Universidade Federal Fluminense Instituto de Química

Metodologia e Instrumentação para o Ensino de Química I

REATIVIDADE DOS METAIS: DA ELETROSTÁTICA À ELETROQUÍMICA

Lucidéa Guimarães Rebello Coutinho,(Depto. Físico-Química) Marcus Medeiros Barros

O experimento em si não trás, muitas vezes, a idéia conceitual daquilo que se pretende ensinar. Ela pode estar contaminada de termos muito distantes da realidade e percepção do aluno. Uma linguagem química adequada deve respeitar a evolução de certos conceitos ainda não assimilados por eles. A palavra partícula elétrica ou carga elétrica, por exemplo, deve preceder a palavra elétron. Nesse momento, muito se pode explorar sobre a natureza elétrica da matéria, partindo da manifestação eletrostática, condutividade elétrica dos materiais, até chegar ao comportamento eletroquímico dos metais.

Niterói – RJ2006

REATIVIDADE DOS METAIS: DA ELETROSTÁTICA À ELETROQUÍMICA

Introdução:Provavelmente, o primeiro químico foi um desconhecido homem das cavernas que descobriu

como fazer fogo. A princípio só usava dele para cozinhar os alimentos, aquecer-se nas noites frias e se defender de seus predadores. Depois descobriu que quando certas rochas eram aquecidas, apareciam

misteriosamente brilhantes1. Ocasionalmente, o homem primitivo encontrava meteoritos que atingiam a

superfície da Terra, muitos deles constituídos de ferro quase puro, considerando esse material, literalmente uma “dádiva do céu”. Obteve-se assim, um dos primeiros passos para se explorar as qualidades dos metais e de suas ligas metálicas, como a sua transformação em ferramentas, armas, etc - a

metalurgia2.

A história da humanidade se confunde também com a estória dos metais. Alguns metais nativos

já eram conhecidos praticamente puros antes de 4000 anos a.C.2 . A medida de disponibilidade dos

metais está diretamente relacionada às suas carasterísticas químicas. Quanto mais quimicamente reativo é um metal, mais difícil se torna de extraí-lo de seus minérios. O ouro e a prata estão entre os menos reativos e ocorrem na natureza como metais livres; o cobre, o estanho e o chumbo são facilmente extraídos em temperaturas relativamente baixas, enquanto são exigidas temperaturas significativamente altas para a extração do ferro4. Recentemente, muito se tem avançado tecnologicamente na substituição dos metais por novos materiais. Por exemplo, panelas de vidro-cerâmica fabricadas por um tratamento térmico com Li2O-Al2O3-SiO2 contendo pequenas porções de TiO2 e ZrO2 , ou as fibras óticas utilizadas nas telecomunicações

constituída de SiO2 ultra-puro5. Discutir o quanto a ciência e a tecnologia estão presentes em nossa

sociedade.

Um pouco de história:Os antigos filósofos gregos, dotados de uma genial intuição, fizeram deduções que, bem mais

tarde, já em nossa era, provaram ser a pura realidade. Assim, por exemplo, há 2500 anos atrás, dois filósofos, chamados Leucipo e Demócrito, apresentaram a teoria de que toda matéria conhecida era composta por pequenas partículas, às quais deram o nome de átomos (do grego atomos, que significa indivisível). Em 600 a.c., um outro filósofo grego, Tales de Mileto, fez experiências com cargas eletrostáticas, atraindo pequenas penas por meio de um pedaço de âmbar eletrizado. O âmbar é uma espécie de resina fóssil, com propriedades eletrostáticas semelhantes às de certos plásticos de hoje em dia.Dos filósofos gregos ao tempo da rainha Elizabeth da Inglaterra, pouco se sabe sobre experiências nesse sentido. Mas o físico da rainha, Willian Gilbert, realizou experiências com o âmbar eletrizado e descobriu outras substâncias que tinham a capacidade de atrair pequenos objetos de pouco peso. Ele denominou tais atrações de “elétricas”, palavra derivada do termo grego para “âmbar”.Em 1660, aproximadamente, o alemão Otto von Guerick, de Magdeburgo, inventou o primeiro gerador eletrostático por fricção. Em 1729, um outro inglês, chamado Stephen Gray, descobriu que as cargas elétricas podiam ser transferidas por contato ou através de “condutores”. Em 1733, por intermédio de experimentos realizados por dois franceses, tomou-se conhecimento de dois tipos de cargas elétricas. Chegou-se à conclusão, ainda, que dois objetos carregados com o mesmo tipo de eletricidade se repeliam, enquanto dois objetos carregados com tipos diferentes se atraíam mutuamente.Em 1747, o cientista americano Benjamin Francklin deu o nome de “positivas” (+) às cargas elétricas do vidro eletrizado e “negativas” (-), às de resina eletrizada.

