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Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT Instituto de Ciências Exatas e da Terra – ICET Departamento de Química
ELETROQUÍMICA
Prof. Emiliano Mendonça Silva
ELETROQUÍMICA
| A eletroquímica é o estudo da interação da eletricidade com as reações químicas.
| É o ramo da química que trabalha com o uso de reações químicas espontâneas para produzir eletricidade e com o uso da eletricidade para forçareletricidade, e com o uso da eletricidade para forçar as reações químicas não-espontâneas acontecerem.
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REAÇÕES REDOX
| Muitas reações comuns como a combustão, a corrosão, a fotossíntese, o metabolismo do alimento, a extração de metais dos minérios, etc, são reações de oxidação e redução.
| A oxidação é a perda de elétrons de uma espécie química em uma reação.
MgMg (^) (s) + O+ O (^) 2(g) →→ 2 MgO2 MgO (^) (s) (sendo Mg(sendo Mg 2+ 2 e Oe O 2- 2 ))
| A palavra redução originalmente referia-se à extração de um metal de seu óxido, comumente pela reação com H 2 ; C ou CO.
Fe 2 O (^) 3(s) + 3CO(g) → 2Fe (^) (l) + 3CO2(g)
| Na redução um átomo ganha elétrons.^3
REAÇÕES REDOX
| Quando uma reação envolve a oxidação de uma espécie, precisa estar acompanhada da redução de uma outra espécie. Assim, chamamos esse tipo de reação de redox.
| Nas reações abaixo, quem foi oxidado e quem foi reduzido?
a) 3Ag+(aq) + Al(s) → 3Ag (^) (s) + Al3+(aq)
b) 2Cu +(aq) + I (^) 2(s) → 2Cu 2+(aq) + 2I - (aq)
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NÚMEROS DE OXIDAÇÃO
| O número de oxidação é definido de modo que:
y Oxidação corresponde a um aumento no número de oxidação y Redução corresponde a uma diminuição no número de oxidaçãooxidação
| Uma reação redox, portanto, é qualquer reação na qual ocorrem mudanças nos números de oxidação dos elementos participantes da reação
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COMO ATRIBUIR OS NÚMEROS DE OXIDAÇÃO
O número de oxidação de um elemento não-combinado com outro elemento é sempre 0;
A soma dos números de oxidação de todos os átomos em uma espécie é igual à sua carga total;uma espécie é igual à sua carga total;
O n (^) ox de hidrogênio é +1 quando combinado com não- metais e -1 em combinação com metais;
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COMO ATRIBUIR OS NÚMEROS DE OXIDAÇÃO
O n (^) ox dos elementos dos grupos 1 e 2 é igual ao número de seu grupo;
O n (^) ox de todos os halogênios é -1 a menos que esteja em combinação com o oxigênio. Flúor é sempre -1;
O n (^) ox do oxigênio é -2 na maioria das vezes. As exceções são seus compostos fom F, com certos metais como peróxidos (O 2 2-^ ), superóxidos (O 2 -^ ) e ozonetos (O 3 -^ ).
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ATRIBUIR OS NÚMEROS DE OXIDAÇÃO - EXERCÍCIOS
| Encontre os n (^) ox dos elementos nos seguintes compostos:
a) SO 2
b) SO 4 2-
c) H 2 S
e) NO 3 -
f) SO 3 -
g) NO 2 -
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c) H 2 S
d) PO 4 3-
g) NO 2
h) HClO 3
AGENTES OXIDANTES E REDUTORES
| Nas reações redox:
| O agente oxidante é a espécie que é reduzida (causa a oxidação);
| O agente redutor é a espécie que é oxidada (causa a redução).
Zn (^) (s) + Cu 2+(aq) → Zn 2+(aq) + Cu (^) (s)
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Redutor Oxidante
AGENTES OXIDANTES E REDUTORES – EXERCÍCIOS
I. Atribua os nox de cada átomo e determine os agentes oxidante e redutor da reação:
2H 2 S(g) + SO2(g) → 3S(s) + 2H 2 O(l)
II. Quando Sn é colocado em contato com uma solução de íons Fe 3+^ , reduz o ferro a Fe 2+^ e é oxidado a Sn 2+^. Escreva a equação iônica para a reação. Quem são os agentes oxidante e redutor?
