Na eletroquímica nós iremos estudar a energia química sendo convertida em energia elétrica, nesse caso nós temos uma pilha. Ou então a energia elétrica sendo convertida em energia química, aqui nós chamamos de eletrólise.
Essas transformações ocorrem com a transferência de elétrons. Sendo assim, nós teremos alguém sofrendo oxidação, e outra substância sofrendo redução.
Podemos chamar as reações que ocorrem com transferências de elétrons de reação de oxirredução.
Nos acompanhe neste conteúdo e fique por dentro de tudo sobre a eletroquímica!
Reações de oxirredução
Para entender eletroquímica, precisamos entender o que é uma reação redox.
Nessa reação, nós teremos o compartilhamento de elétrons. Ou seja, uma espécie perdendo elétrons e outra espécie ganhando elétrons.
Veja exemplo de uma oxidação:
Zn(s) 🡪 Zn2+(aq) + 2 e–
Perceba que o Zn estava neutro (NOX zero). Porém ele perdeu dois elétrons e adquiriu uma carga positiva (NOX = +2), virou o cátion do zinco na forma aquosa.
Para facilitar, nós podemos olhar para o NOX e fazer a seguinte relação, se o NOX aumentou (No exemplo saiu de zero e foi para +2) temos uma oxidação.
Veja exemplo de uma redução:
Cu2+(aq) + 2e– 🡪 Cu(s)
Perceba que o cátion do cobre (Cu2+) estava carregado positivamente.
Porém ele recebeu dois elétrons e ficou com carga zero, quando ele adquire carga zero, ele passa para o estado sólido.
Para ficar mais fácil de identificar quando temos uma redução, nós podemos pensar apenas no NOX.
Se o diminuiu (No exemplo saiu de +2 e foi para zero) temos uma redução, ocorreu um ganho de elétrons.
Importante sobre reações de oxirredução
O intuito até aqui é apenas de nós conseguirmos identificar quando ocorre uma redução ou oxidação.
Sabermos em qual deles ocorre ganho ou perda de elétrons e como o NOX está variando.
Pilha ou bateria
Usando esses conceitos de redução e oxidação, nós iremos falar de pilha.
Pilha é um sistema que produz energia elétrica partindo de energia química a partir de reações de oxirredução. Essas reações ocorrem de forma espontânea.
Pensar na espontaneidade é bem simples. Basta pensarmos na pilha que usamos em controles, basta colocar ela lá, que ela funciona.
A pilha mais falada é a pilha de Daniell. Veja o desenho dela:
Olhando para o desenho, nós podemos ver que essa pilha é formada pelo Zinco e o Cobre. As soluções são sempre dos respectivos metais.
Por exemplo, na cuba que está o metal cobre, a solução precisa ter o cátion cobre dois mais. Sendo assim, poderíamos usar o CuSO4 para preparar essa solução.
Algo que nunca podemos esquecer é que numa pilha, essa corrente, chamada também de ddp (diferença de potencial) ou fem (força eletromotriz), é sempre positiva.
Lembrando das reações que nós usamos como exemplo de redução e oxidação anteriormente. Elas estão presentes aqui também.
Sendo assim, o zinco sofre oxidação, perde elétrons e o cobre recebe esses elétrons, podemos dizer então que os elétrons saem do ânodo, polo negativo e parte para o cátodo, polo positivo.
Mas como nós poderíamos ter certeza que o cobre sofre redução e o zinco oxidação?
Existe uma coisa chamada potencial de redução, esse potencial é calculado experimentalmente, é um valor tabelado. Com esse valor, nós podemos observar quem irá sofrer redução e quem irá sofrer oxidação.
Para esses metais, nós temos que o zinco apresenta potencial de redução de – 0,76V e o cobre de + 0,34V. Como esses valores, é bem simples de resolver.
Quem apresenta o maior potencial de redução não é o cobre? Logo ele irá sofrer a redução. Sendo assim, o zinco sofre oxidação.
OBS: Sempre que a questão fornecer as reações escritas em formas de redução, aquela reação que possuir o menor potencial e você precisar inverter, deverá trocar também o sinal do potencial. Dessa forma, a reação passa a ser de oxidação.
Durante a reação na pilha, a massa do eletrodo onde ocorre oxidação, irá diminuir. Para entendermos isso, basta olharmos para a reação de oxidação do zinco, onde nós temos o Zn sólido virando Zn2+ aquoso, ou seja, está indo para a solução.
Por outro lado, onde ocorre a redução, a massa do eletrodo aumenta. Olhando para o exemplo, nós temos a reação do Cu2+ indo até cobre sólido, ou seja, está se depositando no eletrodo, aumentando a sua massa.
Ponte salina: Fica responsável por fechar o circuito e também equilibrar as cargas. Mandando cátions para o cátodo e ânions para o ânodo. Permitindo que a pilha dure mais tempo.
Eletrólise
Diferente da pilha, na eletrólise nós temos a energia elétrica sendo convertida em energia química. O processo é não espontâneo.
Para não errar, basta lembrar que para carregar o celular, nós precisamos colocar ele no carregador, colocar na tomada. Dessa forma, as reações vão ser o inverso.
A reação que possuir o maior potencial de redução irá oxidação e a que possuir o menor potencial de redução irá reduzir. Sendo assim, quando calcularmos a ddp, o potencial será menor do que zero.
A eletrólise pode ser de dois tipos. Eletrólise ígnea, onde não temos a presença de água, temos apenas um material fundido para que existe os íons livres.
E temos também a eletrólise aquosa, que o próprio nome sugere, presença de água. Vamos ver o eletrólise ígnea do NaCl e a aquosa do NaCl também.
