Capítulo 20
Eletroquímica
PROF. DR. ÉLCIO BARRAK
DOUGLAS APARECIDO SOARES – 14436
RAMON MORAES RIBAS ROSA – 14463
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Tópicos
•Introdução
•Equações de oxirredução
•Balanceamento de equações de oxirredução
•Células voltaicas
•Fem de pilhas
•Espontaneidade de reações redox
•Efeito da concentração na fem da pilha
•Baterias ou pilhas
•Corrosão
•Eletrólise
Introdução
•A eletroquímica é o estudo das relações entre
a eletricidade e as reações químicas.
•A abordagem da eletroquímica fornece uma
visão de tópicos diversos como a fabricação de
baterias, a espontaneidade de reações, a
corrosão de metais e a galvanização elétrica.
Equações de oxirredução
• Como saber se uma equação é de
oxirredução?
Observar o nox.
• Nem sempre numa reação de redox há
transferência de elétrons.
• Agente Oxidante  Sofre redução
• Agente Redutor  Sofre oxidação
Balanceamento de Equações Redox
Obedecer às regras:
• Lei da Conservação das Massas;
• Elétrons recebidos e doados devem estar
balanceados.
Processo para balanceamento através de
semi-reações.
Balanceamento de Equações Redox
Procedimento:
• Separar a equação em duas semi-reações;
• Balancear as semi-reações;
• Adicionar H2O, e H+(meio ácido) ou OH-(meio
básico), se necessário;
• Somar as semi-reações;
• Verificar a quantidade de átomos e cargas.
Células Voltaicas
Dispositivos nos quais há transferência de
elétrons por um caminho externo,
realizando trabalho elétrico.
Uma célula voltaica é composta por:
• Dois elétrodos
(metal-solução);
• Circuito interno;
• Circuito externo.
Células Voltaicas
Observar que o elétrodo onde ocorre
oxidação é chamado ânodo e o elétrodo
onde ocorre redução é chamado cátodo.
Os compartimentos da célula voltaica são
chamados de semicélula; nas semicélulas
ocorrem as semi-reações de oxidação e
redução.
Com o circuito fechado há fluxo de elétrons
do ânodo para o cátodo.
Células Voltaicas
Ponte Salina:
• Tem a mesma função do disco de vidro
poroso: manter as soluções eletricamente
neutras pela troca de íons;
• Contém um sal iônico, por exemplo
NaNO3(aq), incorporado em um gel;
• Os ânions fluem para o ânodo, e os cátions
para o cátodo.
Células Voltaicas
Há corrosão do elétrodo que sofre oxidação,
e deposição no elétrodo que sofre redução.
Fem de Pilhas
A diferença de potencial entre dois elétrodos
em uma célula voltaica fornece a força
diretora que empurra os elétrons por um
circuito externo. Essa diferença é chamada
força eletromotriz ou fem.
Equação de determinação de potenciais padrão:
o
E
cel
=E
o
o
red
(cátodo) – E
red
(ânodo)
Fem de Pilhas
Em uma célula voltaica, a
reação do cátodo é sempre
o
a que tem o valor de E red
mais positivo (ou menos
negativo).
Fem de Pilhas
É adotada como referência a semi-reação de
redução de H+ tal qual abaixo:
2 H+(aq,1mol/L) + 2 e-  H2(g,1atm)
o
E
red
= 0,00 V
O elétrodo que produz essa semi-reação é
chamado EPH (elétrodo-padrão de
hidrogênio).
Fem de Pilhas
Observações:
• Quando atribuímos um potencial a uma
semi-reação, escrevemos essa reação como
uma redução;
• A variação do coeficiente estequiométrico em
uma semi-reação não afeta o valor do
potencial-padrão de redução;
o
• Quanto mais positivo o valor de E
força diretora para redução.
red
maior a
Espontaneidade de Reações Redox
Basicamente, um potencial positivo indica
um processo espontâneo e um potencial
negativo indica um processo nãoespontâneo.
Em uma reação espontânea, à temperatura
e pressão constantes a variação na energia
livre (ΔG) é dada por:
ΔG = -nFE
Espontaneidade de Reações Redox
Onde:
• n = Número de elétrons transferidos na
reação;
• E = fem;
• F = Constante de Faraday:
1 F = 96485 C/mol = 96485 J/V.mol
ΔG negativo indica uma reação espontânea.
