o ânodo e o cátodo. Verifique se a reação, a seguir representada é espontânea: Co0 + FeSO4  CoSO4 + Fe0 Calcule a ddp de uma pilha com eletrodos de alumínio e cobre. Quem se oxida e quem se reduz? Dada a seguinte representação de pilha: Al0(s)|Al3+(1mol/L)||Fe2+(1mol/L)|Fe0(s) (250C). a) Escreva as semi-reações balanceadas b)Considerando uma solução de sulfato dos respectivos metais, que solução ficará concentrada e qual ficará diluída?

25 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 H2O + 6e-  6OH- Reação global: 2Fe + 3/2O2 + 3H2O  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

26 Corrosão de outros metais
O cobre e algumas ligas: recoberto por uma camada esverdeada Cu+O2+H2O+CO2 CuO.xH2O+Cu(OH)2.xH2O+CuCO3.xH2O+outros comp. azinavre A prata: película superficial escura Ag + H2S + O2 + compostos sulfurados  Ag2S + outros compostos

27 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

28 Proteção contra corrosão
Pintura (mais comum) lixar o metal (para eliminar a película de ferrugem já formada); tinta a base de zarcão (Pb3O4); Tintas especiais. 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. Obs.: chapas de aço podem ainda ser protegidas por uma película de estanho, dando origem à lata comum (fabrico de latas de conserva).

29 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.

30 ELETRÓLISE Fenômeno contrário ao da pilha. Um processo não espontâneo provocado pela corrente elétrica (E0 < 0). É uma reação de oxi-redução provocada pela corrente elétrica. Para este processo inverso, têm-se que fornecer uma grande quantidade de energia (elétrica), que irá promover a descarga dos íons do cátodo para o ânodo. Formas de eletrólise: Eletrólise ígnea: fusão de uma substância iônica Eletrólise em meio aquoso: dissociação ou ionização da substância em meio aquoso.

31 ELETRÓLISE - + No processo da eletrólise há: Um circuito elétrico
Um gerador elétrico Uma célula eletrolítica + Gerador saída de eléltrons entrada de eléltrons Célula eletrolítica Eletrodo positivo ou anodo Eletrodo negativo ou catodo -

32 ELETRÓLISE cátodo anodo Nas pilhas É o polo + ocorre reduções
ocorre oxidações Na eletrólise

33 GALVANIZAÇÃO É uma das aplicações práticas da eletrólise.
Consiste na deposição de finas películas de metais sobre peças metálicas ou plásticas A galvanoplastia é a tecnologia responsável pela transferência de íons metálicos de uma dada superfície sólida ou meio líquido denominado eletrólito, para outra superfície, seja ela metálica ou não. A galvanização é um processo para proteção contra corrosão de peças de aço ou ferro fundido, altamente durável e de baixo custo.