Estudaremos nesse tópico as pilhas e as baterias. Ambas produzem energia elétrica à custa de reações de oxi-redução.
Reações de oxi-redução ou também conhecida como redox, é quando há a transferência de elétrons de um local a outro. Veremos em breve quis "locais" são esses.
Pilha de Daniell
Nas pilhas ocorrem reações químicas que produzem corrente elétrica..
Vamos ver agora como é dada a montagem da pilha e como é o seu funcionamento, enfatizando as reações químicas e o fluxo de elétrons.
OBS: Os tracejados indicam que o fio passa dentro da placa de zinco e de cobre, tando contato com a solução. Apenas para simbolizar esse contato.
Em primeiro lugar colocaremos uma chapa de zinco que é conectada por um fio a uma chapa de cobre. É nesse fio que os elétrons irão transitar, mostrando no voltímetro que ali está passando eletricidade.
O fluxo dos elétrons é dado por meio das reações químicas entre o zinco e a solução na qual ele está colocado. Essa solução tem que ser capaz de retirar elétrons do zinco, afim de que esses elétrons transitem pelo fio, chegando ao cobre.
Completando o desenho com as soluções:
A solução de ZnSO4 reage com a chapa de zinco, liberando Zn(2+) e SO4(2-) além de liberar 2 elétrons. Esses dois elétrons serão atraídos pela chapa de cobre e irá transitar pelo fio, chegando na solução em que está a placa de cobre. Ao receber dois elétrons, a solução CuSO4 libera Cu(2+) e SO4(2-), ao recebê-los o Cu(2+) transforma-se em Cu(0), aderindo-se a placa.
Vamos representar as duas semi-reações que ocorre nesse processo:
- Zn(0) ----> Zn(2+) + 2e
- Cu(2+) + 2e ----> Cu(0)
O que essas duas semi-reações estão ilustrando é: A placa de zinco Zn(0) liberou dois elétrons, transformando-se então em Zn(2+) + 2e. Ao transitar pelo fio, esses dois elétrons chegam ao Cu(2+) que está em solução, e se transforma em Cu(0), e este adere-se a placa de cobre.
Chamamos a chapa de zinco de ANODO, isso porque ela é o eletrodo negativo (é negativo porque contém a maior parcela de elétrons livres), e chamamos a placa de Cobre de CÁTODO, que é o eletrodo positivo.
Observamos que o fluxo de elétrons vai do ANODO para o CÁTODO. Isso em todos os casos.
Após certo tempo de funcionamento dessa pilha, teremos outro caso a ser estudado, observe:
Notamos que:
- A chapa de Zinco foi corroída
Isso porque durante o processo, a solução de ZnSO4 foi reagindo com a placa de Zinco fazendo com que ela liberasse 2 elétrons + Zn(2+) + SO4(2-), ou seja, ao liberar esse Zn(2+) cada vez que fazia isso perdia uma parte de sua massa. O cátion Zn(2+) fica em meio a solução, enquanto os elétrons liberados transitam pelo fio.
- A solução de ZnSO4 ficou mais concentrada
Como eu disse anteriormente, cada vez que a solução de ZnSO4 reagia com a placa de Zinco liberava um íon positivo (cátion) o Zn(2+) e este íon ficava presente em solução. Ao ir ocorrendo o processo, foi acumulando esse íon, a ponto de fazer com que esse solução ficasse concentrada.
Lembrando que a membrana porosa, ou seja, a partícula que separa as duas soluções, faz um circuito interno, onde íons SO4 passando da direta para a esquerda, assim como do lado esquerdo há Zn(2+) livres, se ligaram ao SO4 que estão chegando, fazendo com que a solução fique mais concentrada.
- A chapa de Cobre teve sua massa aumentada
Quando os dois elétrons transitaram pelo fio e foram para a solução CuSO4, o Cu(2+) recebeu os dois elétrons, e ao recebê-los tornou-se cobre sólido. Esse cobre aderiu-se a placa de cobre também, e durante o seu processo a cada 2 elétrons recebidos, esses iam se aderindo a placa de cobre, aumentando então a sua massa.
- A solução de CuSO4 ficou mais diluída
A cada chegada de 2 elétrons, liberava da solução de CuSO4, Cu(2+) e SO4(2-), e esses Cu(2+) ganhavam esses dois elétrons e se aderiam a placa de cobre. Com isso, cada vez que chegava mais elétrons, mais Cu(2+) iam se aderindo a placa e saindo da solução de CuSO4, por conta disso ela ficou mais diluída.
Com o passar do tempo, notamos que a voltagem da pilha vai diminuindo, o que indica que a reação é reversível.