1 - Freeman, I.M.,Äs Maravilhas da Química”,Rio de Janeiro:Distribruidora Record, 3a. edição, 1965, 124p.

2 - Vanin, J.A., “Alquimistas e químicso: o passado, o presente e o futuro”, Sào Paulo: Moderna, 8a. edição, 1996, 95 p.

3 - Ciscato, C.A.M., Revista de Ensino de Ciências, 1989 (29) 10-17.

2

4 -Nova Enciclopédia Ilustrada FOLHA, volume 2, 1996, pág. 624.5 - Fine, G.J., Journal of Chemical Education, 1991, 68(9)765-768.

Em 1775, o italiano Alessandro Volta inventou o primeiro gerador eletrostático de indução, que chamou de “eletróforo”. Volta também inventou a primeira bateria química, em 1800, e de seu nome foi retirada a palavra volt, unidade de tensão.Charles Augustin de Coulomb, um físico francês, pesquisou as cargas elétricas; em 1785, ele descobriu que atração (ou repulsão) entre pequenas esferas carregadas é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A unidade coulomb, de quantidade de eletricidade, provém de seu nome.Abraham Bennet, um pesquisador inglês, inventou o eletroscópio de folha de ouro, em 1787. Esse instrumento foi utilizado, em diferentes versões, até nossos dias, como o principal aparelho de investigação de cargas elétricas.

Em 1820, Hans Christiam Oerstead, físico dinamarquês, descobriu que uma corrente elétrica gera um campo magnético. André Marie Ampère, cientista francês, investigou sobre a natureza da corrente eletrica (a unidade da corrente foi retirada de seu nome). Em 1827, Georg Simon Ohm, físico alemão, montou as relações entre corrente elétrica, tensão e resistência (lei de Ohm).Michael Faraday, da Inglaterra, é famoso pela sua descoberta, em 1832, da indução eletromagnética (independentemente do americano Joseph Henry). Faraday realizou também experimentos importantes em eletricidade estática, introduzindo a idéia de linhas de força no campo elétrico, ao redor de corpos eletrizados.

C.F. Varley e James Wimshurst, ingleses, e Robert J. Van de Graaff, americano, desenvolveram tipos diferentes de geradores eletrostáticos. E, no início deste século, Lord Rutherford e Robert Millikan, entre outros, realizaram pesquisas que levaram as modernas teorias sobre o átomo e a natureza das

cargas elétricas6.

Leis de Atração e Repulsão Elétricas – dois tipos de eletricidade:

Assim como o magnetismo existem os pólos de nomes diferentes (norte-sul), em eletricidade existem

cargas positivas e negativas7.

N S

Experiência 1:Prepare uma montagem do eletroscópio semelhante à indicada nas figuras 1.1 e 1.2. Atrite uma barra ou cano de PVC em um pedaço de lã e aproxime da bolinha de isopor revestida com papel de alumínio, observe. Depois, atrite outro cano de PVC e aproxime-o da caneta plástica equilibrada num suporte com rebite, conforme mostra a figura 1.2.

Fig. 1.1 - Eletroscópio com bola pendurada. Fig. 1.2 - Eletroscópio em barra.

Repita a experiência, alternando o cano rapidamente por materiais atritados diferentes, lã e seda, por exemplo. chumaço de papelExperiência 2 aluminadoAproxime um corpo eletrizado da esfera condutora, figura 2. Observe que as folhas de alumínio se abrem. pote de vidro haste de metal folha de alumínio Fig. 2 - Eletroscópio

6 - A Eletrônica na Base, 23 (1979) págs.22 a 27.

3

7 - “Manual de Instruções - mini-laboratório de ciência EXITUS”, São Paulo:Mirador Internacional, 1971,116 p.

Isso ocorre porque o corpo eletrizado induz, na esfera condutora, cargas de sinal contrário às dele, fazendo com que as cargas de mesmo sinal se concentrem nas folhas de alumínio, o que produz repulsão entre as folhas.

