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.