Capítulo 20Capítulo 20

EletroquímicaEletroquímica

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁUNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

PROF. DR. ÉLCIO BARRAKPROF. DR. ÉLCIO BARRAK

DOUGLAS APARECIDO SOARES – 14436DOUGLAS APARECIDO SOARES – 14436RAMON MORAES RIBAS ROSA – 14463RAMON MORAES RIBAS ROSA – 14463

Tópicos

•Introdução•Equações de oxirredução•Balanceamento de equações de oxirredução•Células voltaicas•Fem de pilhas•Espontaneidade de reações redox•Efeito da concentração na fem da pilha•Baterias ou pilhas•Corrosão•Eletrólise

Introdução

•A eletroquímica é o estudo das relações entre a eletricidade e as reações químicas.

•A abordagem da eletroquímica fornece uma visão de tópicos diversos como a fabricação de

baterias, a espontaneidade de reações, a corrosão de metais e a galvanização elétrica.

Equações de oxirredução

• Como saber se uma equação é de oxirredução?

Observar o nox.

• Nem sempre numa reação de redox há transferência de elétrons.

• Agente Oxidante Sofre redução

• Agente Redutor Sofre oxidação

Balanceamento de Equações Redox

Obedecer às regras:

• Lei da Conservação das Massas;

• Elétrons recebidos e doados devem estar balanceados.

Processo para balanceamento através de semi-reações.

Balanceamento de Equações Redox

Procedimento:

• Separar a equação em duas semi-reações;

• Balancear as semi-reações;

• Adicionar H2O, e H+(meio ácido) ou OH-(meio básico), se necessário;

• Somar as semi-reações;

• Verificar a quantidade de átomos e cargas.

Células Voltaicas

Dispositivos nos quais há transferência de elétrons por um caminho externo,

realizando trabalho elétrico.

Uma célula voltaica é composta por:

• Dois elétrodos (metal-solução);

• Circuito interno;

• Circuito externo.

Células Voltaicas

Observar que o elétrodo onde ocorre oxidação é chamado ânodoânodo e o elétrodo onde ocorre redução é chamado cátodocátodo.

Os compartimentos da célula voltaica são chamados de semicélulasemicélula; nas semicélulas ocorrem as semi-reações de oxidação e

redução.

Com o circuito fechado há fluxo de elétrons do ânodoânodo para o cátodocátodo.

Células Voltaicas

Ponte Salina:

• Tem a mesma função do disco de vidro poroso: manter as soluções eletricamente neutras pela troca de íons;

• Contém um sal iônico, por exemplo NaNO3(aq), incorporado em um gel;

• Os ânionsânions fluem para o ânodoânodo, e os cátionscátions para o cátodocátodo.

Células Voltaicas

Há corrosão do elétrodo que sofre oxidação, e deposição no elétrodo que sofre redução.

Fem de Pilhas

A diferença de potencial entre dois elétrodos em uma célula voltaica fornece a força

diretora que empurra os elétrons por um circuito externo. Essa diferença é chamada força eletromotriz ou femfem.

EEoo

celcel = E = Eoo

redred (cátodo) – E (cátodo) – Eoo

redred (ânodo) (ânodo)

Equação de determinação de potenciais padrão:

Fem de Pilhas

Em uma célula voltaica, a reação do cátodo é sempre a que tem o valor de Eo

red mais positivo (ou menos negativo).

Fem de Pilhas

É adotada como referência a semi-reação de redução de H+ tal qual abaixo:

2 H2 H++((aqaq,1mol/L) ,1mol/L) + 2 e+ 2 e-- H H2(2(gg,1atm),1atm) E Eoo

redred = 0,00 V = 0,00 V

O elétrodo que produz essa semi-reação é chamado EPH (elétrodo-padrão de

hidrogênio).

Fem de PilhasObservações:Observações:

• Quando atribuímos um potencial a uma semi-reação, escrevemos essa reação como uma redução;

• A variação do coeficiente estequiométrico em uma semi-reação não afeta o valor do

potencial-padrão de redução;

• Quanto mais positivo o valor de Eored maior a

força diretora para redução.

Espontaneidade de Reações Redox

Basicamente, um potencial positivo indica um processo espontâneo e um potencial negativo indica um processo não-

espontâneo.

Em uma reação espontânea, à temperatura e pressão constantes a variação na energia livre (ΔG) é dada por:

ΔΔG = -nFEG = -nFE

Espontaneidade de Reações Redox

Onde:

• nn = Número de elétrons transferidos na reação;

• EE = fem;

• FF = Constante de Faraday:

1 F1 F = 96485 C/mol = 96485 J/V.mol

ΔΔGG negativo indica uma reação espontânea.

