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EletroquímicaEletroquímica
IntroduçãoIntrodução
A Eletroquímica de forma geral baseia-se nas reaçõesreações dede oxirreduçãooxirredução. OxidaçãoOxidação : refere-se a perda de elétrons. ReduçãoRedução : ganho de elétrons. Portanto, as reaçõesreações dede oxirreduçãooxirredução ocorremocorrem quandoquando osos elétronselétrons sãosão transferidostransferidos dodo átomoátomo oxidadooxidado parapara oo átomoátomo reduzidoreduzido.
IntroduçãoIntrodução
EletroquímicaEletroquímica, é, é portantoportanto, o, o
estudoestudo dasdas relaçõesrelações entre aentre a
eletricidadeeletricidade e ase as reaçõesreações
químicasquímicas..
IntroduçãoIntrodução
Por exemplo: Quando o zinco metálico é adicionado a um ácido forte em solução (HCl), os elétrons são transferidos dos átomos de zinco (zinco oxidado) para os íons de hidrogênio (hidrogênio reduzido). Zn( s ) + 2 H+( aq ) Zn^2 +( aq ) + H 2 ( g )
IntroduçãoIntrodução
A transferência de elétrons que ocorre na reação produz energia na forma de calor ; a reação é termodinamicamente favorável e ocorre espontaneamente. A transferência de elétrons que ocorre durante as reações de oxirredução pode também ser usada para produzir energia na forma de eletricidade. Zn( s ) + 2 H+( aq ) Zn^2 +( aq ) + H 2 ( g )
Se uma substância for oxidadaoxidada, outra substância na mesma
reação TEMTEM QUEQUE ser reduzidareduzida. Por esse motivo, essas reações são chamadas freqüentemente de reações de oxirreduçãooxirredução. O agenteagente redutorredutor é oxidado, e o agenteagente oxidanteoxidante é reduzido. AA oxidaçãooxidação éé oo opostooposto dada reduçãoredução. Por exemplo, a remoção do oxigênio é redução e a adição do oxigênio é oxidação.
Reações deReações de OxirreduçãoOxirredução Reações deReações de OxirreduçãoOxirredução
Nessa reação o monóxido de carbono é o agente que causa a
redução do minério de ferro a ferro metálico, de modo que o monóxido de carbono é chamado agenteagente redutorredutor.
Reações Redox e TransferênciaReações Redox e Transferência de Elétronsde Elétrons Reações Redox e TransferênciaReações Redox e Transferência de Elétronsde Elétrons
Na reação entre
magnésio e oxigênio, o oxigênio é reduzidoreduzido porque ganhaganha elétronselétrons (quatro elétrons por molécula) ao passar para óxido. Portanto, o O 2 é o agente oxidante. Reações Redox e TransferênciaReações Redox e Transferência de Elétronsde Elétrons
Na mesma reação, o magnésio é o agenteagente redutorredutor porque liberalibera
doisdois elétronselétrons por átomo ao ser oxidado ao íon Mg^2 +. Números de OxidaçãoNúmeros de Oxidação
OO númeronúmero dede oxidaçãooxidação dede umum átomoátomo emem umum íoníon ouou moléculamolécula
éé definidodefinido comocomo aa cargacarga queque umum átomoátomo tem,tem, ouou aparentaaparenta ter,ter,
conformeconforme determinadodeterminado porpor algumasalgumas regrasregras dede atribuiçãoatribuição dosdos
númerosnúmeros dede oxidaçãooxidação..
Regras:Regras:
Números de OxidaçãoNúmeros de Oxidação (^) Balanceamento das Equações deBalanceamento das Equações de OxirreduçãoOxirredução
Como sabemos dos conceitos de estequiometria, o
balanceamento de uma equação química deve obdecer à lei de conservação da massa. LeiLei dada conservaçãoconservação dede massamassa :: a quantidade de cada elemento presente no início da reação deve estar presente no final. Numa reação de oxirredução, a medida que a balanceamos, existe uma exigência adicional: osos elétronselétrons recebidosrecebidos ee doadosdoados devemdevem serser tambémtambém balanceadosbalanceados (Balanceamento de carga). Ou seja, sese umauma substânciasubstância perdeperde determinadodeterminado númeronúmero dede elétronselétrons durantedurante umauma reaçãoreação,, aa outraoutra substânciasubstância temtem queque ganharganhar oo mesmomesmo númeronúmero dede elétronselétrons. SemiSemi--reaçõesreações
Apesar de a oxidação e redução terem que ocorrer
simultaneamente, é conveniente considerá-las como processos separados através das semisemi--reaçõesreações.
- Por exemplo: As semi-reações para SnSn2+2+(( aqaq ) + 2Fe) + 2Fe3+3+(( aqaq )) SnSn4+4+(( aqaq ) + 2Fe) + 2Fe2+2+(( aqaq )) são: OxidaçãoOxidação : Sn2+( aq ) Sn4+( aq ) + 2e- ReduçãoRedução : 2Fe3+( aq ) + 2e-^ 2Fe2+( aq ) OxidaçãoOxidação : os elétrons são mostrados como produtos. ReduçãoRedução : os elétrons são mostrados como reagentes. SemiSemi--reaçõesreações
Como podemos observar, numa reação redox, o número de
elétrons perdidos na semi-reação de oxidação deve ser igual ao número de elétrons ganhos na semi-reação de redução. Quando essas condições são satisfeitas e cada semi-reação estiver balanceada, os elétrons em cada lado cancelam-se quando as duas semi-reações forem somadas para fornecer a equação de oxirredução total balanceada.
