ELETROQUÍMICA
Professor Ruy Alexandre Generoso
DEFINIÇÃO
A
eletroquímica
estuda
o
aproveitamento da transferência de
elétrons entre diferentes substâncias
para converter energia química em
energia elétrica e vice-versa.
INTRODUÇÃO
A eletroquímica é o estudo das
relações entre a eletricidade e as
reações químicas.
A fabricação de baterias, a corrosão
de metais e a galvanização elétrica
são exemplos de processos que
envolvem a eletroquímica.
CONCEITOS BÁSICOS
PILHAS: São dispositivos eletroquímicos que transformam
reações químicas em energia elétrica.
CÉLULA ELETROQUÍMICA: É todo sistema formado por um
circuito externo que conduza a corrente elétrica e
interligue dois eletrodos que estejam separados e
mergulhados num eletrólito.
ELETRODOS: São as partes metálicas que estão em
contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica.
ELETRÓLITOS: São as soluções que CONDUZEM a corrente
elétrica.
ÍONS: São as partículas carregadas que se movimentam
na solução.
CONCEITOS BÁSICOS
ÂNODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica
que circula numa célula ENTRA na solução.
CÁTODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica
que circula numa célula DEIXA a solução.
Lembrando que o sentido convencionalmente adotado para a
corrente elétrica é o sentido oposto ao da movimentação dos
elétrons, ânodo e cátodo podem ser redefinidos como segue:
ÂNODO: Eletrodo do qual saem os elétrons para o circuito
externo da célula.
CÁTODO: Eletrodo no qual entram os elétrons através do
circuito externo da célula.
CONCEITOS BÁSICOS
Redução: ganho de elétrons (diminuição de Nox)
Oxidação: perda de elétrons (aumento de Nox)
Redutor: fornece elétrons e se oxida (Nox )
Oxidante: recebe elétrons e se reduz (Nox )
O redutor reduz o oxidante
O oxidante oxida o redutor
Nox = Número de oxidação
ALESSANDRO GIUSEPPE VOLTA
Físico italiano precursor
dos
estudos
de
fenômenos elétricos.
Conseguiu
gerar
eletricidade por meio de
reações químicas.
ALESSANDRO GIUSEPPE VOLTA
Volta construiu um estranho
aparelho com moedas de cobre,
discos de zinco e discos de feltro
banhados com uma solução
ácida, que servia para produzir
com continuidade um movimento
de cargas elétricas através de
um condutor. Esse aparelho era
chamado
pilha
porque
as
moedas de cobre, os discos de
feltro e os discos de zinco eram
empilhados uns sobre os outros.
JOHN FREDERIC DANIELL
O químico inglês John
Frederic Daniell construiu
uma
pilha
diferente,
substituindo as soluções
ácidas utilizadas por Volta
- que produziam gases
tóxicos – por soluções de
sais
tornando
as
experiências com pilhas
menos arriscadas.
PILHA DE DANIELL
Zn(s) → Zn2+ + 2eCu2+ + 2e- → Cu(s)
Zn(s) + Cu2+ Zn2+ + Cu(s)
+0.763 V
+0.337 V
+1.100 V
Sulfato de Zinco Sulfato de Cobre
(s) placa
PILHA DE DANIELL
Esquema:
FORÇA ELETROMOTRIZ (f.e.m.)
Os elétrons fluem do ânodo para o cátodo devido à
diferença na energia potencial. A energia potencial dos
elétrons é maior no ânodo do que no cátodo.
A diferença de energia potencial entre dois eletrodos é
medida em volts. 1 volt (V) é a diferença de potencial
necessária para fornecer 1 (J) de energia para uma
carga de 1 coulomb (C).
1 (V) = 1 J/C
Como essa diferença de potencial fornece uma força
diretora que empurra os elétrons, essa diferença de
potencial é chamada de força eletromotriz (f.e.m).
POTENCIAL PADRÃO DE REDUÇÃO - E0
O potencial da pilha de uma célula voltaica
depende do cátodo e do ânodo envolvidos. Esse
potencial é a diferença entre os potenciais dos
eletrodos.
Por convenção o potencial de cada eletrodo é
escolhido como o potencial para a redução desse
eletrodo, ou seja, o potenciais padrão de eletrodo
são tabelados para reações de redução. Assim:
0
0
0
Ecel
= Ered
(catodo ) − Ered
( anodo )
PILHA DE CONCENTRAÇÃO
Em algumas células voltaicas, o compartimento do cátodo
pode ser o mesmo que o do ânodo, já que a f.e.m. também
depende das concentrações das substâncias. Uma célula
baseada na f.e.m. gerada unicamente pelas diferenças das
concentrações é chamada pilha de concentração.
