Pilhas e Baterias uma oxidação útil Química – 12º Ano Marília Peres

Reações de oxidação-redução Uma reação de oxidação-redução, ou reação redox, é uma reação em que há transferência total ou parcial de eletrões, como se verifica pela variação dos números de oxidação de alguns elementos.  Uma reação de oxidação-redução é constituída por duas semirreações simultâneas: a semirreação de oxidação e a semirreação de redução.  Na semirreação de oxidação há aumento do número de oxidação (n.o.) de um elemento, enquanto na semirreação de redução há diminuição do número de oxidação (n.o.) de um elemento.  Reação de dismutação ou de auto oxidação-redução é uma reação de oxidação-redução onde o mesmo elemento é simultaneamente reduzido e oxidado. Marília Peres

Acerto de equações de Oxidação-Redução (meio ácido) Escrever as semiequações de oxidação e de redução Acertar os átomos em cada equação exceto os de O e H Acertar os átomos de O, acrescentando moléculas de H2O Acertar os átomos de H, acrescentando iões H+ Acertar as cargas, acrescentando eletrões no membro com excesso de carga + Acertar os eletrões captados e libertados multiplicando as semiequações por um factor Somar as semiequações membro a membro Marília Peres

Acerto de equações de Oxidação - redução (meio alcalino) Escrever as semiequações de oxidação e de redução Acertar os átomos em cada equação exceto os de O e H Acertar os átomos de O, acrescentando iões OH- Acertar os átomos de H, acrescentando moléculas de H2O, por cada átomo de H a acertar; adicionar o mesmo número de iões OH- ao outro membro. Acertar as cargas, acrescentando eletrões no membro com excesso de carga + Acertar os eletrões captados e libertados multiplicando as semiequações por um factor Somar as semiequações membro a membro Marília Peres

Galvani e Volta 1781 Luigi Galvani a partir de estudos, realizados em coxas de rã descobriu que músculos e células nervosas eram capazes de produzir eletricidade, que ficou conhecida como então como a eletricidade galvânica. Tal observação fez com que Galvani investigasse a relação entre a eletricidade e a animação - ou vida. Por isso é atribuída a Galvani a descoberta da bioeletricidade. Fonte: http://www.codecheck.com/cc/HistoryOfElectricity2.html Marília Peres

Galvani e Volta 1800 Alessandro Volta desenvolveu a pilha voltaica (comprovando que para a produção de eletricidade, a presença de tecido animal não era necessária), um predecessor da bateria elétrica. Volta determinou que os melhores pares de metais dissimilares para a produção de electricidade eram zinco e prata. Fonte: http://www.codecheck.com/cc/HistoryOfElectricity2.html Marília Peres

Energia elétrica a partir de reações de oxidação-redução pilhas eletroquímicas ou células galvânicas Uma das aplicações mais úteis das reações de oxidação-redução é a produção de eletricidade. As pilhas eletroquímicas, também chamadas células voltaicas ou células galvânicas, são dispositivos capazes de produzir energia elétrica à custa de uma reação de oxidação-redução espontânea. Adaptado de Texto Editores

Energia eléctrica a partir de reações de oxidação-redução pilhas eletroquímicas ou células galvânicas As duas semirreações ocorrem em simultâneo; a transferência de eletrões do zinco para o cobre é feita localmente. O fundamento de uma pilha eletroquímica é separar as semirreações de oxidação e de redução, de modo que os eletrões circulem externamente através de um fio condutor. Nas pilhas: Ânodo – eléctrodo negativo - Oxidação Cátodo – eléctrodo positivo - Redução Ponte Salina – migração dos iões eletroneutralidade das soluções Adaptado de Texto Editores

Energia eléctrica a partir de reacções de oxidação-redução Fonte: http://www.youtube.com/watch?v=0oSqPDD2rMA Ver também: http://www.youtube.com/watch?v=C26pH8kC_Wk

Energia elétrica a partir de reações de oxidação-redução. notação de uma pilha ou diagrama de pilha Na pilha de Daniell tem-se: A pilha de Daniell (também chamada de célula de Daniell) é uma pilha constituída de elétrodos de cobre e zinco interligados e respectivamente imersos em solução de Cu2+ e Zn2+ . Foi inventada pelo físico-químico britânico John Frederic Daniell em 1836, um grande avanço sobre a pilha de Volta utilizada até então, nos primórdios da criação das baterias

