Eletroquimica Brown

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<p>QUMICAA Cincia Central 9 Edio Edi</p> <p>Captulo 20 Cap Eletroqumica Eletroqu</p> <p>David P. White 2005 by Pearson EducationCaptulo 20</p> <p>Reaes de oxireduo Rea oxiredu</p> <p> O Zn adicionado ao HCl produz a reao espontnea Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g). O nmero de oxidao do Zn aumentou de 0 para 2+. O nmero de oxidao do H reduziu de 1+ para 0. O Zn oxidado a Zn2+ enquanto o H+ reduzido a H2. O H+ faz com que o Zn seja oxidado e o agente de oxidao. O Zn faz com que o H+ seja reduzido e o agente de reduo. Observe que o agente de reduo oxidado e o agente de oxidao reduzido.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Reaes de oxireduo Rea oxiredu</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirredu Lei da conservao de massa: a quantidade de cada elemento presente no incio da reao deve estar presente no final. Conservao da carga: os eltrons no so perdidos em uma reao qumica.</p> <p>Semi-reaes As semi-reaes so um meio conveniente de separar reaes de oxidao e de reduo.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduSemi-reaes As semi-reaes para Sn2+(aq) + 2Fe3+(aq) Sn4+(aq) + 2Fe3+(aq) so Sn2+(aq) Sn4+(aq) +2e2Fe3+(aq) + 2e- 2Fe2+(aq) Oxidao: os eltrons so produtos. Reduo: os eltrons so reagentes.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes Considere a titulao de uma soluo cida de Na2C2O4 (oxalato de sdios, incolor) com KMnO4 (violeta escuro). O MnO4- reduzido a Mn2+ (rosa claro) enquanto o C2O42- oxidado a CO2. O ponto de equivalncia dado pela presena de uma cor rosa claro. Se mais KMnO4 adicionado, a soluo passa para prpura devido ao excesso de KMnO4. 2005 by Pearson EducationCaptulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes Qual a equao qumica balanceada? 1. Escreva as duas semi-reaes. 2. Faa o balanceamento de cada semi-reao: a. Primeiro com elementos diferentes de H e O. b. Depois faa o balanceamento do O adicionando gua. c. Depois faa o balanceamento do H adicionando H+. d. Termine fazendo o balanceamento de cargas adicionando eltrons. 2005 by Pearson EducationCaptulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes3. Multiplique cada semi-reao para fazer com que o nmero de eltrons seja igual. 4. Adicione as reaes e simplifique. 5. Confira! Para KMnO4 + Na2C2O4:</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaesAs duas semi-reaes incompletas so MnO4-(aq) Mn2+(aq) C2O42-(aq) 2CO2(g) 2. A adio de gua e H+ produz 8H+ + MnO4-(aq) Mn2+(aq) + 4H2O Existe uma carga 7+ esquerda e 2+ direita. Conseqentemente, precisam ser adicionados 5 eltrons esquerda : 5e- + 8H+ + MnO4-(aq) Mn2+(aq) + 4H2O</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes Na reao do oxalato, existe uma carga 2- esquerda e uma carga 0 direita, logo, precisamos adicionar dois eltrons: C2O42-(aq) 2CO2(g) + 2e3. Para fazer o balanceamento dos 5 eltrons para o permanganato e 2 eltrons para o oxalato, precisamos de 10 eltrons para ambos. A multiplicao fornece : 10e- + 16H+ + 2MnO4-(aq) 2Mn2+(aq) + 8H2O 5C2O42-(aq) 10CO2(g) + 10e-</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes4. A adio fornece: 16H+(aq) + 2MnO4-(aq) + 5C2O42-(aq) 2Mn2+(aq) + 8H2O(l) + 10CO2(g) 5. Que est balanceada!</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Balanceamento de equaes equa de oxirreduo oxirreduBalanceamento de equaes pelo mtodo das semi-reaes Usamos OH- e H2O, em vez de H+ e H2O. O mesmo mtodo acima usado, mas o OH- adicionado para neutralizar o H+ usado.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicas A energia liberada em uma reao de oxi-reduo espontnea usada para executar trabalho eltrico. Cluas voltaicas ou galvnicas so aparelhos nos quais a transferncia de eltrons ocorre atravs de um circuito externo. As clulas voltaicas so espontneas. Se uma fita de Zn colocada em uma soluo de CuSO4, o Cu depositado no Zn e o Zn dissolve-se formando Zn2+.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicas</p> <p> medida que ocorre a oxidao, o Zn convertido em Zn2+ e 2e-. Os eltrons fluem no sentido do anodo onde eles so usados na reao de reduo. Espera-se que o eletrodo de Zn perca massa e que o eletrodo de Cu ganhe massa. Regras para clulas voltaicas: 1. No anodo os eltrons so produtos (oxidao). 2. No catodo os eltrons so reagentes (reduo). 3. Os eltrons no podem nadar.Captulo 20</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Clulas voltaicas</p> <p>Os eltrons fluem do anodo para o catodo. Conseqentemente, o anodo negativo e o catodo positivo. Os eltrons no conseguem fluir atravs da soluo, eles tm que ser transportados por um fio externo. (Regra 3.)