relatÓrio tÉcnico - pilhas galvÂnicas e pilhas de concentraÇÃo

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS CAMPUS POÇOS DE CALDAS PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO CURSO ENGENHARIA CIVIL – QUÍMICA EXPERIMENTAL PROFESSORA: ANA PAULA BRESCANCINI RABELO CARLOS EDUARDO BARALDI

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Page 1: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

CAMPUS POÇOS DE CALDAS

PILHAS GALVÂNICAS

E

PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

CURSO ENGENHARIA CIVIL – QUÍMICA EXPERIMENTAL

PROFESSORA: ANA PAULA BRESCANCINI RABELO

CARLOS EDUARDO BARALDI

SETEMBRO de 2010

Page 2: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

SUMÁRIO

RESUMO PÁGINA 3

OBJETIVO PÁGINA 4

INTRODUÇÃO PÁGINA 5

MATERIAIS E REAGENTES PÁGINA 13

MÉTODOS PÁGINA 14

RESULTADOS PÁGINA 18

CONCLUSÕES PÁGINA 22

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PÁGINA 23

Página | 2

Page 3: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

RESUMO

O presente relatório refere-se a um estudo experimental

realizado no laboratório de Química da Faculdade Pontifícia

Universidade Católica de Minas Gerais, campus Poços de Caldas,

sob orientação da professora Ana Paula Brescancini Rabelo.

O experimento realizado foca a construção e a análise de

pilhas galvânicas.

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Page 4: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

OBJETIVO

O objetivo deste trabalho é determinar experimentalmente o

funcionamento de pilhas galvânicas e comparar os resultados

obtidos pelos experimentos com a l i teratura.

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Page 5: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

INTRODUÇÃO

De acordo com as teorias de eletroquímica, a oxidação é um

processo que resulta na perda de um ou mais elétrons pelas

substâncias (átomos, íons ou moléculas). Quando um elemento

está sendo oxidado, seu estado de oxidação altera-se para valores

mais posit ivos. O agente oxidante é aquele que aceita elétrons e é

reduzido durante o processo. Tal definição de oxidação é bastante

generalizada e, portanto, aplica-se também aos processos nos

estados sólido, fundido e gasoso.

A redução é, por sua vez, um processo que resulta em ganho

de um ou mais elétrons pelas substâncias (átomos, íons ou

moléculas).

Quando um elemento está sendo reduzido, seu estado de

oxidação atinge valores mais negativos (ou menos posit ivos). O

agente de redução é conseqüentemente aquele que perde elétrons

e que se oxida no processo. Novamente, é uma definição bem

generalizada e aplica-se também aos processos nos estados

sólido, fundido e gasoso.

Observa-se que a oxidação e a redução sempre ocorrem

simultaneamente.

Em uma pilha galvânica uti l iza-se de uma reação espontânea

de óxido-redução como fonte de energia. Nesse caso, as reações

de óxido-redução ocorrem quando os agentes oxidantes e

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Page 6: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

redutores não estão em contato direto, portanto a pilha deve ser

construída separando-se fisicamente a reação global em duas

semi–reações eletródicas, uma delas envolvendo a oxidação e a

outra a redução.

Os elétrons l iberados no eletrodo onde há oxidação (ânodo)

passam pelo circuito externo para o eletrodo onde há redução

(cátodo).

Por exemplo a reação;

Mg ( s ) + 2 Ag+( aq ) Mg2+

( aq ) + 2 Ag ( s )

pode ser obtida pela adição das semi-reações eletródicas;

Ânodo (oxidação): Mg ( s ) Mg 2+( aq ) + 2 e -

Cátodo (redução): Ag+( aq ) + e - Ag ( s )

No ânodo (polo negativo), átomos de magnésio se dissolvem

deixando elétrons no metal, já que os membros não podem existir

l ivres em solução e formando íons magnésio que vão para a

solução.