Para representar a pilha de Daniell (e todas as demais pilhas) é da seguinte forma:
Podemos também montar a Pilha de Daniell usando a Ponte Salina, observe:
Ponte Salina: Numa pilha há o ânodo de onde migram os elétrons em direção ao cátodo. O ânodo é o Zn(0) e o cátodo é o Cu(2+). Com o passar do tempo essa transferência de elétrons fará com que as soluções percam a neutralidade elétrica, porque haverá excesso de íon, tornando-as instáveis e interrompendo precocemente o funcionamento da pilha. A ponte faz migrar os íons de uma solução a outra. Assim ela continua em equilíbrio e funcionando.
"Em resumo, podemos dizer que, a pilha ou célula eletroquímica é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica por meio de uma reação de oxi-redução, com o oxidante e o redutor separados em compartimentos diferentes, de modo que o redutor transfira elétrons ao oxidante através de um circuito externo (fio)."
Força eletromotriz das pilhas (FEM
A força eletromotriz das pilhas representa a "pressão" que move os elétrons através do condutor externo. Ela é medida em volts, com o uso de voltímetros.
A FEM da pilha depende de três fatores:
- Natureza dos metais formadores da pilha
Sabemos que anodo (polo negativo) "empurra" os elétrons para o circuito externo, enquanto o catodo (pólo positivo) "puxa" os elétrons do circuito externo. Assim, quanto maior for a tendência do anodo em "soltar" elétrons, e quanto maior for a tendência do catodo em "puxá-los", maior será a diferença de potencial (ddp) da pilha.
- Concentrações das soluções empregadas
Tendo a equação da pilha de Daniell:
De acordo com o Principio de Le Chatelier, com o aumento da concentração de CuSO4, deslocará o equilíbrio para a direita, favorecendo a reação normal da pilha e aumentando a fem apresentada. Caso aumentemos a concentração de ZnSO4, o equilíbrio será deslocado para a esquerda, contrariando o funcionamento da pilha, e diminuindo a sua fem.
- Temperatura da pilha
Sabemos que a temperatura influi no andamento de todas as reações químicas, portanto ela irá influir na reação da pilha também, podendo aumentar ou diminuir a sua fem. Foi escolhido arbitrariamente a temperatura de 25º C como temperatura normal ou padrão.
Eletrodo-padrão
Como é impossível medir o potencial absoluto de um eletrodo metálico, foi necessário adotar um padrão e colocar um determinado valor para o mesmo.
O escolhido nesse caso foi o eletrodo-padrão de hidrogênio, isso porque ele é o cátion (H+) é o cátion mais comum em soluções aquosas.
Tabela dos potenciais-padrão de eletrodo
Segundo critérios da IUPAC, recomenda-se escrever a equação no sentido da REDUÇÃO e considerar o Eº, que é o potencial de redução.
Vamos ver um exemplo para essa ideia ficar mais clara:
Quando vamos reduzir, é ganhar elétrons, vamos então reduzir o Li(-)
e + Li(-) -----> Liº
Esse é o sentido da redução do Lítio, olhando na tabela qual valor é o potencial de redução do mesmo, veremos que é -3,04
Agora, se formos escrever essa reação no sentido da oxidação, ficará:
Liº ----> Li(-) + e
O -Eº = + 3,04
Ou seja, inverte-se o sinal quando passamos da redução para a oxidação.
OBS:
Todo elemento que está mais acima na tabela age como redutor dos que estão mais abaixo da tabela, e portanto sofre oxidação.
Exemplo do cálculo da FEM:
Znº + Cu(2+) = Zn(2+) + Cuº
Zn sofre oxidação, então ele é o agente redutor
Cu(+2) sofre redução, então ele é o agente oxidante
Znº ---> Zn(2+) + 2e
Cu(2+) + 2e ---> Cuº
Na tabela temos:
Zn(2+) + 2e ---> Znº Eºredutor = -0,76 V
2e + Cu(2+) ----> Cuº Eºoxidante = +0,34 V
Invertendo portanto a equação do Zn para podermos cortar os elétrons, teremos:
Znº ---> Zn(2+) + 2e -Eºredutor = +0,76
2e + Cu(2+) ----> Cuº Eºoxidante = +0,34
Ficará: Znº + Cu(2+) --> Zn(2+) + Cuº
E a FEM de uma pilha, que é calculada como: /\Eº = Eºoxidante - Eºredutor
Ficando: Eºoxidante - (-Eº redutor)
/\Eº = 0,34 + 0,76 = + 1,10 V
Ou seja, a fem de um pilha, em condições padrões é a diferença entre o E do oxidante (catodo) e o Eº do redutor (anodo).
Espontaneidade das reações:
Tendo como raciocínio o item anterior, fazendo a cálculo de /\Eº, se o resultado for positivo, a reação será espontânea, caso o resultado dê negativo, a reação não será espontânea.
EM BREVE ATUALIZAÇÃO
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