Energia eléctrica a partir de reações de oxidação-redução. Na pilha de Daniell tem-se: Nas Pilhas em que os reagentes são iões é necessário usar elétrodos sólidos e condutores – Platina e Grafite Pt Red 1, Ox1 Ox 2, red2 Pt Adaptado de Texto Editores

Força Eletromotriz de uma Pilha O fluxo de eletrões do ânodo para o cátodo é o resultado da existência de uma diferença de potencial elétrico entre esses elétrodos. A diferença de potencial máxima obtida numa pilha chama-se potencial da célula ΔECélula ou força eletromotriz da pilha (f.e.m.) e corresponde à diferença de potencial «em circuito aberto». A f.e.m. funciona como uma força «impulsionadora» que «empurra» os eletrões produzidos no elétrodo onde se dá a oxidação até ao eléctrodo onde se dá a redução Marília Peres

Potencial padrão de redução e extensão das reações de oxidação-redução A diferente tendência das várias espécies químicas para se oxidarem ou se reduzirem pode ser deduzida através do potencial normal de redução (p.n.r.), ou potencial padrão, que revela quantitativamente o poder oxidante de cada espécie. (1,0 mol/dm3 , 1,01x105 Pa; 298 K)  O potencial padrão de redução, ou E0, mede a tendência relativa de uma espécie para se reduzir (aceitar eletrões) Para conhecer o potencial padrão de uma semicélula, liga-se esta ao eléctrodo padrão de hidrogénio e mede-se a d.d.p.. ΔE º Célula = E º Cátodo – E ºânodo

Tendência dos metais para se oxidarem. Reatividade crescente: maior tendência dos metais para se oxidarem, maior poder redutor dos metais. Reactividade crescente: maior tendência dos iões para se reduzirem, maior poder oxidante dos iões. 12ºQ – Texto Editores

Elétrodo padrão de hidrogénio - EPH E0 (H+ / H2) = 0,00 V

Medição do potencial padrão de redução (com o elétrodo padrão de hidrogénio)

A F.E.M. de uma pilha nas condições padrão A f.e.m. de uma pilha, nas condições padrão (E0pilha), pode calcular-se pela diferença entre o p.n.r. da espécie que se reduz na reação direta e o p.n.r. da espécie que se reduz na reação inversa. Neste caso, temos: E0pilha = 0,34 – (–0,40) = 0,74 V A f.e.m. de uma pilha pode ser entendida como a diferença de potencial (d.d.p.) produzida entre os dois elétrodos. Adaptado de Texto Editores

Espontaneidade das reações de Oxidação-Redução A f.e.m. de uma pilha ou tensão da pilha (ou célula eletroquímica) pode ser calculada a partir dos potenciais padrão de redução. E°cel = E°cátodo - E°ânodo Ou de um modo mais simples a reação é espontânea no sentido direto se a espécie que sofre redução apresenta o maior valor de potencial padrão de redução.

Equação de Nernst n – número de eletrões Q – quociente da reação redox Adaptado de Rosa Pais

1 - Represente o diagrama desta pilha. 2 - Calcule a sua f.e.m. (condições padrão)

Tipos de Pilhas Pilhas primárias – São células galvânicas com os reagentes selados dentro de um invólucro. Como não se podem recarregar, depois de gastas não podem voltar a ser usadas. Pilhas secundárias ou acumuladores – podem recarregar-se se forem ligadas a uma corrente eléctrica, podendo ser usadas de novo. Pilhas de combustível – São pilhas cujos reagentes devem ser constantemente renovados e os produtos constantemente removidos. Pilhas de concentração – São pilhas cujas semicélulas são constituídas pelo mesmo material, mas cujos iões em solução têm concentrações diferentes.

PILHAS DE COMBUSTÍVEL Eléctrodos – grafite Solução electrolítica – KOH (aq)

O rendimento desta pilha é muito elevado , rondando os 70% a 80%. O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e- → 4 OH-(aq) 2{H2(g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(l) + 2 e-} 2H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) Jogo de Partículas – 12º Texto Editores E°cel = E°O2/OH- - E°H2O/H2 = 0.401 V – (-0.828 V) = 1.229 V O rendimento desta pilha é muito elevado , rondando os 70% a 80%. Prentice-Hall © 2002

2003 by Prentice-Hall, Inc.