No cátodo (pólo posit ivo), íons prata são removidos da

solução à medida que recebem elétrons e aí se depositam como

átomos de prata. A neutralidade elétrica das soluções é

estabelecida pelo f luxo de íons através de uma ponte salina. O

fluxo de elétrons do ânodo para o cátodo pode ser detectado por

um voltímetro que fornece a diferença de potencial entre os

eletrodos.

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Page 7: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

A tendência que possui um elemento para perder ou ganhar

elétrons varia de acordo com sua posição na série eletroquímica. O

potencial normal de redução é uma quantitativa desta tendência.

Como não é possível medir o potencial absoluto de um eletrodo,

mede-se seu potencial relativo, tomando como padrão o eletrodo

normal de hidrogênio, ao qual foram atribuídos, arbitrariamente, o

potencial 0,00 volts.

Aos eletrodos que perdem elétrons mais facilmente que o

hidrogênio, é atribuído potencial de redução negativo (-); aos

outros são atribuídos potenciais posit ivos (+).

ELETRODOS NAS PILHAS GALVÂNICAS

Os eletrodos em uma célula servem como disposit ivos de

remoção de elétrons do agente redutor no ânodo e fonte de

elétrons para o agente oxidante no cátodo. Qualquer eletrodo pode

funcionar como cátodo ou como ânodo. Neste experimento serão

usados eletrodos metal-íon metálico.

PILHAS GALVÂNICAS

Basicamente uma pilha galvânica apresenta os seguintes

componentes:

a) Ânodo : eletrodo em que há oxidação (corrosão) e onde

a corrente elétrica na forma de íons metálicos posit ivos, entra no

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Page 8: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

eletrólito;

b) Eletrólito : condutor (usualmente um líquido) contendo

íons que transportam a corrente elétrica do ânodo para o cátodo;

c) Cátodo : eletrodo onde a corrente elétrica sai do

eletrólito ou o eletrodo no qual as cargas negativas (elétrons)

provocam reações de redução.

d) Circuito metálico : l igação metálica entre o ânodo e o

cátodo por onde escoam os elétrons, no sentido ânodo - cátodo.

A corrente elétrica convencional tem sentido contrário ao de

elétrons. Considerando o sentido convencional, o cátodo é o

eletrodo negativo (-) e o ânodo posit ivo (+); no sentido real os

sinais são contrários, isto é, ânodo (-) e cátodo (+).

A pilha é caracterizada por uma diferença de potencial entre

seus eletrodos, em circuito aberto é a sua força eletromotriz. Ela é,

segundo a convenção de sinais usada pela IUPAC, igual a:

Epilha=Ecátodo−Eânodo

A tensão (voltagem) padrão para uma reação numa pilha, é

a tensão (voltagem) medida quando todos os íons e moléculas em

solução estão na concentração 1mol/L e todos os gases estão na

pressão de 1atm. Quando um voltímetro ou outro disposit ivo de

medida de tensão é l igada a uma pilha ele indica uma diferença de

potencial elétrico (volts).

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Page 9: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

EFEITOS DA CONCENTRAÇÃO SOBRE A TENSÃO DA CÉLULA

Consideramos pilhas em que os reagentes e os produtos

se encontram nos estados-padrão. A tensão produzida por uma

pilha depende das concentrações dos reagentes e produtos, e esta

relação pode ser prevista qualitativamente pelo princípio de Le

Châtelier. Consideremos a pilha de Daniell,

Zn(s )/Zn(aq)2+¿ /¿Cu( aq)

2+¿/ Cu( s) ¿¿

A 25ºC, a tensão que a célula produz é 1,10V. Se a

concentração do íon zinco for reduzida abaixo de 1mol/L,

poderemos supor, de acordo com o princípio de Le Châtelier, que

uma diminuição da [Zn 2+ ] acarretará um aumento da tendência de

ocorrer à reação de oxidação e, assim, deveremos observar um

aumento na tensão produzida pela célula. Semelhantemente, com

um decréscimo da [Cu 2+ ] na pilha de Daniell, decresce a tendência

de ocorrer à reação de redução no cátodo, e, igualmente, de

ocorrer à reação da célula, portanto a tensão observada na célula

é inferior ao valor 1,10V.

