eletroquímica - células eletrolíticas

Eletroquímica

Células eletrolíticas

A Eletroquímica é a parte da química que estuda o

relacionamento entre a corrente elétrica e as reações químicas: - Produção de corrente elétrica, através de uma reação química: pilha- Ocorrência de uma reação química pela passagem da corrente elétrica: eletrólise Para melhor entender a eletroquímica, vamos recordar algo sobre oxidação e redução.

Oxidação: Quando uma espécie química perde elétrons na reação.- Redução: quando uma espécie química recebe elétrons na reação. 

Eletroquímica

Os elementos envolvidos em uma reação

eletroquímica são caracterizados pelo número de elétrons que têm. O número de oxidação de um íon é o número de elétrons que este aceitou ou doou quando comparado com seu estado neutro (que é definido como tendo número de oxidação igual a zero). Se um átomo ou íon doa elétrons em uma reação, seu número de oxidação aumenta, se aceita um elétron seu número diminui.A perda de elétrons de uma substância é chamada oxidação, e o ganho é conhecido como redução.

História

Ânodo: elétrodo para onde se dirigem os

ânions ou, alternativamente, onde se formam cátions. Nesse elétrodo sempre ocorre corrosão, com conseqüente perda de massa, e sempre ocorre oxidação dos ânions ou, alternativamente a formação dos cátions a partir do metal do elétrodo (quando então tem-se também uma oxidação).

Cátodo: elétrodo para onde se dirigem os cátions. Nesse elétrodo ocorre sempre depósito, e também redução dos cátions.

Elétrodos

Em pilhas eletroquímicas; Na eletrônica, na produção de placas eletrônicas; Na metalurgia, com a produção de alumínio, de

cobre, entre outros; Na produção de commodities industriais, como o

hidróxido de sódio; Na operação das células solares; Na biologia, na produção de inúmeras enzimas. Na geologia, com alguns tipos de movimentação

na Terra, com a integração das substâncias com polos positivos e negativos.

Na usinagem, com a operação de erosão eletroquímica.

Aplicações

Célula eletrolítica

Se denomina célula eletrolítica o dispositivo

usado para a decomposição mediante a corrente elétrica de corpos ionizados denominados eletrólitos, ou seja, transforma energia elétrica em energia química.

Os eletrólitos podem ser ácidos, bases ou sais. O processo de dissociação ou decomposição realizado na célula eletrolítica ´é chamado de eletrólise.

Célula eletrolítica

Ionização - É a fase antes da aplicação da

corrente elétrica. Para a eletrólise é necessário que o material esteja na forma de íons, obtendo-se isto por dissolução ou fusão do material.

Orientação – Nesta fase, uma vez aplicada a corrente os íons se dirigem, segundo suas cargas elétricas, até os pólos positivos ( + ) e negativos ( - ) correspondentes.

Descarga – Os ions negativos ou ânions cedem elétrons ao anodo ( + ) e os ions positivos ou cations tomam elétrons do catodo ( - ).

Eletrólise

Dispositivo eletrolítico

Mecanismos

Pólos da pilha Pólo positivo – o de menor potencial de oxidação – Cu. Pólo negativo – o de maior potencial de oxidação – Zn.

Cátodo e Ânodo Cátodo – placa de menor potencial de oxidação – Cu.

Onde ocorre redução. Ânodo – placa de maior potencial de oxidação – Zn.

Onde ocorre oxidação. Variação de massa nas placas

Placa de maior potencial de oxidação – diminui – Zn. Placa de menor potencial de oxidação – aumenta – Cu.

Reações químicas da pilha de Volta e de Daniell.

Sendo catodo o eletrodo positivo, e sendo o eletrodo onde ocorre a redução, ocorre ganho de elétrons. O anodo sendo o eletrodo negativo, é o eletrodo onde ocorre oxidação, ocorrendo perda de elétrons.

