redox

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REACÇÕES DE REACÇÕES DE OXIDAÇÃO - REDUÇÃO OXIDAÇÃO - REDUÇÃO

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Page 1: Redox

REACÇÕES DE REACÇÕES DE OXIDAÇÃO - REDUÇÃOOXIDAÇÃO - REDUÇÃO

Page 2: Redox

oxidante + n e- redutor

Reacções de Oxidação-Redução (redox)

envolvem troca de electrões

oxidante 1 + redutor 2 redutor 1 + oxidante 2

redutor dá electrões (e-)

oxidante recebe electrões (e-)

As reacções são escritas como reduções:

Page 3: Redox

Noções:Cálculo de estado de oxidação:O (-2), H (+1) excepto em hidretos H (-1)Elementos no estado metálico estado de oxidação = 0

Cr2O72- + 3 SO3

2- + 8 H+ 2 Cr3+ + 3 SO42- + 4 H2O

Cr2O72- (Cr6+ )

Cr3+ (Cr3+ )

SO32- (+4)

SO42- (+6)

Como identificar uma reacção de oxidação-redução ?

Cr6+ + 3 e- Cr3+ foi reduzido ... oxidante

SO42- + 2 e- SO3

2- foi oxidado ... redutor

Estequiometria (x2 ...x 3)

Page 4: Redox

Acerto de equação redox – Método do IÃO ELECTRÃO

1. Escrever as equações parciais para cada espécie.

Cr2O72- Cr3+

SO32- SO4

2-

2. Igualar o nº de átomos de cada lado da equação – adição de H2O e H+ (ou OH-).

14 H+ + Cr2O72- 2 Cr3+ + 7 H2O

H2O + SO32- SO4

2- + 2 H+

3. Tornar as equações neutras (electricamente) por adição conveniente de electrões.

(14 H+ + Cr2O72- + 6 e- 2 Cr3+ + 7 H2O) x 1

(H2O + SO32- SO4

2- + 2 H+ + 2 e-) x 3

Page 5: Redox

4. Somar as equações envolvidas (de modo a eliminar os electrões!).

Cr2O72- + 3 SO3

2- + 8 H+ 2 Cr3+ + 3 SO42- + 4 H2O

Interesse do acerto das equações redox:

Do ponto de vista analítico para o cálculo do nº de equivalentes envolvidos.

Equivalente = P.M.

Nº de electrões trocados

Ex: Cr2O7 = ( Cr3+)

Eq =P.M.

2 x 3

nº de átomos de Cr variação do N.O.

Page 6: Redox

EXEMPLO: Reacção de dismutação

P4 + OH- PH3 + H2PO2-

0 -3 +1

2 x (+ 1) + X + (2 x (-2)) = -1

3 x (8 OH- + P4 4 H2PO2

- + 4 e-)

(12 e- + 12 H2O + P4 4 PH3 + 12 OH-)

oxidação

redução

12 H2O + 4 P4 + 12 OH- 12 H2PO2- + 4 PH3

Page 7: Redox

Transformação de Energia Química em Energia Eléctrica

Pilhas Eléctricas

Zn2+ Ag+

Zn 0 Ag 0 - +ponte salina

KNO3

KCl

oxidante + n e- redutor

Zn2+ + 2 e- Zn0

Ag+ + e- Ag0

Definições:PilhaEléctrodoElemento de Pilha (Half – Cell)Reacção de Eléctrodo

Page 8: Redox

Diferença de Potencial (E)Força Electromotriz (f.e.m.)

Volt (V)miliVolt (mV)

Zn0 | Zn2+ || Ag+ | Ag0

f.e.m. +- ?

convenção do sinal:

Representação de uma pilha:

ContactoEléctrodo / Solução

Ponte salina

Pt, H2 | H+ || Zn2+ | Zn0

Page 9: Redox

Convenções:

1) Oxidação no eléctrodo da esquerda

Redução no eléctrodo da direita

Zn0 | Zn2+ || Ag+ | Ag0

a reacção que tem lugar é:

Zn + 2 Ag+ Zn2+ + Ag0

oxidante

redutor

Page 10: Redox

2) f.e.m. = Edireita – Eesquerda = Eredução – Eoxidação=E

eléctrodo de H2 sempre à esquerda (ref.)