Por que se eletriza uma barra atritada?Pela ação mecânica do atrito produz uma passagem de partículas elétricas de um corpo para o

outro. O sinal das eletricidades produzidas, ou seja, o desequilíbrio elétrico num ou noutro material,

dependerá de dois fatores: da natureza o corpo friccionado e da natureza do corpo friccionador7.

O fenômeno de eletrização dos corpos nos permite fazer um mergulho na estrutura da matéria. Do que a matéria é constituída? Que tipo de partículas são essas?

Considerando a premissa de que toda a matéria é eletricamente neutra, nesse momento é importante intervir, no sentido de estabelecer, nas manifestações elétrostáticas (de cargas estáticas), apenas a migração de partículas negativas ( - ), figura 2.1.

+ + + + + + __

+ + + + + + Figura 2.1 - Ao atritar, partículas negativas migram para a barra, por exemplo, deixando o outro material positivamente carregado.

A condutividade elétrica das substâncias:

A condução de eletricidade exige cargas elétricas livres ou semi-livres nas substâncias. Vamos

aceitar isto como princípio8. Esse termo pode ser substituído por partículas elétricas livres ou semi-

livres. Nessa segunda etapa, vamos investigar aspectos importantes das cargas elétricas em movimento

ordenado - a corrente elétrica.

Experiência 3Para executar a atividade deve-se providenciar a confecção de um sistema elétrico, chamado

eletrolizador, conforme esquema da figura 3.Ao colocar a tomada na corrente a lâmpada acende apenas quando os terminais se tocarem ou se

entre eles houver substância condutora de eletricidade.

Materiais a serem testados:. água deionizada9

. água da torneira

. cloreto de sódio sólido

. cloreto de sódio em solução aquosa

. açúcar sólido

. açúcar em água deionizada

. hidróxido de sódio sólido

. hidróxido de sódio em solução aquosa Figura 3 - Eletrolizador.

. metais ( ferro, cobre, alumínio, zinco)

. madeira, plástico, vidro e álcoolPergunta:-Quais as substâncias (como grupo especial) que conduzem corrente elétrica sem necessitar estar em solução aquosa?-Quais substâncias, testadas acima, produzem íons em solução aquosa? (íons são as estruturas químicas com carga elétrica e responsáveis pela condução elétrica em solução aquosa).-Quais substâncias, testadas acima, não produzem íons em solução aquosa?

4

Metal / metal solução - a reatividade dos metais *

As substâncias metálicas ou simplesmente metais são uma presença constante em nosso cotidiano. Além da forma metálica, estes podem também estar na forma combinada - compostos

químicos8.

Experiência 4Coloque 10mL de solução de sulfato de cobre (CuSO4)aq. 1M em quatro copos e, em cada um

deles mergulhe os metais: Fe(s), Al(s), Zn(s); Cu(s), conforme a figura 4.

Fe(s) Al (s) Zn(s) Cu(s)

1 2 3 4

CuSO4 (aq.)

Fig.4 - Metais diferentes imersos em solução aquosa de sulfato de cobre.

Em outros dois copos coloque, respectivamente, 10mL de solução de sulfato de zinco (ZnSO4)aq. 1M e 10mL de solução de nitrato de prata (AgNO3)aq. 0,1M. Mergulhe, em cada um, fios de cobre, Cu(s),, previamente lixado, figura 5.

fio de cobre fio de cobre

5 6

ZnSO4 (aq) AgNO3 (aq)

Figura 5 - Metal de cobre imerso em soluções aquosa de sulfato de zinco e nitrato de prata.

Baseado na experiência 4:A) Descreva, para cada um dos 6 copos, o sistema em sua aparência (cor da solução, a superfície dos metais).B) Descreva as transformações que notar em cada copo (cor da solução, precipitação de um metal, etc.). C) Escreva as equações químicas para cada uma das reações acima10.

Experiência 5Coloque em um copo 10 mL de solução aquosa de CuSO4 e a seguir, introduza uma palha de aço

nesta solução, agitando rapidamente com um bastão de vidro.

Pergunta: Sugira um modo de testar a presença do metal deslocado sem ser o visual (mudança de cor da solução e da palha de aço).

Figura 6 - Palha de aço imersa em solução de sulfato de cobre.