Ni2+
1,00x10–3 mol/L
1,00 mol/L
EQUILÍBRIO QUÍMICO
A Força Eletromotriz da Pilha depende das
concentrações dos cátions e da temperatura da
solução. Operando em condições padronizadas, de
25 graus Celsius e concentrações molares unitárias,
tem-se o valor de 1,10 volts.
Com o tempo de uso, o potencial do cátodo (valor
mais alto, do cátion cobre) vai diminuindo enquanto
o potencial do ânodo (valor mais baixo, do cátion
zinco) vai aumentando. Isso faz com que a Voltagem
(f.e.m.) da pilha vá diminuindo. Se a voltagem
alcança 0,00 volts atinge-se o equilíbrio químico
entre as espécies iônicas e a pilha deixa de
funcionar.
BATERIAS OU PILHAS
Bateria ou pilha é uma fonte eletroquímica portátil e
fechada que consiste em uma ou mais células voltaicas
únicas. Voltagens maiores podem ser obtidas ao se
usarem células voltaicas múltiplas em uma única
bateria.
Quando as pilhas são ligadas em série (com o cátodo
de uma ligado ao ânodo da outra) a pilha produz uma
voltagem que é a soma da f.e.m. das pilhas
individuais. Também pode se usar baterias múltiplas
em série conseguindo assim maiores f.e.m.
Em uma bateria ou pilha o cátodo é o pólo positivo e o
ânodo o pólo negativo.
BATERIAS DE CHUMBO E ÁCIDO
Uma bateria automotiva de chumbo e ácido
consiste em 6 células de 2 volts cada que
geram uma tensão de 12 volts. O cátodo de
cada uma das células é de dióxido de enxofre
empacotado em uma grade metálica. O ânodo
de cada célula é composto de chumbo. Ambos
os elétrodos são imersos em uma solução de
ácido sulfúrico.
A grande vantagem desta bateria é que ela
pode ser recarregada aplicando uma fonte
externa de energia.
PILHAS ALCALINAS
A pilha primária (não recarregável) mais comum é
a pilha alcalina. O ânodo desta pilha consiste em
zinco metálico imobilizado em um gel em contato
com uma solução concentrada de KOH (hidróxido
de potássio). O cátodo é uma mistura de dióxido
de magnésio e grafite, separados do ânodo por
um tecido poroso. A pilha é selada em uma lata de
aço para reduzir o risco de vazamento de KOH.
BATERIAS DE NÍQUEL - CÁDMIO
Uma das baterias recarregáveis mais comuns é a
de níquel-cádmio (Ni-Cd). Durante a descarga, o
cádmio metálico é oxidado no ânodo enquanto o
oxihidróxido de níquel (NiOOH) é reduzido no
cátodo. As células geram cada uma 1,30 volts.
Mais essas baterias tem a desvantagem de o
cádmio ser um metal tóxico pesado, seu uso
aumenta o peso das baterias oferece perigo ao
meio ambiente.
NÍQUEL-HIDRETO METÁLICO
Por isso surgiram as baterias de níquel-hidreto
metálico (Ni-MH). A reação no cátodo dessa
bateria é a mesma da bateria de Ni-Cd. A reação
no ânodo consiste em uma liga metálica que tem a
habilidade de absorver hidrogênio, durante a
oxidação os átomos de hidrogênio perdem
elétrons, assim seus íons reagem com a hidroxila
para formar água. Processo revertido durante a
carga.
BATERIAS DE ÍON LÍTIO
A bateria recarregável mais recente é de íon lítio.
O lítio é um elemento muito leve, assim as
baterias de íon-Li tem grande densidade
energética. A tecnologia desta consiste na
habilidade dos íons lítio em serem inseridos e
removidos de certos sólidos estendidos em
camadas. Na maioria das pilhas um eletrodo é de
grafite e o outro geralmente é feito de óxido de
cobalto e lítio. Quando carregados os íons de
cobalto são oxidados e os de lítio migram para o
grafite. Durante a descarga os íons de lítio
migram do ânodo de grafite para o cátodo.
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
A energia térmica liberada pela queima de combustível pode
ser transformada em energia elétrica aproveitando o calor
para gerar vapor d’água que pode acionar uma turbina para
gerar eletricidade, porém somente 40% dessa energia é
aproveitada no processo, pois o resto é perdido como calor. A
princípio a produção de eletricidade por combustível em uma
célula voltaica tem um maior aproveitamento energético.
Esses dispositivos de conversão que usam principalmente
como combustível o gás hidrogênio e o gás oxigênio, deixando
como produto água, são chamados de células de combustível.
A tecnologia dessas células ainda está em
fase de desenvolvimento pois necessita de
alta temperatura para que ocorra em uma
velocidade aceitável.