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

ΔΔG = G = ΔΔGGoo + RT . ln(Q) + RT . ln(Q)

Como ΔΔG = -nFE,G = -nFE, temos::

-nFE = -nFE-nFE = -nFEoo + RT . ln(Q) + RT . ln(Q)

Dividindo a equação por –nF–nF chegamos a equação de NernstNernst:

E = EE = Eoo - - RTRT . ln(Q) . ln(Q)nFnF

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

Pilhas de ConcentraçãoPilhas de Concentração

É uma pilha onde o cátodo e ânodo possuem a mesma espécie química, variando apenas nas concentrações.

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

A reação total da pilha da figura anterior é:

Podemos calcular a fem da pilha citada usando a equação de Nernst, a equação a 298K fica:

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

Fem da Célula e Equilíbrio QuímicoFem da Célula e Equilíbrio Químico

Quando E = 0, a reação atinge o equilíbrio e Q = Keq.

Utilizando a equação de Nernst para T = 298K (25ºC):

log Klog Keqeq = = nE nEo .o .

0,05920,0592

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

Os Batimentos CardíacosOs Batimentos CardíacosDiferentemente do que normalmente se pensa, o coração é controlado por impulsos elétricos, e não apenas uma bomba mecânica.

Os impulsos elétricos que fazem com que o coração bata resultam da eletroquímica e das propriedades das membranas semipermeáveis.

Nos músculos cardíacos, a diferença de concentração dos íons K+ gera uma pilha de concentração.

Efeito da Concentração na Fem da Pilha

Os Batimentos CardíacosOs Batimentos Cardíacos

As células marcapassomarcapasso são aquelas que controlam a taxa de contração do coração.

Se essas células não funcionam direito, pode-se implantar cirurgicamente um marcapassomarcapasso artificial.

Este é uma pequena bateria que gera os pulsos elétricos necessários para disparar as contrações do coração.

Baterias ou Pilhas

Bateria ou pilha é uma fonte de energia eletroquímica fechada e portátil que consiste em uma ou mais células voltaicas.

Tipos de Pilha:

• Primária: Não pode ser recarregada;

• Secundária: Pode ser recarregada.

Baterias ou Pilhas

Algumas utilizações da eletroquímica no dia-a-dia:

• Bateria de chumbo e ácido (bateria automotiva);

• Pilhas Alcalinas;

• Baterias de níquel-cádmio, níquel-hidreto metálico e íon lítio (baterias de

dispositivos eletrônicos portáteis que demandam altas energias);

• Células de combustível (conversão da queima de combustíveis em energia elétrica).

Corrosão

As reações de corrosão são reações redox espontâneas nas quais um metal é atacado por alguma substância em seu ambiente e é convertido em um composto não-desejado.

Um exemplo de corrosão é a oxidação do ferro, a qual pode ser prevenida com um revestimento de pintura ou outro metal, como estanho ou zinco. O ferro revestido com uma fina camada de zinco é chamado ferro galvanizadoferro galvanizado.

Corrosão

Proteção catódicaProteção catódica é definida como a proteção de um metal contra corrosão tornando-o cátodo em uma célula eletroquímica.

O ânodo de sacrifícioânodo de sacrifício é o metal oxidado que protege o cátodo.

Eletrólise

A eletróliseeletrólise é baseada na utilização de energia elétrica provinda de uma fonte externa para permitir que uma reação não- espontânea ocorra.

Por exemplo, a decomposição do cloreto de sódio fundido:

2 NaCl(l) 2 Na(l) + Cl2(g)

As reações geradas pela energia externa são chamadas reações de eletrólisereações de eletrólise e ocorrem em células eletrolíticascélulas eletrolíticas.

EletróliseRepresentação do exemplo anterior

Eletrólise

Eletrólise de Soluções AquosasEletrólise de Soluções Aquosas

Na eletrólise de soluções aquosas temos de verificar se a água é oxidada ou reduzida ao invés dos íons do sal.

Eletrólise com Elétrodos AtivosEletrólise com Elétrodos Ativos

Os elétrodos empregados nesta eletrólise participam da reação.

Por exemplo a galvanoplastia.

Eletrólise

A estequiometria de uma semi-reação mostra quantos elétrons são necessários para atingir um processo eletrolítico.

Aspectos Quantitativos da EletróliseAspectos Quantitativos da Eletrólise

...

...

Eletrólise

Trabalho ElétricoTrabalho Elétrico

Para qualquer processo espontâneo o trabalho máximo útil (wmáx) realizado pela célula voltaica é ΔG = -nFE.

Quando usamos uma célula eletrolítica, portanto utiliza-se uma fonte de energia externa, o trabalho é dado por:

W = nFEext

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Referências Bibliográficas

• Brown, Lemay, Bursten. Química: A Ciência Brown, Lemay, Bursten. Química: A Ciência CentralCentral

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