A dependência da tensão da célula com as concentrações

pode ser descrita quantitativamente. Para tal dependência, usa-se

a equação de Nernst. Seja a reação redox geral a 25ºC:

aA+bB→cC+dD

Onde A, B, C e D são espécies cujas concentrações

podem ser alteradas. Então a equação pode ser escrita como

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Page 10: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

E=Etot al0 − RT

nFln

(conc .C )c∗(conc .D)d

(conc . A)a∗(conc .B)b

E = voltagem a uma determinada concentração.

E0t o t a l = voltagem-padrão.

n = número de moles de elétrons transferidos na equação.

R = constante da lei dos gases, 8,31J/mol.K.

T = temperatura absoluta em K;

F = constante de Faraday, 96485coulombs/mol, ou 1joule =

1mol x 1coulomb, F=96485J/V.mol.

Substituindo as constantes e convertendo o logaritmo na

base 10, a equação de Nernst terá a seguinte forma, a 25°C:

E=Etot al0 −0,0591

nlog10

(conc .C )c∗(conc . D)d

(conc . A)a∗(conc . B)b

Considerando as concentrações de espécies em solução

aquosa elas serão expressas sob a forma de molaridade, mol/L,

concentrações de gases são expressas sob a forma de pressões

parciais, (P) e sólidos ou líquidos puros não aparecem na equação.

TIPOS DE PILHA

Pela equação de Nernst observa-se que aparece uma

diferença de potencial entre dois eletrodos quando:

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Page 11: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

1. Os eletrodos são constituídos de diferentes substâncias e

possuem, portanto, diferentes potenciais;

2. Os eletrodos são da mesma substância, mas as soluções

contêm concentrações diferentes;

3. Os eletrodos são da mesma substância e as soluções contêm

concentrações iguais, mas os eletrodos estão submetidos a

diferentes pressões parciais de substâncias gasosas;

PRINCIPAIS TIPOS DE PILHAS:

PILHA DE ELETRODOS METÁLICOS DIFERENTES

É o tipo de pilha que ocorre quando dois metais ou l igas

metálicas diferentes estão em contato e imersos num mesmo

eletrólito, é a chamada pilha galvânica ou corrosão galvânica. Por

observações sabe-se que o metal mais ativo na tabela de potencial

de eletrodo, é que funciona como ânodo da pilha. Por exemplo, no

caso do ferro em contato metálico com cobre e imersos em um

eletrólito, como água salgada, ocorre uma transferência de

elétrons do ferro (ânodo) para o cobre (cátodo).

PILHA DE CONCENTRAÇÃO

Existem casos em que se têm materiais metálicos de mesma

natureza, mas que podem originar uma diferença de potencial

formando pilhas e, ocasionando processos de corrosão. Isto ocorre

quando se tem um mesmo material metálico em contato com

diferentes concentrações de um mesmo eletrólito ou em contato

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Page 12: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

com o mesmo eletrólito, porém em locais em que os teores de

gases dissolvidos são diferentes.

PILHA DE CONCENTRAÇÃO IÔNICA

Pilha formada por material metálico de mesma natureza, em

contato com soluções de diferentes concentrações.

Pode-se verif icar que, diminuindo-se a concentração dos

íons Mn+ aumenta-se a tendência à perda de elétrons.

- Ânodo: aquele que estiver imerso na solução mais diluída;

- Cátodo: aquele que estiver imerso na solução mais concentrada.

OXIDAÇÃO

MATERIAIS E REAGENTES

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Page 13: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Materiais

Béquer de 100mL e de 250mL.

