Princípios de Eletroquímica Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Curso de Engenharia Química Princípios de Eletroquímica TQ-134 – Turma A Prof. Dr. Mário J. Dallavalli dalla@ufpr.br

Princípios de Eletroquímica Aula 01

Estudo da interconversão entre energia elétrica e reações químicas Eletroquímica Estudo da interconversão entre energia elétrica e reações químicas

(1) Varela, H.; Malta, M.; Torresi, R. M.; Quim. Nova 2000, 23, 664. Eletroquímica Def.: Eletroquímica é a ciência que trata das relações entre química e eletricidade, descrevendo os fenômenos que ocorrem na interface de um condutor eletrônico, o eletrodo, com um condutor iônico, o eletrólito(1). Dois processos complementares ocorrem durante uma reação eletroquímica: a transferência de carga elétrica na interface eletrodo/eletrólito e, o transporte de massa das espécies redox dentro do eletrólito, que pode acontecer por difusão, convecção ou migração. O conhecimento desses dois processos é de grande importância, pois permite entender a relação entre estrutura e natureza físico-química das espécies que participam da reação, bem como dos fenômenos eletroquímicos ocorridos1. (1) Varela, H.; Malta, M.; Torresi, R. M.; Quim. Nova 2000, 23, 664.

Processos Eletroquímicos A eletroquímica, reações e o fenômeno em si, são utilizados na purificação e refinação de metais, na produção eletrolítica de comodities químicas, na conversão de energia química em energia elétrica nas pilhas, baterias e células a combustível, na transformação de matérias primas para dispositivos de microeletrônica, e no uso de eletrodos e sensores para controlar e monitoração de espécies químicas e avaliação de danos estruturais. Processos eletroquímicos abrangem 1/9 da Indústria Química nos Estados Unidos. A produção eletroquímica de cloro e alumínio em si consome mais de 5 % da energia elétrica gerada nos Estados Unidos. A corrosão, também um processo eletroquímico, tem um enorme impacto econômico. Estudos mostram que o custo anual de corrosão para os E.U.A. para a economia é da ordem de US $ 200 bilhões. Exemplos quotidianos incluem a corrosão de barras de reforço em concreto para pontes e estradas, bem como a deterioração das estruturas metálicas em plantas químicas e nucleares. Processos corrosivos tem, também, um enorme impacto na geração de energia elétrica, trocadores de calor para refrigeração, indústrias marítimas, transformação de alimentos, transporte, embalagem e montagem de componentes eletrônicos, a exploração do espaço, e a defesa nacional.

Bibliografia recomendada: DENARO, A. R., Fundamentos de eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974 BRETT, A. M. O., Eletroquímica princípios, métodos, e aplicações. Ed. Oxford, 1993. PLETCHER, D., Industrial electrochemistry, Ed. Chapman and Hall, 1982. GENTIL, V., Corrosão, 5ª ed., Ed. LTC, 2007.

Programa: Eletroquímica Engenharia Eletroquímica Princípios Células eletroquímicas Região interfacial Cinética e reações de eletrodo Transporte de massa Reatores Engenharia Eletroquímica Custos de processos eletrolíticos Parâmetros da eletrólise Indústrias Cloro-alcali Alumínio

Programa: (cont.) Corrosão Princípios Formas de corrosão Indústrias (cont.) Extração e refino de metais Processos eletrolíticos inorgânicos – (eletrólise da água Eletrosíntese de orgânicos – (hidromerização da acrinonitrila – Nylon) Acabamento de metais (Galvanoplastia, Anodização) Baterias Células a combustível Tratamento de água e proteção ao meio ambiente Corrosão Princípios Formas de corrosão Proteção contra a corrosão

Nomenclatura Eletroquímica A seguir está descrita a nomenclatura hoje utilizada no estudo da eletroquímica ELETRODOS: São assim chamadas as partes metálicas que estão em contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica. ÂNODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula ENTRA na solução. CÁTODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula DEIXA a solução. d) ELETRÓLITOS: São assim chamadas todas as soluções que CONDUZEM a corrente elétrica. e) ÍONS: São assim chamadas as partículas carregadas que se movimentam na solução.

OBS. Lembrando que o sentido convencionalmente adotado para a corrente elétrica é o sentido oposto ao da movimentação dos elétrons, ânodo e cátodo podem ser redefinidos como segue: ÂNODO: Eletrodo do qual saem os elétrons para o circuito externo da célula. CÁTODO: Eletrodo no qual entram os elétrons através do circuito externo da célula. f) CÉLULA ELETROQUÍMICA: Todo sistema formado por um circuito externo que conduza a corrente elétrica e interligue dois eletrodos que estejam separados e mergulhados num eletrólito.

ELETROQUÍMICA

Tipos de Células Eletroquímicas Célula Galvânica – reação ocorre naturalmente - Pilha - potencial positivo (Ecel = +) - exotérmica  produz energia Ânodo = (-) e Cátodo = (+) Célula Eletrolítica – reação não ocorre naturalmente, requer estimulo externo (energia) para ocorrer – Célula p/ Cloro-Soda - potencial negativo (Ecell = -) - endotérmica  requer energia Ânodo = (+) e Cátodo = (-) Células quimicamente reversíveis – células as quais revertem a direção da corrente simplesmente revertendo-se a reação química – Bateria Pb/Ácido

Célula Galvânica

Célula galvânica, baseada na reação Zinco-Cobre ELETRODOS: Célula galvânica, baseada na reação Zinco-Cobre

Célula Galvânica No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:   No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação: Reação Global:

Células galvânicas “Regras” para células galvânicas: RESUMO: “Regras” para células galvânicas: 1. No ânodo os elétrons são produtos (oxidação). 2. No cátodo os elétrons são reagentes (redução). 3. Os elétrons não podem nadar. Os elétrons fluem do ânodo para o cátodo. Conseqüentemente, o ânodo é negativo e o cátodo é positivo. Os elétrons não conseguem fluir através da célula, eles têm que ser transportados por um condutor eletrônico (eletrodo) e um condutor iônico (íons), vide regra 3.

Célula Eletrolítica - Célula de Membrana Produção de Cloro e Soda

Produção de Cloro e Soda Células de diafragma Catodo perfurado de aço ou ferro, e Anodo de titânio recoberto de platina ou óxido de platina. Ao catodo se adere um diafragma poroso de fibras de asbesto misturado com outras fibras como o politetrafluoroetileno.