prof a dr a silvania maria nettoout 2005 eletroquímica É o estudo das reações químicas que...

Profa Dra Silvania Maria Netto OUT 2005

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EletroquímicaÉ o estudo das reações químicas que produzem corrente elétrica por meio dos processos de oxidação e redução, como também o estudo das reações que ocorrem por intermédio do fornecimento de energia elétrica.

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Quanto às reações que produzem corrente elétrica, serão estudadas suas características por meio do funcionamento de aparelhos conhecidos como pilhas e baterias.

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As pilhas e as baterias são consideradas atualmente peças fundamentais na sociedade moderna, como é o caso dos telefones celulares que devem grande parte do seu sucesso à evolução das baterias recarregáveis.

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A formação da ferrugem e a fotossíntese são processos importantes. O primeiro, pelo prejuízo social que acarreta, enquanto o segundo é uma das transformações centrais nas teias alimentares do nosso planeta.

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Há algo de comum entre duas transformações diferentes? Nas primeiras décadas do século XX constatou-se um fenômeno que abriria um enorme campo de pesquisa: tanto à formação da ferrugem como a fotossíntese eram reações apoiadas por transferências de elétrons.

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Tais processos foram

globalmente denominados

reações de oxirredução (ou

oxi-red ou redox).

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Atualmente, as pesquisas sobre oxirredução exercem profunda influência na Bioquímica, nos estudos sobre poluição e na área da química industrial. E o ponto de partida dos modelos que investigam esse vasto campo de conhecimentos é o conceito de número de oxidação (Nox).

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Oxidação

Perda de elétrons

Aumento do número de oxidação

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Podemos representar uma equação de oxidação da seguinte forma:

Zn Zn2+ + 2e

Ag Ag+ + 1e

H2 2H+ + 2e

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Redução

Ganhode elétrons

Diminuição do número de oxidação

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Podemos representar uma equação de redução da seguinte forma:

Al3+ + 3e Al

2H+ + 2e H2

Cl2 + 2e 2Cl-

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Vejamos se você está por dentro:

Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Mg Mg2+ + 2e

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

2H+ + 2e H2

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Zn Zn2+ + 2e

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Cl2 + 2e 2Cl-

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Ag Ag+ + 1e

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Ca Ca2+ + 2e

oxidação redução

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Classifique a reação, clicando no ícone correto:

Al3+ + 3e Al

oxidação redução

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Para que possamos refletir, observe a seguinte experiência:

Preparamos uma solução aquosa de sulfato de cobre II: um sal bastante solúvel que se dissocia em íons Cu2+ e SO4

2-. Essa solução é de uma cor azul característica. A seguir, tomamos uma lâmina de zinco metálico (Zn), que é de cor cinza.

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Mergulhamos a lâmina de zinco na

solução de sulfato de cobre II;

agora, observemos o sistema

atentamente durante alguns

minutos. Veremos que com o passar

do tempo a lâmina e a solução

mudam de cor.

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Retirando a lâmina de zinco da solução, verificamos que a parte que estava submersa está recoberta por uma fina camada vermelho-amarelada – que podemos identificar como sendo cobre metálico – e que a solução perdeu a cor azul. Uma análise posterior mostrará a existência de íons Zn2+ em substituição aos íons Cu2+.

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O exame dos fatos observados nos leva a concluir que houve uma reação de oxidação-redução na superfície da lâmina de zinco em contato com a solução de sulfato de cobre. Essa reação pode ser descrita pela equação:

Zn + CuSO4 Cu + ZnSO4

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Os reais participantes dessa reação foram os átomos de zinco da superfície da lâmina e os íons de Cu2+ da solução. Os íons sulfato (SO4

2-) permaneceram inalterados.

Portanto, a reação pode ser descrita por uma equação simplificada:

Zn + Cu2+ Cu + Zn2+

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A equação anterior nos mostra que o zinco cede elétrons para os íons Cu2+ da solução e estes se depositam na lâmina na forma de cobre metálico (Cu). Evidentemente, os átomos de zinco da lâmina que cederam os elétrons converteram-se em íons Zn2+, que passam para a solução:

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Zn + Cu2+ Cu + Zn2+

lâmina Solução

Deposita-se na lâmina

Passa para a solução

Elétrons

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Dessa forma podemos concluir o seguinte:

Zn é o redutor ou agente redutor.

Cu2+ é o oxidante ou agente oxidante.

Isso quer dizer que o Zn cede elétrons ao Cu2+.

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Para que possamos refletir façamos, ainda, uma segunda experiência: preparamos uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4) e mergulhando

nessa solução uma lâmina de cobre, observamos que a lâmina de cobre não fica recoberta de zinco. Isso evidencia que não ocorre reação.

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Cu + Zn2+ não ocorre a reação.

Isso quer dizer que o Cu não cede elétrons ao Zn2+.

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Para que possamos refletir façamos, ainda, uma terceira experiência: preparamos uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4) e mergulhando nessa solução uma lâmina de alumínio. Após algum tempo, detectamos uma fina película de zinco sobre a lâmina de alumínio e o aparecimento de íons Al3+ na solução. Isso evidencia que ocorre a reação.

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Al + Zn2+ Al3+ + Zn

Veja que os elétrons não estão em equilíbrio. Temos que balancear a equação, para que os elétrons cedidos sejam iguais aos elétrons recebidos. 2Al + 3Zn2+ 2Al3+ + 3ZnA melhor forma é inverter os números. Coloque 2 no alumínio e 3 no zinco. Agora já está balanceada.