5

8 - Maldaner, O.A.,”Química 1 - construção de conceitos fundamentais”, Ijuí: Livraria UNIJUÍ Editora,1992, 180 p.9 - água deionizada, se refere a água “ausente” de íons.* Anote cuidadosamente as etapas de cada fenômeno observado.

Ocorrência dos metais:

A abundância dos metais na natureza é muito variável. O alumínio, por exemplo, é abundante,

enquanto o ouro é raro. Na tabela 1, estão alguns dos metais mais abundantes na crosta terrestre3,11

.

Tabela 1 - Abundância dos metais na crosta terrestre:

Metal gramas do metal por tonelada de crosta terrestre (ppm) Al 81.300 Fe 50.000 Ca 36.300 Na 28.300 K 25.900 Mg 20.900 Ti 4.400 Mn 1.000 Rb 310 Sr 300 Ba 250

Os metais e seus compostos (os minerais) não se encontram espalhados de maneira uniforme na natureza. Eles se encontram em determinados lugares, como o ouro (Au), em rochas ou misturado à areia dos rios.Para extrair metais que ocorrem combinados, existem várias técnicas, agrupadas sob o nome de METALURGIA.

Alguns metais são muito abundantes, e não apresentam perspectivas imediatas de esgotamento (Fe, Al, Mg). No entanto, o Hg, o Cu e o Ni estão dentre os metais raros e usados intensivamente, com o perigo de se esgotarem em futuro próximo. Daí a importância cada vez maior da reciclagem, ou seja, do

aproveitamento das sucatas metálicas3,11

.

Ligação Metálica:Com exceção do mercúrio, Hg, todos os metais se apresentam no estado sólido à temperatura

ambiente. Nestes sólidos, os átomos metálicos se encontram densamente “empacotados”, de maneira ordenada, resultando estruturas denominadas: Redes, Células ou Retículos Cristalinos.Exemplo: Célula unitária de um cristal de sódio (Na) metálico.

Sistema do tipo cubo centrado

As esferas representam íons positivos de Na, ocupando os pontos do retículo.Considera-se que cada átomo de Na “perde” um elétron, formando uma nuvem eletrônica ( “mar de elétrons” ) que se espalha por todo o retículo.

Nos metais, devido aos valores baixos de energia de ionização12

dos átomos, os elétrons da camada de valência “escapam” com facilidade, ficando “livres” para se movimentarem por todo cristal.

6

A força desta ligação é proveniente da atração eletrostática entre os Íons Positivos do cristal e o “Mar de

Elétrons”. Note que essas ligações não se encontram localizadas em determinadas regiões13,14

.

10 - A equação química expressa uma reação, ou seja, é uma forma de representar uma transformação químicaMaleabilidade e Ductibilidade dos Metais:

A maleabilidade e a ductibilidade dos metais, representam “deslizamentos de camadas de átomos”. Uma peça metálica pode ser laminada ou convertida em fios, desde que se aplique pressão suficiente em qualquer região de sua superfície. Isto acontece porque o deslizamento das camadas não

altera a atração entre os íons positivos e a nuvem eletrônica. Portanto, o metal permanece estável14

.

Pergunta: Por quê num sólido iônico, após uma pancada, há a quebra do cristal (clivagem) ?

Reação química em solução aquosa:

A água é uma das substâncias químicas mais abundantes na natureza e serve como um solvente para muitas substâncias iônicas e moleculares. A preocupação do químico com as reações químicas em sistemas aquosos advém da grande disponibilidade da água como solvente e, particularmente, nos dias atuais, do reconhecimento da importância da água como um meio no qual ocorrem as Reações Bioquímicas.

Para ocorrer uma reação química é preciso fazer duas substâncias, íons e moléculas entrarem em contato uns com os outros. Rotineiramente, os químicos usam soluções ao realizar as reações químicas

para que as trocas químicas entre íons e/ou moléculas possam ocorrer rapidamente16

.

Proteção dos Metais:Pela experiência realizada em laboratório você percebeu que alguns metais são mais reativos que

outros. Para proteger um metal existem várias técnicas: cobrir o metal com óleo ou graxa; pintar o metal; conectar o metal que se quer proteger com outro metal mais reativo, para que este seja atacado pela corrosão. Exemplos: zincagem de arame farpado, proteção catódica em cascos de navios, etc3.