3) Reacção postulada em 1)

Reacção espontânea f.e.m. positiva

Polaridade: esquerda direita

- +

4) Nestas condições

eléctrodo da esquerda

eléctrodo da direita

-+

Page 11: Redox

Convenção Europeia de Sinais

(IUPAC)

As reacções devem ser escritas como reduções

oxidante + n e- redutor

Zn2+ + 2 e- Zn0

Page 12: Redox

Potencial Normal

Pt, H2 | H+ || Ag+ | Ag0

+-

[H+] = 1 M, [Ag+] = 1 M

E = E0 = + 0,81 V

Reacção espontânea, > 0

Ag+ é um oxidante mais forte que H+

Ag+ Ag0

½ H2 + Ag+ H+ + Ag0

Page 13: Redox

Potencias RelativosReferência

Eléctrodo de H2 padrão

Para um dado sistema X, o potencial medido em relação ao eléctrodo de H2 padrão é o seu potencial absoluto E.

Page 14: Redox

Série Electroquímica de Metais

Ox + n e- red f.e.m. +

Ox + n e- red f.e.m. –

Em relação electrodo de referência H2

Par redox E0 (Volt)

Na+ + e- Na0 -2,71

Zn2+ + 2e- Zn0 -0,76

Cd2+ + 2e- Cd0 -0,40

Pb2+ + 2e- Pb0 -0,13

H+ + e- ½ H2 0

Cu2+ + 2e- Cu0 +0,35

Ag+ + e- Ag0 +0,81

Au+ + e- Au0 +1,50

oxidantes + fortes que H+

Page 15: Redox

Sentidos das Reacções

Dois exemplos:

Consideremos que vamos arbitrar as pilhas a considerar e que as actividades das espécies são unitárias (potenciais normais).

A

Zn0 | Zn2+ || Cu2+ | Cu0

Zn, Cu

Zn0 + Cu2+ Zn2+ + Cu0

E0 Cu2+/Cu0 = + 0,345 VE0 Zn2+/Zn0 = -0,76 V

f.e.m. = E0 = Edir – Eesq = + 0,345 - (-0,76) = 1,105 V

E > 0 , G < 0

ox. red.

sentido da reação

Page 16: Redox

B Reacções sem estado metálico

Fe3+ Sn2+

Fe3+ + e- Fe2+ E0 = 0,77 V

Sn4+ + 2 e- Sn2+ E0 = 0,14 V

Pt | Sn2+, Sn4+ || Fe3+, Fe2+ | Pt

f.e.m. = E0 = Edir – Eesq = 0,77 – 0.14 = 0,63 V

f.e.m. + esquerda oxidação direita redução

2 Fe3+ + Sn2+ 2 Fe2+ + Sn4+

Cu2+/ Cu0

Zn2+/ Zn0

Sn4+/ Sn2+

Fe3+/ Fe2+

E0 = 1,105 V

E0 = 0,63 V

Eléctrodo de hidrogénioP

oten

cial

Page 17: Redox

Previsão do sentidos das reacções

Exemplo:

Zn2+ + 2 e- Zn0 E01 = - 0,763 V

2 Ag+ + 2 e- 2 Ag0 E02 = + 0,799 V

1

21

2

- Zn2+ + 2 Ag0 Zn0 + 2 Ag+ E0=Eºred-Eºox=-1,562 V

E0 < 0 G0 > 0

logo ocorre a reacção inversa à determinada

Zn0 Zn2+

Ag+ Ag0

Critérios:

Page 18: Redox

G0 = - n FE0

Equações fundamentais

n – número de electrões trocados

F – constante de Faraday (~9.6 x 104 C/mol)

G0 = - 2,3 R T log K

R – constante de gases perfeitos

T – Temperatura (K)

G0 E0 K

Page 19: Redox

Equação de Nernst(condições não padrão)

reagentes produtos

ox + n e- red

E = E0 + RT /nF ln {(reag) / (prod)}

E = E0 + 0,059 /n log { (reag) / (prod)}

Mn+ + n e- M0

E = E0 + 0,059 /n log {(Mn+) / (M0)}

E = E0 + 0,059 /n log { [oxid] / [red]}

Page 20: Redox

No equilíbrio G = 0; E = 0

E0 / 0,059 = - log {[oxid] / [red]}

E0 / 0,059 = - log { [oxid] / [red]} = log K

a A + b B + ... + n e- c C + d D

E = E0 - 0,059 /n log {[C]c [D]d / [A]a [B]b}

para concentrações unitárias

ou

{[C]c [D]d / [A]a [B]b} =1

E = Eº

Page 21: Redox

Algumas considerações:

G0 são aditivos

E0 não são aditivos

E0 = (ni E0i) / n

i

G0 = G0i

i

- n F E0 = - F (ni E0i) / n

i

ni – número de electrões trocados nas reacções parciais

n – número de electrões trocados na reacção global

Exemplo: Fe3+ + e- Fe2+ 0,77 V n1 = 1

Fe2+ + 2 e- Fe0 0,44 V n2 = 2

Fe3+ + 3 e- Fe0 ? n3 = 3

E0 = (1 x 0,77 + 2 x 0,44) / 3 = 0,55 V

Page 22: Redox

Pilha de Concentração

Cu0 Cu2+ + 2 e- (0,01 M)

Cu0 Cu2+ + 2 e- (1 M)

Cu | Cu2+, (1 M)|| Cu2+, (0,01 M) | Cu

E = 0 + 0,059/2 log (0,01/1) = - 0,060 V

Cu Cu

1 M 0,01 MCu2+Cu2+

Page 23: Redox

Efeito do pH

MnO4- + 8 H+ + 5 e- Mn2+ + 4 H2O

meio ácido

oxid + m H+ + n e- red + m/2 H2O

E = E0 RT ln (red)nF (ox) (H+)m

prod.reag.

E = E0 0,059 log (red) m 0,059 pHn (ox) n

Page 24: Redox

meio básico

oxid + m H2O + n e- red + m OH-

estados padrãoácido padrão [H+] = 1 M

básico padrão[OH-] = 1 M

[H+] = 10-14 M

E = E0 + 0,059 log (ox) - m 0,059 pHn (red) n

E0B = E0

A - m x 14 x 0,059n

0,83

Page 25: Redox

Condição Básica:

[H+] = 1 M E0B (H+/H2) = 0,83 V

pH = 0 E = -0,059 pH = -0,059 x 14

Factor correctivo:

Adicionar + 0,83 V de modo que E0B(OH-/H2) = 0

Nota:

E = E0 - RT ln (red) - m RT pH nF (ox) n nF

EA = E0 - 0,059 log (red) - 0n (ox)

EB = E0 - 0,059 log (red) - 0,059 log 10-14

n (ox) n

pH = 0

pH = 14

E0A = E0

B + m 0,059 x 14n

E0A = E0

B + 0,83 (m = n)

Page 26: Redox

Diagrama pH / Potencial Redox

Exemplo: V (V) / V (IV) I0 / I-

E

pH

E0I2/I-

V(V) / V/(IV)

1/2 I2 + e - I - independente do pH

VO3- + 4 H+ + e - VO2+ + 2 H2O

E = E0 - 0,059 log (V(IV)) - 0,059 x 4 pH

1 (V(V)) 1

em condições unitárias ( ) = 1 E = E0 - 0,236 pH

Page 27: Redox

Formação de complexosreagentes produtos

ox + n e- red

E = Eo + 0,059 / n log {(reag) / (prod)}

E = Eo + 0,059 / n log {(ox) / (red)}

E = Eo + 0,059 / n log {(Fe3+) / (Fe2+)}

Efeito de formação de complexos com um ligando L (balanços de massas)

Cox = (ox) + (L-ox)

Cred = (red) + (L-red)

Kox = (L-ox) / (ox) (L) o mesmo para Kred

Page 28: Redox

Cox = (ox) + Kox (ox) (L) = (ox) {1+ Kox (L) }

Cred = (red) + Kred (red) (L) = (red) {1+ Kred (L) }

( Cox red) E = E0 + 0,059 / n log ________

(Cred ox)

Kox >>>> Kred

mais estável o complexo com a forma oxidada

ox >>>>> red

Potencial redox torna-se mais negativo Sistema mais redutor

o

x

red

Page 29: Redox

par redox potencial redox (mV)

Fe3+/ Fe2+ + 760

6 x CN-Fe3+ / 6 x CN-Fe2+ + 260

cit Fe3+ / cit Fe2+

His - Fe - His

- 300

Page 30: Redox

Diagramas de Força ElectromotrizDiagramas de Latimer

Representação de potenciais de eléctrodo

Relação entre pares redox

BrO3- BrO- 1/2 Br2 (I) Br-

0,54 0,45 1,07

0,52

0,78

0,68

a) Não representam todos os equilíbrios de modo extensivo.