</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicas Os nios e os ctions movimentam-se atravs de uma barreira porosa ou ponte salina. Os ctions movimentam-se dentro do compartimento catdico para neutralizar o excesso de ons carregados negativamente (Catodo: Cu2+ + 2e- Cu, logo, o contra-on do Cu est em excesso). Os nions movimentam-se dentro do compartimento andico para neutralizar o excesso de ons de Zn2+ formados pela oxidao.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicasViso molecular dos processos do eletrodo Considere a reao espontnea de oxi-reduo entre o Zn(s) e o Cu2+(aq). Durante a reao, o Zn(s) oxidado a Zn2+(aq) e o Cu2+(aq) reduzido a Cu(s). No nvel atmico, um on de Cu2+(aq) entra em contanto com um tomo de Zn(s) na superfcie do eletrodo. Dois eltrons so transferidos diretamente do Zn(s) (formando Zn2+(aq)) para o Cu2+(aq) (formando Cu(s)).</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicasViso molecular dos processos do eletrodo</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Clulas voltaicas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhas O fluxo de eltrons do anodo para o catodo espontneo. Os eltrons fluem do anodo para o catodo porque o catodo tem uma energia potencial eltrica mais baixa do que o anodo. A diferena potencial: a diferena no potencial eltrico. medida em volts. Um volt a diferena potencial necessria para conceder um joule de energia para uma carga de um coulomb:</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhas1V = </p> <p>1J 1C</p> <p>A fora eletromotiva (fem) a fora necessria para empurrar os eltrons atravs do circuito externo. Potencial de clula: Ecel a fem de uma clula. Para solues 1 mol/L a 25 C (condies padro), a fem padro (potencial padro da clula) denominada Ecel.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula) Os dados eletroqumicos so convenientemente colocados em uma tabela. Os potenciais padro de reduo, Ered so medidos em relao ao eletrodo padro de hidrognio (EPH).</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula)</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula) O EPH um catodo. Ele consiste de um eletrodo de Pt em um tubo colocado em uma soluo 1 mol/L de H+. O H2 borbulhado atravs do tubo. Para o EPH, determinamos 2H+(aq, 1 mol/L) + 2e- H2(g, 1 atm) O Ered de zero. A fem de uma clula pode ser calculada a patir de potenciais padro de reduo:</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula) Considere Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-. Podemos medir o Ecell em relao ao EPH (catodo): Ecell = Ered(catodo) - Ered(anodo) 0,76 V = 0 V - Ered(anodo). Conseqentemente, o Ered(anodo) = -0,76 V. Os potenciais padro de reduo devem ser escritos como as reaes de reduo: Zn2+(aq) + 2e- Zn(s), Ered = -0,76 V.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula) Uma vez que o Ered = -0,76 V, conclumos que a reduo do Zn2+ na presena do EPH no espontnea. A oxidao do Zn com o EPH espontnea. A variao do coeficiente estequiomtrico no afeta o Ered. Portanto, 2Zn2+(aq) + 4e- 2Zn(s), Ered = -0,76 V. As reaes com Ered &gt; 0 so redues espontneas em relao ao EPH.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula) As reaes com Ered &lt; 0 so oxidaes espontneas em relao ao EPH. Quanto maior a diferena entre os valores de Ered, maior o Ecell. Em uma clula (espontnea) voltaica (galvnica) o Ered(catodo) mais positivo do que Ered(anodo). Lembre-se</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasPotenciais-padro de reduo (semi-clula)</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Fem de pilhasAgentes oxidantes e redutores Quanto mais positivo o Eredc mais forte o agente oxidante esquerda. Quanto mais negativo o Ered , mais forte o agente redutor direita. Uma espcie na parte esquerda superior da tabela de potenciais padro de reduo oxidar espontaneamente uma espcie que est na parte direita inferior da tabela. Isto , o F2 oxidar o H2 ou o Li; o Ni2+ oxidar o Al(s).</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Espontaneidade de reaes redox rea</p> <p> Em uma clula (espontnea) voltaica (galvnica) o Ered (catodo) mais positivo do que o Ered(anodo) uma vez que Um E positivo indica um processo espontneo (clula galvnica). Um E negativo indica um processo no-espontneo.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Espontaneidade de reaes redox reaFem e variao de energia livre Podemos demonstrar que</p> <p>G = nFE O G a variao da energia livre, n a quantidade de matria de eltrons transferidos, F a constante de Faraday e E a fem da clula. Podemos definir</p> <p>1F = 96,500 Cmol = 96,500 J/Vmol J que n e F so positivos, se G &gt; 0 logo E &lt; 0.