Experiência 6Coloque 3 pregos limpos num recipiente e cubra com gelatina (4g/100mL ), contendo

K3Fe(CN)6 e deixe durante 1 ou 2 dias. Faça a comparação com os pregos conectados a outro metal: prego + fio de Cu, prego + placa de zinco e o prego (somente), figura 33,11.

Figura 6.

11 - Beltran, O.B. & Ciscato, C.A.M.,”QUÍMICA”,São Paulo: Cortez,1991,págs.185 a 217.12 - Os elétrons mais externos do átomo estão menos retidos em relação ao seu núcleo. Por quê? Quando há perda de elétrons num átomo, por exemplo, ele adquire uma carga elétrica transformando-se num íon. Daí o termo ionização.13 - Sisterolli, G.,”Química”, Uberlândia: EDG, 1994, 172 p.14 - Ambrogi, A., et al.,ÜNIDADES MODULARES DE QUÍMICA”,São Paulo: CECICP, 1980, 381 p.

7

Ordem de Reatividade:

Voltemos a experiência sobre “Reatividade de Metais”. Quando um metal está em solução ele está na forma de um composto. Há na verdade, uma simples troca entre o metal que entra e que sai da

solução8.

Vejamos como isto pode ser explicado no frasco 3 (pág.6), veja figura abaixo.

Zn(s) Zn(s),

CuSO4(aq) ZnSO4(aq)

antes depois

Figura 6.1: Cobre se depositando na superfície da placa de zinco.

O cobre “saiu” da solução e o zinco “entrou” na solução:

Zn(s) + CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq) + Cu(s)

O grupo sulfato (SO4--

) em nada modificou. Houve a simples troca entre dois metais (Zn e Cu).No frasco 6, você observou que a prata , Ag, em solução deslocou o cobre metálico:

Cu(s) + AgNO3 (aq) Ag(s) + Cu(NO3 )2 (aq)

O Zn, por exemplo, é mais reativo que o Cu. Ao passo que, o Cu é mais reativo que a Ag.Por meio de reações desse tipo os químicos organizaram os metais em Ordem (crescente ou

decrescente) de Reatividade Química. O mais reativo (na forma metálica) sempre desloca o menos reativo quando estiver na solução (como composto). O contrário não acontece.

A seguir, apresentamos uma Fila ou Tabela de Reatividade dos principais metais (incluindo o Hidrogênio que não é metal) e, também, de reatividade dos não metais (Ametais); envolvendo os elementos de maior interesse:

Fila de Reatividade :

Metais Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au Ametais F Cl Br I S

Pergunta: Baseado na fila de reatividade, você consegue prever as reações entre: a) Al metal e solução de FeCl3 ? Justifique. b) Ni metal e solução de CuCl2 ? Justifique.

Condutividade elétrica:Antes de entrar em pormenores sobre eletroquímica, cabe ressaltar que todos os materiais

apresentam um grau de resistividade em conduzir a corrente elétrica. Temos assim, maus e bons condutores de corrente elétrica. Os maus condutores são chamados de isolantes. Os metais, apesar de serem bons condutores de eletricidade, oferecem uma certa resistência ao movimento das cargas elétricas pelo fio, transformando parte da energia em calor, que se dissipa no ambiente. Por esse motivo, uma porcentagem significativa dos gastos com produção de eletricidade não trás benefício algum.

Mas, afinal de contas, por que os metais são bons condutores de corrente elétrica?

8

A resposta está na estrutura da matéria. Como você sabe, as partículas elétricas ou cargas elétricas que se movimentam de um ponto ao outro são denominados de elétrons. Isso foi constatado pelo somatório de

15 - Esta pergunta deve ser levada em consideração mais adiante. De qualquer forma, já deixa implícito a idéia de forças de interação entre seus átomos e/ou moléculas e suas vizinhas 16 - Brady, J.E. & Humiston, G.E.,”Química Geral”, Rio de Janeiro:LTC, 1983, 572 p.

várias experiências realizadas por diferentes cientistas, tais como: Crookes, Faraday, Thomsom, Millikan,

Wilson, Rutherford, Pierre e Marie Curie17

. O fato é que, para se ter corrente elétrica é preciso que haja cargas elétricas em movimento

ordenado. No metal o movimento dos elétrons é desordenado. Então, como estabelecer nesse material uma corrente elétrica, que exija movimento ordenado dos elétrons? Bem, é preciso que haja uma diferença de potencial, ddp, entre os pontos do metal, o que pode ser conseguido através de um

bipolo18,19

.