BrO3- BrO - E0

B = 0,54 V

Significa: BrO3- + 2 H2O + 4 e- BrO- + 4 OH-

Page 31: Redox

b) Para o cálculo de outros valores de E0 dentro do diagrama pode-se servir da regra de adição em G0 (e não em E0).

BrO- 1/2 Br2 E0B1 = 0,45 V n = 1

Br2 Br- E0B2 = 1,07 V n = 1

1

2

1 2+ BrO- Br - E0B = ? n = 2

E0B (BrO- Br-) = 1 x 0,45 + 1 x 1,07 = 0,78 V2

c) outro exemplo:

BrO3- BrO- E0B1 = 0,54 V n = 4

BrO- Br- E0B2 = 0,76 V n = 2

1

2

1 2+ BrO3- Br - E0B = ? n = 6

E0B (BrO3- Br-) = 4 x 0,54 + 2 x 0,76 = 0,68 V

6

Page 32: Redox

Diagramas EQUIVALENTE - VOLTDiagramas de FROST

Método Gráfico desenvolvido indepedentemente por Frost (1951) eEbsworth (1964)

Diagramas construídos a partir do potencial normal do eléctrodo (potencial de redução) medido em relação ao estado neutro.

Go = - n FEo

- Go / F = n Eo = equivalente-Volt

representar eq-Volt em função de n

coeficiente angular da recta = Eo

equivalente-Voltproduto do estado de oxidação do elemento pela f.e.m. (redução) do elemento de pilha, constituído pela substância no estado de oxidação n e pelo elemento no estado padrão (neutro).

Frost, A.A., J. Am. Chem. Soc. 73, 2680 (1951)Friedel, A. E Murray R., J. Chem Ed. 54, 485 (1977)

Page 33: Redox

Go = - n F Eo

- Go / F = n Eo = equivalente-Volt

utilização do gráfico

a espécie mais estável corresponde ao ponto mais baixo no diagrama

coeficiente angular da linha que une dois estados de oxidação corresponde à f.e.m. da pilha constituída por aqueles elementos

a representação gráfica permite uma fácil visualização do comportamento redox

Eo > 0 espécies oxidantesEo < 0 espécies redutoras

Page 34: Redox

Eo equiv-Volt

Fe2+ + 2 e- Feo 0.44 V 2 x 0.44 = 0.88Fe3+ + 3 e- Feo 0.55 V 3 x 0.55 = 1.65

Eq/V

n0 1 2 3

Fe Fe2+

Fe3+

A

B

C

C

B

A B

C

A

A B C 2 B A + C A + C B equilíbrio dismutação

Page 35: Redox

Utilização de um diagrama

a) Go = - n Eo F

A espécie mais estável corresponde ao ponto mais baixo do gráfico. Para atingir um outro estado é necessário fornecer energia.

A estabilidade termodinâmica de uma espécie aumenta quanto menos positivo ou mais negativo for o valor do equivalente - Volt.

b) O coeficiente angular da linha que liga dois estados de oxidação é igual à f.e.m. da pilha constituída por aqueles elementos.

c) A representação gráfica assim descrita, permite uma visualização fácil da estabilidade das espécies assim como prevê o seu comportamento redox.

Page 36: Redox

Coeficiente angular positivo E > 0Corresponde a espécies oxidantes

Coeficiente angular negativo E < 0Corresponde a espécies redutoras

Nota: a) Se três espécies estão sobre a mesma linha, K = 1

A

B

C

b) Ocorre dismutação (auto oxi-redução) se uma dada espécie existe acima da linha que une duas espécies redox

C

B

A

Eo B/C < Eo B/A B A + CB oxidado a C

B reduzido a A

Page 37: Redox

Construção de um diagrama de estado de oxidação

Consideremos as espécies redox contendo azoto:

NH4OH

-3

N2H4

-2

NH2OH

-1

N2

0

N2O

+1

NO+2

N2O-

+3

N2O4

+4

NO3-

+5

em meio ácido algumas destas espécies redox podem sofrer protonação,

NH3OH+

-1

N2H5+

-2

NH4+

-3HNO2

+3

HNO3

+5

É necessário definir a condição padrão de tal modo que :

H+ / H2 e OH- / H2tenham inclinação ZERO

Page 38: Redox

Condição Ácida

[H+]= 1 M E0A (H+/H2) = 0

Exemplos de cálculo

equivalente - Volt N2H4 estado de oxidação = -2

1/2 N2 (g) + 2 H2O + 2 e- 1/2 N2H4 + 2 OH-

E0B = -1,16 V

Condição Básica E0OH-/H 2

EV = (-1,16 + 0,83) (-2) = 0,66 V(N2H4)- Go / F = n Eo

equivalente - Volt NO3-

EV = (0,25 + 0,83) (+5) = 5,40 V(NO3

-)

Espécies N2, NO, NO2, NO4 são independentes do pH

E0A = E0

B

Page 39: Redox

Diagrama de Estado de Oxidação para o Azoto

(Cond. Básica)

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5número de oxidação

equi

vale

nte

- vo

lt

0

1

2

3

4

5

6

NH4OH

N2H4

NH2OH

N2

N2O

NONO2

-

N2O4

NO3-

OH-/H2

Page 40: Redox

Algumas previsões possíveis a partir do diagrama calculado

a) A espécie N2O4 está acima do segmento de recta que une NO2

- e NO3-, logo sofre a seguinte reacção de

dismutação.

N2O4 + 2 OH- NO2- + NO3

- + H2O

N2O4 é termodinamicamente instável.

b) É termodinamicamente estável a reacção entre duas espécies unidas por um segmento de recta para dar uma espécie que fique abaixo desse segmento de recta.

NO + 1/2 N2O4 + 2 OH- 2 NO2- + H2O

Page 41: Redox

Exemplo:

IO3-

+5

I2

0

I-

-1Pares Redox

Qual a relação entre os pares redox?

1/2 I2 + e- I-

3 H2O + 1/2 I2 IO3- + 6 H+ + 5 e-

3 H2O + 3 I2 5 I- + IO3- + 6 H+

reacção global

Page 42: Redox

IO3- + I- I2

Diagrama de Estado de Oxidaçãoeq

uiva

lent

e -

Vol

t kJ

Nº de oxidação

-2 0 2 4 6

-200

0

200

400

600

800

70 kJ

I2 está abaixo da linha que une IO3- e I-, logo

I2 é termodinamicamente mais estável.

G -70 kJ

-RTlnK = -70

K = 2 x 1012

I-

I2

IO3-

Page 43: Redox

Mn2+, MnO2, MnO4

Quais as que são estáveis a pH = 0 ?

Verificar com o par redox H+/H2.

H2

Mn2+

H+, Mn

H2 H+, Mn

MnO4-

a) H+ oxida Mn a Mn2+

os reagentes estão acima da linha H2 – Mn2+

b) H+ não oxida Mn a MnO4-

A pH = 0 as únicas espécies estáveis são Mn2+ e MnO2

Page 44: Redox

I-, MnO42-

I-, MnO42-

I-, MnO42-

I-, MnO42-

I2

I2

I2

I2

MnO3-

MnO2

Mn(OH)3Mn(OH)2

1

23

4

Page 45: Redox

MnO4-

I2

MnO3-

5

MnO42-, I-

IO-

6

I2, MnO42-

MnO3-

IO3-

IO- MnO42-

7

I2

IO3-

IO-

8

1

6

7

8

2 3 4 5 6, , , , , MnO3- MnO2

Mn(OH)3 Mn(OH)2 I2

Formação

IO-

IO3-

IO- decompõe-se em IO3- e I2

Page 46: Redox

MnO3-

9

MnO4-

MnO2

Mn(OH)3

10

MnO2

Mn(OH)2

MnO3- MnO2, MnO4

- Mn(OH)3 Mn(OH)2, MnO2

IO2

Mn(OH)2

I-, MnO2

IO2 – não reage

MnO2 + I- Mn(OH)2 + I2

15 I- + 2 MnO4- + 16 H+ 5 I3

- + 2 Mn2+ + 8 H2O