SnSn2+2+(( aqaq ) + 2Fe) + 2Fe3+3+(( aqaq )) SnSn4+4+(( aqaq ) + 2Fe) + 2Fe2+2+(( aqaq ))
OxidaçãoOxidação : Sn2+( aq ) Sn4+( aq ) + 2e-
ReduçãoRedução : 2Fe3+( aq ) + 2e-^ 2Fe2+( aq )
- Multiplique cada semi-reação para fazer com que o número de elétrons seja igual.
- Adicione as reações e simplifique.
- Confira! BalanceamentoBalanceamento dede equaçõesequações pelopelo métodométodo das semidas semi--reaçõesreações BalanceamentoBalanceamento dede equaçõesequações pelopelo métodométodo das semidas semi--reaçõesreações Para KMnO 4 + Na 2 C 2 O 4 teremos: 1 - As duas semi-reações incompletas são: MnO 4 - ( aq ) Mn2+( aq ) C 2 O 42 - ( aq ) 2CO 2 ( g )
- A adição de água e H+^ produz 8H+^ + MnO 4 - ( aq ) Mn2+( aq ) + 4H 2 O
- Existe uma carga 7 + à esquerda e 2 + à direita. Conseqüentemente, precisam ser adicionados 5 elétrons à esquerda : 5e-^ + 8H+^ + MnO 4 - ( aq ) Mn2+( aq ) + 4H 2 O
- Na reação do oxalato, existe uma carga 2 - à esquerda e uma carga 0 à direita, logo, precisamos adicionar dois elétrons: C 2 O 42 - ( aq ) 2 CO 2 ( g ) C 2 O 42 - ( aq ) 2 CO 2 ( g ) + 2 e-
- Para fazer o balanceamento dos 5 elétrons para o permanganato e 2 elétrons para o oxalato, precisamos de 10 elétrons para ambos. A multiplicação fornece : 10 e-^ + 16 H+^ + 2 MnO 4 - ( aq ) 2 Mn^2 +( aq ) + 8 H 2 O 5 C 2 O 42 - ( aq ) 10 CO 2 ( g ) + 10 e- BalanceamentoBalanceamento dede equaçõesequações pelopelo métodométodo das semidas semi--reaçõesreações 4. A adição fornece: 16 H+( aq ) + 2 MnO 4 - ( aq ) + 5 C 2 O 42 - ( aq ) 2 Mn^2 +( aq ) + 8 H 2 O( l ) + 10 CO 2 ( g ) 5. Que está balanceada! Podemos agora conferir a equação balanceada contando os átomos e cargas: existem 16 H, 2 Mn, 28 O, 10 C e uma carga líquida de 4 + em ambos os lados da reação, confirmando que a equação está balanceada corretamente. BalanceamentoBalanceamento dede equaçõesequações pelopelo métodométodo das semidas semi--reaçõesreações
BalanceamentoBalanceamento dede equaçõesequações pelopelo métodométodo das semidas semi--reaçõesreações Se uma reação ocorre em meio básico , a equação deve ser completada com a utilização de OH-^ e H 2 O. Portanto, em meio básico usamos OH-^ e H 2 O, em vez de H+^ e H 2 O. O mesmo método mostrado anteriormente é usado, mas o OH-^ é adicionado para “neutralizar” o H+^ usado. Células VoltaicasCélulas Voltaicas A energia liberada em uma reação redox espontânea pode ser usada para realizar trabalho elétrico. Essa tarefa é efetuada por uma célula voltaica (ou galvânica) , dispositivo no qual a transferência de elétrons ocorre pelo caminho externo em vez de diretamente entre os reagentes. Vejamos um exemplo de uma reação redox comum: Uma tira de zinco colocada em contato com uma solução contendo sulfato de cobre (II). Células VoltaicasCélulas Voltaicas Os elétrons são transferidos do zinco para o íon Cu^2 +, formando íons Zn^2 +^ e Cu(s). A medida que a reação prossegue, a cor azul dos íons Cu^2 +(aq) desaparece e o cobre metálico deposita- se no fita de zinco. Ao mesmo tempo, o zinco começa a se dissolver. Células VoltaicasCélulas Voltaicas Vejamos agora um exemplo de uma célula voltaica que usa a mesma reação redox entre Zn e Cu^2 +^. AA diferençadiferença significativasignificativa entreentre asas duasduas montagensmontagens éé queque oo ZnZn metálicometálico ee CuCu^22 ++ nãonão estãoestão diretamentediretamente emem contatocontato.