III. Íons cério(IV) oxidam íons iodeto a iodo enquanto se reduzem a íons cério(III). Escreva a equação iônica para a reação. Quem são os agentes oxidante e redutor?
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BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES REDOX
- Identifique as espécies que sofrem oxidação e as que sofrem redução a partir das mudanças de seus números de oxidação.
- Escreva as reações-base (não-balanceadas) para as semi- reações de oxidação e redução.
- Balanceie todos os elementos nas duas semi-reações, exceto o oxigênio e hidrogênio.
- Em solução ácida, balanceie o O pelo uso de H 2 O; depois balancear H usando H+^. Em solução básica, balanceie O pelo uso de H 2 O; balancear então H pela adição de H 2 O do lado de cada semi-reação onde H seja necessário, e adicionar OH-^ do lado oposto.
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BALANCEAMENTO DE EQUAÇÕES REDOX
- Balanceie as cargas elétricas pela adição de elétrons do lado esquerdo da reação de redução e do lado direito da reação de oxidação.
- Multiplique todas as espécies, em uma ou em ambas as semi-reações, pelo fator que resulte em números iguais de elétrons nas duas semi reações e então some aselétrons nas duas semi-reações, e então some-as.
- Finalmente, simplifique a aparência da equação pelo cancelamento das espécies que aparecem em ambos os lados da equação e assegure-se que, nos dois lados, os números de átomos e cargas foram balanceados.
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A NOTAÇÃO PARA CÉLULAS ELETROQUÍMICAS
| O diagrama de célula é escrito representando-se os eletrodos com uma | para expressar as interfaces entre as fases. A ponte salina é indicada com ||.
Zn (^) (s) | Zn 2+(aq) || Cu 2+(aq) | Cu (^) (s)
| Para facilitar a interpretação das convenções para as células galvânicas, podemos também fazer as seguintes assimilações:
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Vogais Consoantes Ânodo (-) Cátodo (+) Oxidação Redução Esquerda Direita
NOTAÇÃO PARA CÉLULAS ELETROQUÍMICAS - EXERCÍCIOS
- Escreva o diagrama para uma célula que tem um eletrodo de hidrogênio à esquerda, e um eletrodo ferro(II)-ferro(III) à direita, e inclui uma ponte salina (os eletrodos utilizados para a reação são de Pt).
- Escreva o diagrama para uma célula que tem um fio de manganês mergulhado em uma solução de íons manganês(II) no ânodo, uma ponte salina e um eletrodo cobre(II)-cobre(I) com um fio de platina no cátodo.
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O POTENCIAL DA CÉLULA
| O potencial da célula, E, é uma medida da habilidade da reação da célula de empurrar e puxar elétrons através de um circuito.
| Uma reação com muito poder de puxar e empurrar elétrons gera um alto potencial de célula (uma alta voltagem).
| Uma reação com pequeno poder de puxar e empurrar elétrons gera somente um baixo potencial (baixa voltagem).
| Uma bateria descarregada é uma célula na qual a reação está no equilíbrio, de modo que perdeu o poder de mover elétrons e tem potencial igual a 0. 21
O POTENCIAL DA CÉLULA
| O Volt, V, é a unidade de tensão elétrica do SI (diferença de potencial elétrico), a qual denomina o potencial de transmissão de energia, em Joules, por carga elétrica, em Coulombs, entre dois pontos distintos no espaço. Foi batizada em honra ao físico italiano Alessandro Volta (1745-1827).(1745 1827).
V = J. C-
| Um coulomb é a carga liberada por uma corrente de um ampere fluindo durante um segundo: 1 C = 1A. s
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O POTENCIAL DA CÉLULA
| Existem milhares de células galvânicas possíveis, e assim muitos milhares de potenciais-padrão de células. Ao invés de imaginar todas essas diferentes células, é muito mais simples imaginar cada eletrodo como fazendo uma contribuição característica chamada potencial padrão, Eº.
| Cada potencial padrão é a medida do poder de puxarp p p p elétrons de uma semi-reação de redução em um único eletrodo.