Experiência 7Ligue as duas extremidades de um fio numa lâmpada, figura 7.1. Observe que a lâmpada não acendeu.

Esta 1a etapa pode parecer desnecessária, mas leva o aluno a compreender, de certa forma, que

não basta um fio para gerar corrente elétrica. É preciso aplicar uma força - energia, para movimentar os elétrons ordenadamente e acender a lâmpada, por exemplo.

+ Pilha

_

Fig. 7.1 - Fio conectado diretamente à lâmpada. Fig. 7.2 - Movimento ordenado dos elétrons.

Numa segunda etapa, conecte o fio e a lâmpada numa pilha, figura 7.2. No caso, se a voltagem ou ddp da pilha for de 1,5 volts,a lâmpada terá que ser de 1,5 volts. Fica evidenciado a necessidade de um gerador ( pilha, bateria, etc) para acender a lâmpada, ou seja, “empurrar” os elétrons num movimento ordenado.

Talvez a propriedade que mais caracterize os metais seja sua alta condutibilidade elétrica no estado sólido.

Os compostos iônicos (Na+

Cl-, por exemplo) são bons condutores elétricos apenas quando

fundidos ou, quando dissolvidos em água - isto é, após o rompimento das ligações que mantém os íons formando o cristal.

Pergunta 2: Que tipo de interação intermolecular (entre moléculas) existe entre o cristal iônico e a

água15

?

-

+ - + - + +

- + - + - + íon solvatado por

+ - + - + moléculas de água

cristal iônico

Explica-se a alta condutibilidade elétrica dos metais pelo tipo de ligação de seus átomos. Na ligação metálica, não há elétrons compartilhados, como na Ligação Covalente, ou transferidos de um

9

átomo a outro, como na Ligação Iônica. Os elétrons relativamente “livresca estrutura podem se mover sem pertencer a um determinado átomo.

Nos metais há um “mar de elétrons livres” e ao ser aplicada voltagem a um metal, os elétrons movimentam-se em direção ao pólo positivo (+). Esse movimento de elétrons nada mais é do que a Corrente

Elétrica 14 .Para que uma substância seja classificada como condutora de eletricidade, deve ser capaz de permitir

que as cargas elétricas internas movam-se de um ponto ao outro, com a finalidade de completar o circuito elétrico. A maior parte dos metais são condutores de elétrons. Por quê?

Em 1911, foi descoberto que certos metais, quando submetidos a temperaturas extremamente baixas, poderiam conduzir a eletricidade sem apresentar nenhum tipo de resistência. Abriu-se assim, as

portas para uma verdadeira revolução tecnológica, a descoberta das propriedades supercondutoras20

.

Condução eletrolítica:Para ocorrer a passagem de corrente elétrica num determinado meio é preciso que haja cargas

elétricas livres, num movimento ordenado. Nas soluções contendo íons (eletrólitos) não há elétrons “livres”, como nos metais. Para o transporte da corrente elétrica num líquido é necessário a presença de íons ( na forma de solução de eletrólitos ou sais fundidos ).

O movimento de cargas iônicas através da fase líquida, causado pela aplicação de eletricidade é chamado condução eletrolítica. Durante a condução eletrolítica, temos elétrons escoando por fios externos e íons escoando através da solução.

Reação química pode gerar corrente elétrica - Pilha química (acredite se quiser):Na reação química entre o metal Zn e a solução de CuSO4 , por exemplo, observamos a

deposição de cobre metálico sobre a placa de Zn e zinco passando para a solução na forma de íon. Nesse processo, ocorre uma reação denominada de óxido-redução, ou seja, há ganho e perda de elétrons; o Zn perde elétrons (mais reativo) e o Cu ganha elétrons.

Ora, se no contato direto entre o metal e a solução de outro metal composto há a transferência direta de elétrons, que tal separá-los por um fio condutor?

Semi-reação:

Zn(s) - 2 e- Zn

2+(aq) 1 Zn(s)

Cu

2+ (aq)

+ 2 e

- Cu(s)

CuSO 4 (aq)

Reação global: 2

Zn(s) + Cu2+

(aq)

Cu(s) + Zn2+

(aq Cu(s) Zn(s)

CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq)

Cu (s) Zn (s)

CuSO4 ZnSO4

antes depois

No quadro 1, a reação está representada pela equação acima. No quadro 2 a constatação de que nos dois recipientes não há aparentemente nenhuma reação. E, finalmente, no quadro 3 o contato indireto

10

entre os dois tipos de metais e suas respectivas soluções, possibilita obter um fluxo de elétrons pelo fio externo. Em outras palavras, corrente elétrica.