Eletrólise ígnea
Nessa eletrólise nós iremos aquecer o NaCl que está no estado sólido até ele passar para o estado líquido. Dessa forma, nós teremos o cátion Na+ e o ânion Cl–. Na eletrólise nós podemos pensar sempre em descarregar os íons.
Ou seja, o Cl– virar Cl2 e o Na+ virar Na.
É importante também saber a onde o Na e o Cl2 será formado.
Mas é bem simples, basta pensar em cargas opostas. Como o Cl tem carga negativa, ele irá formar o Cl2 no polo positivo e o Na será formado no polo negativo.
Importante sobre eletrólise ígnea
Polo negativo na eletrólise é o cátodo e o polo positivo é o ânodo. Tanto na pilha, quanto na eletrólise, o fluxo de elétrons é do ânodo para o cátodo.
Eletrólise aquosa
Agora nós não temos só o cátion Na+ e o ânion Cl–. Como é meio aquoso, nós temos também o cátion e ânion que veio da água. No caso temos o cátion H+ e ânion OH–.
Então surge a pergunta: quem irá sofrer a descarga? Para responder essa pergunta, nós teremos que olhar para uma sequência de descarga.
O cátion mais à esquerda da sequência abaixo é quem sofre a descarga:
Demais cátion > Hidrônio > Alumínio > Família IIA > Família IA
O ânion mais à esquerda da sequência abaixo é quem sofre a descarga:
Halogênios > Ânions não oxigenados > Hidroxila > Ânions Oxigenados
Sendo assim, pensando na eletrólise aquosa do NaCl.
Nós temos o cátion Na+ e o H+, logo o H+ é quem sofrerá a descarga.
E no caso do ânion, nós temos o Cl– e o OH–, sendo assim, o Cl– é um halogênio e ele sofrerá a descarga.
Nesse caso haverá a produção do gás cloro no ânodo e gás hidrogênio no cátodo.
Pilha X Eletrólise
Fórmulas presentes na eletroquímica
A Eletroquímica é uma parte da química que também envolve muita conta. Porém aqui as fórmulas são poucas.
As questões acabam exigindo mais um entendimento teórico junto de interpretação do que simplesmente saber as fórmulas. Mas vamos ver algumas delas agora.
Para pilhas, a fórmula mais usada é a para calcular a ddp. Temos duas formas de escrever essa fórmula. Ambas precisam chegar no mesmo resultado. Você pode escolher qual irá usar.
ddp = E°r + E°o ou ddp = E°r maior – E°r menor
E°r = potencial padrão de redução
E°o – potencial padrão de oxidação
Quando chegamos em eletrólise, a segundo fórmula fica um pouco diferente. Lembra que o processo é não espontâneo, sendo assim:
ddp = E°r menor – E°r maior
Além de calcular a ddp, nós podemos calcular também a quantidade de matéria que foi depositada, para isso nós usamos a seguinte fórmula:
Q = i . t
Onde:
Q = carga expressa em coulomb (C)
i = intensidade de corrente expressa em ampère (A)
t = tempo expresso em segundos (s)
OBS: 1 F = 96500 C = carga transferida por 1 mol de elétrons
Aproveite para conferir o vídeo do nosso canal sobre Eletroquímica
Exercícios sobre eletroquímica
1) Pilhas são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica por meio de um sistema montado para aproveitar o fluxo de elétrons provenientes de uma reação química de oxirredução, conforme mostra o seguinte exemplo.
Considerando que os Potenciais de redução do Níquel e do Zinco são, respectivamente, -0,25 V e -0,76 V é correto afirmar que
a) o níquel é oxidado e o zinco é reduzido.
b) o zinco é o ânodo e o níquel é o cátodo.
c) o níquel é o agente redutor e o zinco é o agente oxidante.
d) o níquel e o zinco geram uma força eletromotriz de -1,01 V nesta pilha.
2) A galvanoplastia é uma técnica que permite dar um revestimento metálico a uma peça, colocando tal metal como polo negativo de um circuito de eletrólise. Esse processo tem como principal objetivo proteger a peça metálica contra a corrosão. Vários metais são usados nesse processo, como, por exemplo, o níquel, o cromo, a prata e o ouro. O ouro, por ser o metal menos reativo, permanece intacto por muito tempo.
Deseja-se dourar um anel de alumínio e, portanto, os pólos são mergulhados em uma solução de nitrato de ouro III [Au(NO₃)₃]
Ao final do processo da eletrólise, as substâncias formadas no cátodo e no ânodo são, respectivamente:
3) Células galvânicas (pilhas) são dispositivos nos quais reações espontâneas de oxidorredução geram uma corrente elétrica. São dispostas pela combinação de espécies químicas com potenciais de redução diferentes. Existem milhares de células galvânicas possíveis. Considere as semi reações abaixo e seus respectivos potenciais de redução nas condições padrão (25 °C e 1 atm)
Baseado nas possibilidades de combinações de células galvânicas e suas representações esquemáticas recomendadas pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), são feitas as seguintes afirmativas:
Estão corretas apenas as afirmativas
a) I e II.
b) II e III.
c) III e IV.
d) I, II e IV.
e) I, III e IV.
Gabarito
Resposta da questão 1: [B]
Assim:
[A] Incorreta. O níquel é reduzido e o zinco oxidado.
[B] Correta. O zinco oxida, portanto, é o ânodo e, consequentemente, o níquel que irá reduzir será o cátodo.
[C] Incorreta. O zinco oxida, sendo, portanto, o agente redutor; enquanto o níquel reduz sendo o agente oxidante.
[D] Incorreta. A força eletromotriz gerada nessa pilha é de 0,51 V.
Resposta da questão 2: [C]
Resposta da questão 3: [B]
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