| Em uma célula galvânica os dois eletrodos puxam em direções opostas, de forma que o poder total da celula, medido através do potencial-padrão da célula, é a diferença entre os potenciais-padrão dos dois eletrodos. (^) 23
O POTENCIAL DA CÉLULA
Eº = Eº (^) (cátodo) – Eº (^) (ânodo)
| O potencial-padrão para um eletrodo de hidrogênio é igual a zero em todas as temperaturas: Eº (H+^ ,H 2 ) = 0.
| O eletrodo de hidrogênio é, então, usado para definir o potencial-padrão de qualquer outro eletrodo.
| Por exemplo, para determinar o potencial padrão de um eletrodo de Zinco:
Zn (^) (s) | Zn 2+(aq) || H+(aq) | H2(g) | Pt (^) (s)
Eº (H+^ , H 2 ) – Eº (Zn 2+^ , Zn) = 0,76V 24
O POTENCIAL DA CÉLULA
| Potenciais-padrão podem ser tanto positivos como negativos.
| Quanto mais positivo o potencial, maior será o poder de puxar da semi-reação de redução, e então será maior a tendência da espécie adquirir elétrons.
| Em contraste, um potencial-padrão negativo indica a tendência espontânea em descartar elétrons
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O POTENCIAL DA CÉLULA
- O potencial-padrão de um eletrodo de zinco é -0,76 V e o potencial-padrão da célula Zn (^) (s) | Zn 2+(aq) || Cu 2+(aq) | Cu (^) (s) é 1,10 V. Qual é o potencial-padrão do eletrodo de cobre?
- O potencial-padrão do eletrodo Ag +^ /Ag é +0,80 V, e o potencial padrão da célula Pt (^) (s) |I (^) 2(s) |I - (aq) ||Ag +(aq) |Ag (^) (s) é 0, V a mesma temperatura. Qual é o Eº do eletrodo I 2 /I -^?
- O Eº do eletrodo Fe2+^ /Fe é -0,44V e o Eº da célula Fe (^) (s) |Fe 2+(aq) ||Pb 2+(aq) |Pb (^) (s) é 0,31 V. Qual é o potencial- padrão do eletrodo Pb 2+^ /Pb?
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O POTENCIAL DA CÉLULA
| O potencial total de uma célula galvânica deve ser positivo porque é o que corresponde ao processo espontâneo, e somente um processo espontâneo pode gerar um potencial.
| Para determinar o potencial-padrão da célula: invertemos o sinal do potencial-padrão da semi-reação com o menor potencial padrão, e somamos os dois potenciais.
| Para encontrar a reação da célula, fazemos o mesmo com as semi-reações individuais.
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O POTENCIAL DA CÉLULA
- Qual metal é o agente redutor mais forte, zinco ou níquel? Avalie o potencial-padrão da célula e escreva a equação química para a reação espontânea. Dados: Eº Ni 2+/Ni = -0,25 V e Eº Zn2+/Zn = -0,76 V
7 7. Qual metal é o agente redutor mais forteQual metal é o agente redutor mais forte, Cu Cu 2+ 2+^ ou Agou Ag + +^?^? Avalie o potencial-padrão da célula e escreva a equação química para a reação espontânea. Dados: Eº Cu2+/Cu = +0,337 V e Eº Ag+/Ag = +0,799 V
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O POTENCIAL DA CÉLULA
- Considere soluções aquosas acidificadas com os seguintes eletrólitos e seus potenciais-padrão:
MnO 4 - (aq) → Mn 2+(aq) Eº = +1,51 V
Cr 2 O 7 2-(aq) → Cr 3+(aq) Eº = +1,33 V
a) Se montarmos uma célula galvânica com esses eletrólitos, qual será o Eº da célula?
b) Escreva a equação química balanceada para a reação espontânea.
c) Monte o diagrama da célula. 29
O POTENCIAL DA CÉLULA
| Uma bateria descarregada é um sinal de que a reação na célula atingiu o equilíbrio.
| No equilíbrio, uma célula gera diferença de potencial zero entre seus eletrodos, e a reação não pode mais fazer trabalho.
| O potencial da célula varia conforme a reação se processa. Podemos assim, utilizar a equação de Nernst para predizer o potencial da célula:
ou 30