Equação global da pilha

Zn(s) + Cu(aq)+2 → Zn(aq)

+2 + Cu

Mecanismos

A pilha de Daniell é representada pela seguinte notação:

Zn°/Zn2+//Cu2+/Cu°

Ânodo - Ponte Salina ( // ) - Cátodo

Pilha de Volta e de Daniell

A parede porosa (de porcelana, por

exemplo) tem por função manter constante a concentração de íons positivos e negativos, durante o funcionamento da pilha. Ela permite a passagem de cátions em excesso em direção ao cátodo e também a passagem dos ânions em direção ao ânodo. Atravessando a parede porosa, os íons em constante migração estabelecem o circuito interno da pilha.

Ponte salina

Ponte salina

Na ponte salina os ânions sempre migram no sentido do ânodo e os cátions no sentido do cátodo.

No ânodo (-) ocorre oxidação: perda de

elétrons (aumento de Nox).

Ânodo (-) o eletrodo é o redutor: perde elétrons e se oxida.

No cátodo (+) ocorre redução: ganho de elétrons (diminuição de Nox).

Cátodo (+) o cátion da solução é o oxidante: ganha elétrons e se reduz

Para uma pilha qualquer

Os elétrons fluem do ânodo para o

cátodo. Uma pilha genérica pode ser representada por: A0 / A+x // B+y/B0 Oxidação // Redução

Para uma pilha qualquer

Na pilha de Daniell é o eletrodo de zinco

que se oxida e o cobre sobre redução.

O zinco tem maior tendência em sofrer oxidação.

E o eletrodo de cobre tem maior tendência em sofrer redução.

Potencial das pilhas

Esta tendência em se reduzir pode ser

medida pelo potencial de redução.

O cobre tem maior potencial de redução que o zinco. Logo, o zinco tem menor potencial de redução que o cobre.

Potencial das pilhas

Se uma substância X tem maior

potencial de redução que uma substância Y.

Então quando X e Y estiverem juntas, X irá se reduzir e Y se oxidar.

Potencial de reducao

Nesse processo ocorrem duas semi-reações:

Maior potencial de reducao:

catodo, sofrera reducao.

Menor potencial de reducao: anodo, sofrera oxidacao.

Ânodo e Cátodo

O fluxo de eletrons do anodo para o

catodo e espontaneo.

Os eletrons fluem do anodo para o catodo porque o anodo tem uma energia potencial eletrica mais alta do que o catodo.

A diferenca no potencial eletrico e medida em volts.

Fluxo de elétrons

Um volt e a diferenca de potencial necessaria

para conceder um joule de energia para uma carga de um coulomb: V = J/C

A forca eletromotriz (fem) e a forca necessaria para movimentar os eletrons atraves do circuito externo.

Forca eletromotriz

Na pilha de Daniell o Zn tende a se oxidar pois

apresente menorPotencia de redução ( - 0,76 V).

Enquanto cobre apresenta maiorPotencial de redução ( + 0,34 V).

DE0 = (E0red maior ) – (E0red menor )

DE0 = 0,34 - (-0,76)DE0 = 0,34 + 0,76

DE0 = 1,10 V

Calculando o potencial da pilha de

Daniell

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

Quando DE0 > 0 a reação é espontânea e constitui uma pilha

Potencial das pilhas

+2 +2

Verificar se a reação abaixo é espontânea no sentido direto:

Obs: Existe uma trabela informando o potencial (V) da semi-redução de recução

3Cu+2 +2 Al0 3Cu0 + 2Al+3

Dados: Cu+2 / Cu0 E0 = 0,34 V Al+3 / Al0 E0 = - 1,68 V

Exemplo

Uso da Tabela de potenciais

Quanto maispositivo o E°red, mais forte e o agente oxidante a esquerda.

Quanto maisnegativo o E°red, mais forte e o agente redutor adireita.

Pilha comum: pilha de Leclanche

As pilhas contem alguns metais pesados

(mercurio, cadmio) que sao toxicos para os seres vivos.

Os metais pesados permanecem no solo, sem se alterarem, durante 50 anos ou mais.

O mercurio contamina a agua e o solo e causa doencas no sistema nervoso dos humanos e animais.

Pilhas e baterias nao devem ser descartadas no lixo comum.

Pilhas comerciais e meio ambiente