Células VoltaicasCélulas Voltaicas Para esse propósito usa-se uma PONTE SALINA. Ela consiste em um tubo em forma de U que contém uma solução de elétrolito, como NaNO 3 (aq), cujos íons não reagem com outros íons na célula ou com os materiais dos eletrodos. Células VoltaicasCélulas Voltaicas Conforme a oxidação e redução ocorrem nos eletrodos, os íons da ponte salina migram para neutralizar a carga nos compartimentos da célula. Células VoltaicasCélulas Voltaicas Qualquer que seja o meio usado para permitir que os íons migrem entre semicélulas, osos ânionsânions sempresempre migrammigram nono sentidosentido dodo anodoanodo ee osos cátionscátions nono sentidosentido dodo catodocatodo. Podemos observar também que em qualquer célula voltaica os elétrons fluem do anodo pelo circuito externo para o catodo. Células VoltaicasCélulas Voltaicas Uma vez que os elétrons carregados negativamente fluem do anodo para o catodo, oo anodoanodo emem umauma célulacélula voltaicavoltaica éé consideradoconsiderado comocomo negativonegativo ee oo catodocatodo comocomo oo sinalsinal positivopositivo.
FemFem de pilhasde pilhas Os processo químicos que constituem qualquer célula voltaica são espontâneosespontâneos. Os elétrons fluem do anodo de uma célula voltaica para o catodo devido à diferençadiferença nana energiaenergia potencialpotencial. A energia potencial dos elétrons é mais alta no anodo que no catodo, e eles fluem espontaneamente pelo circuito externo do anodo para catodo. FemFem de pilhasde pilhas A diferença na energia potencial por carga elétrica (diferença de potencial) entre dois eletrodos é medida em unidades de volts. Um volt (V) é a diferença potencial necessária para fornecer 1 J de energia para uma carga de 1 coulomb (C). 1 C 1 J 1 V FemFem de pilhasde pilhas A diferença de potencial entre dois eletrodos em uma célula voltaica fornece a força diretora que empurra os elétrons por um circuito. Essa diferença de potencial chama-se forçaforça eletromotrizeletromotriz dada célulacélula ( femfem ). Eletromotriz pois ela provoca movimento dos elétrons. A fem de uma pilha, denominada Ecel , também pode ser chamada de potencialpotencial dada célulacélula. FemFem de pilhasde pilhas Para soluções 1 mol/L a 25 oC (condições padrão), a fem é chamada de fem-padrão ou potencial-padrão da célula, sendo representado por Eocel. Na figura ao lado, o potencial da célula, a 25 oC é 1 , 10 V.
PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução A figura abaixo mostra uma célula voltaica usando EPH e um eletrodo-padrão de Zn^2 +/Zn. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução Podemos observar que o eletrodo Zn^2 +/Zn é o anodo e o EPH é o catodo, e que a voltagem da célula é + 0 , 76 V. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução Usando o potencial-padrão de redução do H+^ (Eored = 0 ), podemos determinar o potencial-padrão de redução para a semi- reação Zn^2 +/Zn:
- 0 , 76 V = 0 V – Eored (anodo). Conseqüentemente, o Eored (anodo) = - 0 , 76 V. Portanto, podemos escrever: Zn2+( aq ) + 2e-^ Zn( s ), E red = - 0,76 V. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução A tabela ao lado relaciona alguns potenciais-padrão de redução. Esses potenciais geralmente chamados de potenciaispotenciais dede semisemi-- reaçãoreação , podem ser combinados para calcular as fems de grande variedade de células voltaicas.
- Como o potencial elétrico mede a energia potencial por carga elétrica, osos potenciaispotenciais dede reduçãoredução sãosão propriedadespropriedades intensivasintensivas.
- Ou seja, aa variaçãovariação dodo coeficientecoeficiente estequiométricoestequiométrico nãonão afetaafeta oo EE redred.
- Portanto, 2 Zn^2 +( aq ) + 4 e-^ 2 Zn( s ), E red = - 0 , 76 V. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução
- Para cada uma das semicélulas, oo potencialpotencial--padrãopadrão dede reduçãoredução fornecefornece umauma medidamedida dada forçaforça diretoradiretora parapara aa reaçãoreação ocorrerocorrer.
- As reações com EE redred >> 00 sãosão reduçõesreduções espontâneasespontâneas em relação ao EPH.
- As reações com EE redred << 00 sãosão oxidaçõesoxidações espontâneasespontâneas em relação ao EPH. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução No exemplo anterior: Zn^2 +( aq ) + 2 e-^ Zn( s ), E red = - 0 , 76 V. Uma vez que o E red = - 0 , 76 V, concluímos que a redução do Zn^2 +^ na presença do EPH não é espontânea. A oxidação do Zn com o EPH é espontânea. PotenciaisPotenciais--padrãopadrão dede reduçãoredução AgentesAgentes oxidantesoxidantes ee redutoresredutores Quanto mais positivo o valor de Eored para uma semi-reação, maior a tendência para o reagente da semi-reação ser reduzido e, em consequencia, de oxidar a outra espécie. Por outro lado, a semi-reação com menor valor de Eored é a mais facilmente invertida como uma oxidação.