17 - Rosmorduc, J., “Üma História da Física e da Química - de Tales a Einstein”,Rio de Janeiro:Jorge Zahar Editor, 1985. 199p.

18 - Paraná, D.N.,”FÍSICA”, São Paulo: Ática, 2a. ed., 1994, p.372-376.

19 - Bipolo é a denominação dada a todo dispositivo que apresenta terminais com um pólo (+) e um pólo (-), por exemplo, pilhas e baterias. 20 - Ciência Hoje, 1988,49(9)26-35.

Chamamos de pilha uma fonte de eletricidade resultante de uma reação espontânea de óxido-redução. Através deste princípio, tem-se fornecido energia às nossas lanternas, rádios, brinquedos, etc. Este ramo da Química que estuda a interconversão da energia química em energia elétrica ou vice-versa, denomina-se Eletroquímica

Experiência 8Agora, podemos construir uma pilha simples, utilizando os seguintes materiais:

1 copo de 200 mL 1 lâmpada de 1,5 volt Cu 2 jacarés Mg 2 pedaços de fio condutor (~20 cm) 1 lâmina de Cu 1 fita de Mg 50 mL de H2SO4 1 M

Material e montagem da pilha.

Neste experimento, a constatação da existência dos elétrons que migram de um ponto a outro, através de dois processos: elétrons escoando pelo fio condutor externo e os íons escoando através da solução deixando ou capturando elétrons nos eletrodos (placas).

O conceito de potencial:Os químicos não satisfeitos com a Fila de Reatividade dos metais, que prevê, de certo modo, se

uma reação é espontânea ou não e, aproveitando o conhecimento do funcionamento de uma pilha, decidiram ‘quantificar’a força eletromotriz (fem) entre os eletrodos dos metais participantes, instalando

um voltímetro no circuito externo19

. A fem gerada depende da natureza dos metais envolvidos, da concentração das soluções, da temperatura e da pressão, e corresponde à diferença de potencial (ddp)

existente entre os eletrodos14

.

Experimento 9Para o aluno visualizar melhor a idéia sobre potencial, basta utilizar um pequeno pedaço de

madeira e algumas pilhas usadas e pequenas. Ao colocar uma fileira de pilhas sobre a madeira, conforme vai se inclinando em ângulos cada

vez maiores, o deslocamento das pilhas é mais rápido. Essa analogia pode ser feita com o escoamento de elétrons de um metal para outro.

Metais próximos entre si na Fila de Reatividade, terão um escoamento lento de elétrons, enquanto que os metais muito distantes entre si, terão um escoamento rápido, figura 9.

Lembre-se, energia potencial é uma forma de energia ARMAZENADA. pilha pedaço de madeira (tábua)

Figura 9 - Modelo representativo do escoamento de elétrons

11

O potencial-padrão:Como toda medida, é necessário um referencial (marco zero). Foi escolhido, então, um eletrodo-

padrão (eletrodo de hidrogênio) ao qual se atribuiu o potencial zero. Comparando-se, numa pilha, a ddp entre o eletrodo de hidrogênio e um segundo eletrodo de outro tipo, estabeleceu-se uma Tabela de

Potenciais-Padrão para alguns eletrodos, a 25o e 1 atm. Assim, é possível prever se uma determinada

reação irá ocorrer espontâneamente ou não. H2(g)

H+

Reações químicas provocadas por corrente elétrica:Todo mundo já ouviu falar de pára-choques “cromados”, jóias “banhadas a ouro”e parafusos

“niquelados”. Essas peças são feitas de cromo, ouro ou níquel; elas apenas recebem uma camada desses metais para protegê-las da oxidação e de qualquer outro processo de corrosão e também para que adquiram aspecto atraente.

Chamamos eletrólise o processo pelo qual se faz passar corrente elétrica através da solução, promovendo uma reação NÃO espontânea de oxiredução.