Placa de Cobre – Cu

Placa de Ferro – Fe (pregos)

Placa de Zinco - Zn

Tubo de vidro em U

Voltímetro

Reagentes

CuSO4 – 0,1mol/L

FeSO4 – 0,1mol/L

FeSO4 – 0,01mol/L

ZnSO4 – 0,1mol/L

KCl – 3M

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Page 14: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

MÉTODOS

Para a construção da primeira pilha usada no experimento,

uma lâmina de cobre é colocada em uma solução 0,1mol/L de

sulfato de cobre (CuSO 4) e uma lâmina de zinco, em uma solução

de 0,1mol/L de sulfato de zinco (ZnSO 4).

Na construção da segunda pilha usa-se uma lâmina de cobre

que será colocada em uma solução 0,1mol/L de sulfato de cobre

(CuSO4) e uma lâmina de ferro, em uma solução de 0,1mol/L de

sulfato de ferro (FeSO 4).

Para a construção da terceira pilha usada no experimento,

uma lâmina de ferro é colocada em uma solução 0,1mol/L de

sulfato de ferro (FeSO 4) e uma lâmina de zinco, em uma solução

de 0,1mol/L de sulfato de zinco (ZnSO 4).

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Page 15: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Para a construção da quarta pilha usada no experimento,

uma lâmina de cobre é colocada em uma solução 0,1mol/L de

sulfato de cobre (CuSO 4) e uma lâmina de ferro, em uma solução

de 0,01mol/L de sulfato de ferro (FeSO 4).

Na construção da quinta pilha usa-se uma lâmina de ferro

que será colocada em uma solução 0,01mol/L de sulfato de ferro

(FeSO4) e uma lâmina de zinco, em uma solução de 0,1mol/L de

sulfato de zinco (ZnSO 4).

Cada uma delas irá se comportar como um eletrodo, ou seja,

terminal por onde entram ou saem elétrons.

Os elétrons fluem espontaneamente, através do fio condutor,

no caso da primeira pilha sai da lâmina de zinco para a lâmina de

cobre, e os íons Zn 2+ formados devido à perda de elétrons da

lâmina de zinco migram para a solução. Com um multímetro é

possível medir a voltagem de cada pilha.

Os elétrons provenientes do eletrodo de zinco que escoa

para o eletrodo de cobre irão promover a redução dos cátions

Cu2+ dissolvidos na solução. Assim, no eletrodo de cobre ocorre a

redução dos cátions Cu 2+ e no eletrodo de zinco, a oxidação do

zinco metálico.

NO ELETRODO DE COBRE OCORRE:

- Espessamento da lâmina de Cobre.

- Diminuição da cor azul.

Esses dois fatos podem ser explicados pela semi-reação da

redução:

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Page 16: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Cu(aq)2+ + 2 e- Cu(s)

O eletrodo onde ocorre a redução é o cátodo.

NO ELETRODO DE ZINCO OCORRE:

- Corrosão da lâmina de Zn.

Esse fato poder ser explicado pela semi-reação de oxidação:

Zn(s) Zn(aq)2+ + 2 e-

O eletrodo onde ocorre a oxidação é o ânodo .

Pela análise dessas duas semi-reações, podemos concluir

que os elétrons fluem, no circuito externo, do eletrodo de zinco

para o eletrodo de cobre, ou seja, os elétrons, por apresentarem

carga negativa, migram para o eletrodo posit ivo (pólo posit ivo),

que, nesse caso, é a lâmina de cobre.

A equação global dos processos ocorridos nessa pilha pode

ser obtida pela soma das duas semi-reações:

Ânodo Zn Zn2+ + 2 e-

+

Cátodo Cu2+ + 2 e- Cu

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

Oficialmente, por convenção mundial, as pilhas são

representadas da seguinte maneira:

Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu°

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Page 17: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Esse procedimento é usado para todas as pilhas feitas no

laboratório.

1. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1 mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

2. Fe ( s ) / FeSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

3. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // FeSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Fe ( s )

4. Fe ( s ) / FeSO4 ( 0 , 01mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

5. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // FeSO4 ( 0 , 01mo l / L ) / Fe ( s )

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Page 18: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

RESULTADOS

1. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1 mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

Cu2+ + 2 e- Cu Eº = + 0,34V

+

Zn2+ + 2 e- Zn Eº = - 0,76V

Zn Zn2+ + 2 e- Eº = + 0,76V

+

Cu2+ + 2 e- Cu Eº = + 0,34V

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu Eº = + 1,10V

2. Fe ( s ) / FeSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

Cu2+ + 2 e- Cu Eº = + 0,34V

+

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

Fe Fe2+ + 2 e- Eº = + 0,44V

+

Cu2+ + 2 e- Cu Eº= + 0,34V

Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Eº= + 0,78V

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Page 19: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

3. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // FeSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Fe ( s )

Zn2+ + 2 e- Zn Eº = - 0,76V

+

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

Zn Zn2+ + 2 e- Eº = + 0,76V

+

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Eº = + 0,32V

4. Fe ( s ) / FeSO4 ( 0 , 01mo l / L ) // CuSO4 ( 0 , 1mo l / L ) / Cu ( s )

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

+

Cu2+ + 2 e- Cu Eº = + 0,34V

Fe Fe2+ + 2 e- Eº = + 0,44V

+

Cu2+ + 2 e- Cu Eº = + 0,34V

Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu Eº = + 0,78V

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Page 20: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Equação de Nernst

Q= produtoreagente

Q= [Cu ]2 .¿¿

Q=¿¿

E=0,78−0,05912

log101=E=0,78−0,0296 .0

E=0,78V

5. Zn ( s ) / ZnSO4 ( 0 , 1mo l / L ) // FeSO4 ( 0 , 01mo l / L ) / Fe ( s )

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

+

Zn2+ + 2 e- Zn Eº = - 0,76V

Zn Zn2+ + 2 e- Eº = + 0,76V

+

Fe2+ + 2 e- Fe Eº = - 0,44V

Zn + Fe2+ Zn2+ + Fe Eº = + 0,32V

Equação de Nernst

Q= produtoreagente

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Page 21: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

Q=[Fe ]2 .¿¿

Q=¿¿

E=0,32−0,05912

log10101=E=0 ,32−0,0296 .1

E=0 ,29V

PILHAS

ÂNODO CÁTODO

POTENCIALTEÓRICO

POTENCIALPRÁTICO

OXIDA REDUZ

AGENTE OXIDANTE

AGENTE REDUTOR

1 Zinco Cobre 1,10V 1,03V

2 Ferro Cobre 0,78V 0,58V

3 Zinco Ferro 0,32V 0,43V

4 Ferro Cobre 0,78 0,62V

5 Zinco Ferro 0,29V 0,40V

CONCLUSÕES

Após as experimentações, pôde-se observar melhor como ocorrem

as reações de oxirredução. Pôde-se também compreender os

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Page 22: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

produtos formados, as colorações obtidas e principalmente, as

reações químicas envolvidas no processo.

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Page 23: RELATÓRIO TÉCNICO - PILHAS GALVÂNICAS E PILHAS DE CONCENTRAÇÃO

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Peruzzo, T.M. & Canto, E.L - Química na abordagem do

cotidiano. 2ª edição, V.3, Ed. Moderna, SP, 2000.

http://www.colegioweb.com.br/ .

http://pt.wikipedia.org/wiki/Pilha.

http://www.ebah.com.br/estudo-das-pilhas-galvanicas-pdf-

a12643.html.

http://www.patentesonline.com.br/metodo-para-disposicao-

com-reciclagem-de-componentes-de-pilhas-galvanicas-gastas-

29772.html.

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