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
o
ΔG = ΔG + RT . ln(Q)
Como ΔG = -nFE, temos:
o
-nFE = -nFE + RT . ln(Q)
Dividindo a equação por –nF chegamos a equação
de Nernst:
o
E = E - RT . ln(Q)
nF
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
Pilhas de Concentração
É uma pilha onde o cátodo e ânodo
possuem a mesma espécie química,
variando apenas nas concentrações.
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
A reação total da pilha da figura anterior é:
Podemos calcular a fem da pilha citada usando a
equação de Nernst, a equação a 298K fica:
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
Fem da Célula e Equilíbrio Químico
Quando E = 0, a reação atinge o equilíbrio e
Q = Keq.
Utilizando a equação de Nernst para
T = 298K (25ºC):
log Keq =
o
.
nE
0,0592
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
Os Batimentos Cardíacos
Diferentemente do que normalmente se pensa, o
coração é controlado por impulsos elétricos, e não
apenas uma bomba mecânica.
Os impulsos elétricos que fazem com que o
coração bata resultam da eletroquímica e das
propriedades das membranas semipermeáveis.
Nos músculos cardíacos, a diferença de
+
concentração dos íons K gera uma pilha de
concentração.
Efeito da Concentração na Fem da
Pilha
Os Batimentos Cardíacos
As células marcapasso são aquelas que controlam a
taxa de contração do coração.
Se essas células não funcionam direito, pode-se
implantar cirurgicamente um marcapasso artificial.
Este é uma pequena bateria que gera os pulsos
elétricos necessários para disparar as contrações
do coração.
Baterias ou Pilhas
Bateria ou pilha é uma fonte de energia
eletroquímica fechada e portátil que
consiste em uma ou mais células voltaicas.
Tipos de Pilha:
• Primária: Não pode ser recarregada;
• Secundária: Pode ser recarregada.
Baterias ou Pilhas
Algumas utilizações da eletroquímica no dia-a-dia:
• Bateria de chumbo e ácido (bateria automotiva);
• Pilhas Alcalinas;
• Baterias de níquel-cádmio, níquel-hidreto
metálico e íon lítio (baterias de dispositivos
eletrônicos portáteis que demandam altas
energias);
• Células de combustível (conversão da queima de
combustíveis em energia elétrica).
Corrosão
As reações de corrosão são reações redox
espontâneas nas quais um metal é atacado por
alguma substância em seu ambiente e é convertido
em um composto não-desejado.
Um exemplo de corrosão é a oxidação do ferro, a
qual pode ser prevenida com um revestimento de
pintura ou outro metal, como estanho ou zinco. O
ferro revestido com uma fina camada de zinco é
chamado ferro galvanizado.
Corrosão
Proteção catódica é definida como a
proteção de um metal contra corrosão
tornando-o cátodo em uma célula
eletroquímica.
O ânodo de sacrifício é o metal oxidado
que protege o cátodo.
Eletrólise
A eletrólise é baseada na utilização de
energia elétrica provinda de uma fonte
externa para permitir que uma reação nãoespontânea ocorra.
As reações geradas pela energia externa são
chamadas reações de eletrólise e ocorrem
em células eletrolíticas.
Por exemplo, a decomposição do cloreto de
sódio fundido:
2 NaCl(l)  2 Na(l) + Cl2(g)
Eletrólise
Representação do exemplo anterior
Eletrólise
Eletrólise de Soluções Aquosas
Na eletrólise de soluções aquosas temos de verificar
se a água é oxidada ou reduzida ao invés dos íons
do sal.
Eletrólise com Elétrodos Ativos
Os elétrodos empregados nesta eletrólise
participam da reação.
Por exemplo a galvanoplastia.
Eletrólise
Aspectos Quantitativos da Eletrólise
A estequiometria de uma semi-reação
mostra quantos elétrons são necessários
para atingir um processo eletrolítico.
...
...
Eletrólise
Trabalho Elétrico
Para qualquer processo espontâneo o trabalho
máximo útil (wmáx) realizado pela célula voltaica é
ΔG = -nFE.
Quando usamos uma célula eletrolítica, portanto
utiliza-se uma fonte de energia externa, o trabalho
é dado por:
W = nFEext
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Referências Bibliográficas
• Brown, Lemay, Bursten. Química: A Ciência
Central
• http://www.google.com.br