Para depositar camadas metálicas sobre peças, existem algumas técnicas. Uma das mais importantes é a galvanização, que nada mais é que uma aplicação da eletrólise. Outra aplicação importante da eletrólise é a produção de algumas substâncias de larga utilização, como a soda cáustica, o gás cloro e os hipocloritos. É também por eletrólise que se obtêm, em estado de elevada pureza, alguns

metais como o alumínio, o níquel e o cobre22

.Na eletroquímica, designamos os termos catodo e anodo de acordo com a reação química que está ocorrendo no eletrodo. A REDUÇÃO SEMPRE OCORRE NO CATODO e a OXIDAÇÃO SEMPRE OCORRE NO ANODO.

Experiência 10Um dos experimentos clássicos sobre eletrólise é na obtenção dos gases hidrogênio e oxigênio. Utilizando o dispositivo abaixo, a obtenção dos gases se dá em cada um dos eletrodos.

Recipiente plástico de ~350mL dois bastões de grafite retirados de pilhas usadas 2 jacarés 1 transformador de voltagem 1 suporte de madeira para apoiar o recipiente 2 tubos de ensaio

solução 0,1% de NaOH ou solução de H2SO4 ~ 0,01 M

O ideal é trabalhar com uma voltagem de ~ 12 volts. O uso de pilhas acaba prejudicando, muitas vezes, o experimento pelo seu rápido desgaste, devendo-se substituir por um pequeno transformador de voltagem.

Depois de recolher uma quantidade suficiente dos dois gases, deve-se testar as propriedades do gás hidrogênio (detonante, explosivo - é um gás combustível), e no outro tubo de ensaio o gás oxigênio, que reaviva a chama.

No caso de eletrólise de NaCl fundido,por exemplo, podemos representar a reação abaixo:

12

Eletrodo (+) 2 Cl- (l) ------- Cl2 (g) + 2 e

- oxidação - ânodo

Eletrodo ( - ) 2 Na+

(l) + 2 e-

-------- 2 Na(l) redução - cátodo

13

gerador (+) ( - ) Cada íon, disperso na fase líquida, é atraído para o eletrodo (placa) com carga oposta. Quando os íons alcançam os eletrodos, + ocorrem as reações químicas. No eletrodo positivo (onde há defici- + ência de elétrons), os íons negativos depositam elétrons e são, por- + tanto, oxidados. No eletrodo negativo (com excesso de elétrons), + os íons positivos (cátions) retiram elétrons e são reduzidos16. + - + - + -

Considerações finais:

Nos experimentos apresentados neste curso, de nada adianta realizar estas experiências se o educador não envolver o aluno com palavras-chave, ou seja, inserir palavras novas e levá-lo a pensar de forma lógica os conceitos que o aluno deve incorporar em cada etapa.

A evidência de partículas elétricas da matéria, com o uso de eletroscópios e do eletrolizador, inicia uma discussão sobre a Natureza Elétrica da Matéria. O confronto entre diferentes metais e seus respectivos compostos em solução (reatividade química), como a da modificação de suas propriedades físicas e a construção de uma pilha, revelam um lado fascinante e menos dogmático do Ensino de Química.

Além disso, durante as experiências, deve-se buscar uma atmosfera mais próxima de acontecimentos do passado e suas repercussões no presente. Um exemplo interessante é a utilização do metal alumínio. Embora o alumínio seja um dos elementos mais comuns na Terra, ele era praticamente desconhecido a cerca de 200 anos atrás. Quando Napoleão oferecia um banquete, somente os convidados mais ilustres eram servidos com facas e garfos de alumínio. Os menos importantes tinham que contentar-se com talheres de ouro ou prata1 !

Finalmente, é preciso superar o medo de se realizar experimentos em sala de aula. Mesmo em condições adversas, baixos salários dos professores, turmas lotadas, sobrecarga de horário, etc.

21 - O voltímetro é um aparelho que mede a ddp ou a tensão elétrica ou a força elétrica do circuito.22 - Ciscato, A.M.C., Revista de Ensino de Ciências, 1988, 21, pág.24-36.

Bibliografia recomendada . Arribas, S.D., “EXPERIMENTOS DE FÍSICA AO ALCANCE DE TODAS AS ESCOLAS”, Rio de

Janeiro:FAE, 1a ed., 1988, 146p.

. Coch, J.A., et al., “ENSINANDO A QUÍMICA ATRAVÉS DE EXPERIÊNCIAS NOS CURSOS DE SEGUNDO GRAU”, Rio Grande:Ed. da FURG, 1988, 103p.

14

. E as referências indicadas nos rodapés.

15