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2Al + 3Zn2+ 3Zn + 2Al3+

lâmina Solução

Deposita-se na lâmina

Passa para a solução

Elétrons

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Dessa forma podemos concluir o seguinte:

Al é o redutor ou agente redutor.

Zn2+ é o oxidante ou agente oxidante.

Isso quer dizer que o Al cede elétrons ao Zn2+.

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Para que possamos refletir façamos, ainda, uma quarta experiência: preparamos uma solução de sulfato de prata (Ag2SO4) e mergulhando nessa solução uma lâmina de Cobre. Após algum tempo, notamos a formação de uma película de prata sobre a lâmina de cobre e o aparecimento de íons Cu2+ na solução. Isso evidencia que ocorre a reação.

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Cu + Ag+ Cu2+ + Ag

Veja que os elétrons não estão em equilíbrio. Temos que balancear a equação, para que os elétrons cedidos sejam iguais aos elétrons recebidos.

Cu + 2Ag+ Cu2+ + 2Ag

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Cu + 2Ag+ 2Ag + Cu2+

lâmina Solução

Deposita-se na lâmina

Passa para a solução

Elétrons

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Dessa forma podemos concluir o seguinte:

Cu é o redutor ou agente redutor.

Ag+ é o oxidante ou agente oxidante.

Isso quer dizer que o Cu cede elétrons ao Ag+.

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Analisando em conjunto os resultados obtidos na seqüência anterior de experiências, verificamos que existe uma determinada ordem para que a reação ocorra, isto é, não basta simplesmente juntar duas espécies químicas: um metal e uma solução.

A natureza impõe condições para que haja reação entre um determinado par metal / cátion.

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Nas experiências que descrevemos, observamos que:

Al cede elétrons ao Zn2+;

Zn cede elétrons ao Cu2+;

Cu cede elétrons ao Ag+;

Cu não cede elétrons ao Zn2+.

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O fornecedor de elétrons é chamado

redutor ou agente redutor. Quanto

maior a facilidade em fornecer

elétrons, mais forte é o redutor e

mais facilmente ele se oxida (ou

seja, perde elétrons).

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O receptor de elétrons é chamado

oxidante ou agente oxidante.

Quanto maior a facilidade em

receber elétrons, mais forte é o

oxidante e mais facilmente ele se

reduz (ou seja, ganha elétrons).

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A maior ou menor capacidade de fornecer elétrons é dada por uma medida chamada potencial de oxidação, com a qual podemos estabelecer a seguinte relação:

Quanto maior a capacidade de Quanto maior a capacidade de fornecer elétrons, maior o fornecer elétrons, maior o potencial de oxidação e, potencial de oxidação e, conseqüentemente, mais forte é o conseqüentemente, mais forte é o redutor e mais facilmente ele se redutor e mais facilmente ele se oxida.oxida.

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A maior ou menor capacidade de receber elétrons é dada por uma medida chamada potencial de redução, com a qual podemos estabelecer a seguinte relação:

Quanto maior a capacidade de Quanto maior a capacidade de receber elétrons, maior o receber elétrons, maior o potencial de redução e, potencial de redução e, conseqüentemente, mais forte é o conseqüentemente, mais forte é o oxidante e mais facilmente ele se oxidante e mais facilmente ele se reduz.reduz.

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Podemos dispor esses metais em uma seqüência que indique a preferência em ceder elétrons, ou, como é chamada, uma série de reatividade química.

Al Zn Cu Ag

e- e-e-

e- e-

e-

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Nessa série, os átomos da esquerda cedem elétrons aos cátions dos elementos à sua direita. Assim, o Al cede elétrons a Zn2+, Cu2+ e Ag+.

Al Zn Cu Ag

e- e-e-

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Nessa série, os átomos da esquerda cedem elétrons aos cátions dos elementos à sua direita. Assim, o Zn cede elétrons a Cu2+ e Ag+, mas não cede elétrons ao Al3+.

Al Zn Cu Ag

e- e-

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Nessa série, os átomos da esquerda cedem elétrons aos cátions dos elementos à sua direita. Assim, o Cu cede elétrons a Ag+, mas não cede elétrons ao Al3+ e ao Zn2+ .

Al Zn Cu Age-

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O cientista Linus Pauling, através de

experiências do tipo que analisamos,

conseguiu ordenar os metais de

acordo com a sua reatividade

química, ou seja, montou uma série

de reatividade química.

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Nessa série, os elementos estão dispostos em ordem decrescente de reatividade. Assim, o Cs é o mais reativo, enquanto o Au é o menos reativo.

Veja a aplicação desta fila:

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Dada a equação, descobrir se ela representa uma reação que pode ser efetuada:

Zn + Fe2+ Fe + Zn2+

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Zn + Fe2+ Fe + Zn2+

Examinando a fila de reatividade, verificamos que o zinco aparece antes do ferro. Então, a reação pode ser efetuada, pois o Zn pode ceder elétrons para o Fe2+.

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Zn + Fe2+ Fe + Zn2+

Dessa forma, o agente oxidante é o

Fe2+ (oxida o Zn a Zn2+) e o agente

redutor é o Zn (reduz o Fe2+ a Fe).

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Dada a equação, descobrir se ela

representa uma reação que pode

ser efetuada:

Ni + Fe2+ Fe + Ni2+

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Ni + Fe2 + Fe + Ni2+

Examinando a fila de reatividade, verificamos que o níquel aparece depois do ferro. Então, a reação não pode ser efetuada, pois o Ni pode ceder elétrons para o Fe+2.

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Cs Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Be Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Bi As

Cu Hg Ag Pt Au

Ni + Fe2+ Fe + Ni2+

Dessa forma, como a reação não

ocorreu, não teremos agente

oxidante nem agente redutor.