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Efeito da concetrao na concetra fem da pilhaEquao de Nernst Uma clula voltaica funcional at E = 0, ponto no qual o equilbrio alcanado</p> <p>G = G + RT ln Q nFE = nFE + RT ln Q</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Efeito da concetrao na concetra fem da pilhaA equao de Nernst Isso se reordena para fornecer a equao de Nernst: RT E = E ln Q nF A equao de Nernst pode ser simplificada coletando todas as constantes juntas usando uma temperatura de 298 K:E = E 0 . 0592 ln Q n</p> <p> (Observe a mudana do logaritmo natural para o log na base 10.) Lembre-se que n quantidade de matria de eltrons.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Efeito da concetrao na concetra fem da pilhaPilhas de concentrao Podemos usar a equao de Nernst para produzir uma clula que tem uma fem baseada apenas na diferena de concentrao. Um compartimento consistir de uma soluo concentrada, enquanto o outro tem uma soluo diluda. Exemplo: Ni2+(aq) 1,00 mol/L e Ni2+(aq) 1,00 10-3 mol/L. A clula tende a igualar as concentraes do Ni2+(aq) em cada compartimento. A soluo concentrada tem que reduzir a quantidade de Ni2+(aq) (para Ni(s)), logo, deve ser o catodo.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Efeito da concetrao na concetra fem da pilhaPilhas de concentrao</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Efeito da concetrao na concetra fem da pilhaFem da clula e equilbrio qumico Um sistema est em equilbrio quando G = 0. A partir da equao de Nernst, no equilbrio e a 298 K (E = 0 V e Q = Keq):0.0592 ln K eq n nE log Keq = 0.0592 0 = E </p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhas Uma bateria um recipiente contendo uma fonte de fora eletroqumica com uma ou mais clulas voltaicas. Quando as clulas so conectadas em srie, maiores FEMs podem ser alcanadas.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhasBateria de chumbo e cido Uma bateria de carro de 12 V consiste de 6 pares de catodo/anodo, cada um produzindo 2 V. Catodo: PbO2 em uma grade de metal em cido sulfrico: PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l) Anodo: Pb: Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2e-</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhasBateria de chumbo e cido A reao eletroqumica global PbO2(s) + Pb(s) + 2SO42-(aq) + 4H+(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l) para a qual Ecell = Ered(catodo) - Ered(anodo) = (+1,685 V) - (-0,356 V) = +2,041 V. Espaadores de madeira ou fibra de vidro so usados para evitar que os eletrodos se toquem.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhasPilhas alcalinas Anodo: tampa de Zn: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e Catodo: pasta de MnO2, NH4Cl e C: 2NH4+(aq) + 2MnO2(s) + 2e- Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + 2H2O(l) O basto de grafite no centro um catodo inerte. Em uma bateria alcalina, o NH4Cl substitudo por KOH.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhasPilhas alcalinas Anodo: o p de Zn misturado em um gel: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e Catodo: reduo do MnO2.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhas</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Baterias ou pilhasClulas de combustvel A produo direta de eletricidade a partir de combustveis ocorre em uma clula de combustvel. Nos vos lua da Apollo a clula de combustvel H2-O2 era a fonte primria de eletricidade. Catodo: reduo de oxignio: 2H2O(l) + O2(g) + 4e- 4OH-(aq) Anodo: 2H2(g) + 4OH-(aq) 4H2O(l) + 4e-</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>CorrosoCorroso do ferro Uma vez que Ered(Fe2+) &lt; Ered(O2), o ferro pode ser oxidado pelo oxignio. Catodo: O2(g) + 4H+(aq) + 4e- 2H2O(l). Anodo: Fe(s) Fe2+(aq) + 2e-. O oxignio dissolvido em gua normalmente provoca a oxidao de ferro. O Fe2+ inicialmente formado pode ser ainda mais oxidado a Fe3+, que forma a ferrugem, Fe2O3. xH2O(s).</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>CorrosoCorroso do ferro A oxidao ocorre no local com a maior concentrao de O2.</p> <p>Prevenindo a corroso do ferro A corroso pode ser impedida atravs do revestimento do ferro com tinta ou um outro metal. O ferro galvanizado revestido com uma fina camada de zinco.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Corroso</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>CorrosoPrevenindo a corroso do ferro O zinco protege o ferro uma vez que o Zn o anodo e Fe o catodo: Zn2+(aq) +2e- Zn(s), Ered = -0,76 V Fe2+(aq) + 2e- Fe(s), Ered = -0,44 V Com os potenciais padro de reduo acima, o Zn mais facilmente oxidvel do que o Fe.</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>Corroso</p> <p> 2005 by Pearson Education</p> <p>Captulo 20</p> <p>CorrosoPrevenindo a corroso do ferro Para a proteo do encanamento...</p>