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Cargas elétricas: Estas cargas são chamadas de carga elétrica fundamental (e):
ELETROQUÍMICA DE EQUILÍBRIO
Eletrostática: parte da física que estuda o comportamento de cargas elétricas em repouso.
𝑞 = +1,6 𝑥 10ି ଵଽ^ 𝐶
𝑞 = −1,6 𝑥 10ି ଵଽ^ 𝐶
𝑒 = 1,6 𝑥 10ି ଵ^ 𝐶
Corpos Carregados: 𝑄: carga total de um corpo : número de prótons ou elétrons 𝑒: carga elétrica fundamental Um corpo pode estar carregado positivamente ou negativamente ou ser neutro.
𝐹: módulo da força elétrica entre os corpos 1 e 2 𝑞ଵ e 𝑞ଶ: quantidade de carga no corpo 1 e no corpo 2 𝑑: distância que separa os dois corpos 𝑘: constante eletrostática que depende do meio que contém os corpos. Para o vácuo e para o ar: 8 , 99 𝑥 10 ଽ^ 𝑁 𝑚ଶ𝐶 ିଶ^. Materiais condutores permitem a movimentação dos elétrons enquanto os isolantes dificultam essa movimentação, ou seja, a passagem da eletricidade. Força elétrica: Repulsão: Atração: Lei de Coulomb: O módulo da força elétrica que atua sobre dois corpos eletricamente carregados e que possuem dimensões muito menores do que a distância que existe entre eles, é proporcional à quantidade de carga presente em cada corpo e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa.
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Processos de eletrização: é quando um corpo, que inicialmente era neutro, pode ser carregado. A eletrização pode ocorrer de três formas: por atrito, por contato ou por indução. Tabela triboelétrica Indução por aterramento: Indução em materiais isolantes: 3 4
Potencial elétrico (V) de um ponto no espaço é a quantidade de energia potencial elétrica armazenada por carga elétrica ( 𝑞 ) presente naquele ponto. Energia potencial elétrica (𝑬𝒑) Considere um campo elétrico gerado pela carga 𝑄+, fixa no ponto O. A energia despendida ao mover a carga não é perdida. Fica armazenada na carga 𝑞 e recebe o nome de energia potencial elétrica. A 𝐸 (J) que a carga 𝑞 adquire ao ser colocada em P é dada por: 𝑉 =
Quando uma lâmpada é ligada numa tomada de 110 V, a cada 1 C que se deslocar de um terminal para outro receberá 110 J de energia do campo elétrico existente na tomada. Se a tomada for de 220 V, cada 1 C receberá o dobro de energia ao se deslocar de um terminal para outro da tomada. Uma carga + abandonada em A sofrerá a ação de uma força elétrica durante todo o deslocamento de A para B. A força elétrica está realizando um trabalho e com isso transferindo energia para a carga. A diferença de potencial entre dois pontos é: 𝑇: trabalho da carga elétrica (J) Diferença de potencial: também chamada de voltagem ou tensão é utilizada para explicar o movimento de cargas elétricas. Pode ser representada por 𝑈, 𝑉 ou ddp. 𝑉 = 𝑉 − 𝑉 =
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EXERCÍCIO 1.
A Figura abaixo representa a vista lateral de duas placas metálicas quadradas que, em um ambiente desumidificado, foram eletrizadas com cargas de mesmo valor e de sinais contrários. As placas estão separadas por uma distância d = 0,02 m, que é muito menor do que o comprimento de seus lados. Dessa forma, na região entre as placas, existe um campo elétrico praticamente uniforme, cuja intensidade é aproximadamente igual a 5x10^3 N C-1. Para se transferir uma carga elétrica positiva da placa negativamente carregada para a outra, é necessário realizar trabalho contra o campo elétrico. Esse trabalho é função da diferença de potencial existente entre as placas. Quais são, respectivamente, os valores da voltagem entre as placas e do trabalho necessário para transferir uma carga elétrica de 3x10-3^ C da placa negativa para a positiva? EXERCÍCIO 1 - continuação 9 10
Ag+(aq) + e-^ Ag(s) (x2) Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s) Ag+: agente oxidante Cu: agente redutor Pilha, célula voltaica, galvânica ou de Daniell Zn(s) Zn2+(aq) +2e-^ 𝐸௫^ ఏ^ = +0,76 𝑉 Cu2+(aq) + 2e-^ Cu(s) 𝐸ௗ^ ఏ^ = +0,34 𝑉 Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) 𝐸^ ఏ^ = +1,10 𝑉 Ponte salina: NO 3 - : para compensar a produção de Zn2+ Na+: para compensar a remoção de Cu2+ 𝐸ఏ^ = potencial da pilha no estado padrão (25°C, 1 bar e concentração de eletrólitos de 1 mol dm−^3 ) 13 14
Diagrama de célula: Zn(s) Zn2+(aq) Cu2+(aq) Cu(s) ÂNODO CÁTODO meia-célula meia-célula : fronteira entre as fases (eletrodo e solução) : ponte salina Potenciais-padrão de redução (semi-célula)
- Os dados eletroquímicos são colocados em uma tabela.
- Os potenciais padrão de redução (𝐸ௗ^ ఏ^ ) são medidos em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio (EPH), que por convenção apresenta 𝐸ௗ^ ఏ^ = 0,0 𝑉.
A força eletromotriz (fem) de uma célula pode ser calculada a partir de potenciais padrão de redução.
𝐸^ ఏ^ = 𝐸ௗ^ ఏ^ (𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜) − 𝐸ௗ^ ఏ^ (ânodo) Zn(s) Zn2+(aq) +2e-^ 𝐸௫^ ఏ^ = +0,76 𝑉 Cu2+(aq) + 2e-^ Cu(s) 𝐸ௗ^ ఏ^ = +0,34 𝑉 Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) 𝐸^ ఏ^ = +1,10 𝑉 Zn2+(aq) +2e-^ Zn(s) 𝐸ௗ^ ఏ^ = −0,76 𝑉 Cu2+(aq) + 2e-^ Cu(s) 𝐸ௗ^ ఏ^ = +0,34 𝑉 Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) 𝐸^ ఏ^ = +1,10 𝑉 𝐸^ ఏ^ = 0,34 – (-0,76) = +1,10 𝑉 ou Tabela incompleta!!! 15 16
EXERCÍCIO 4.
As meias reações que ocorrem em uma bateria são: PbSO4(s) + 2e-^ → Pb(s) + SO 4 2-(aq) E^ = -0,360 V PbO2(s) + 4H+(aq) + SO 4 2-(aq) + 2e-^ → PbSO4(s) + 2H 2 O(l) E^ = +1,690 V Calcule o potencial global para a célula (Ecélula). EXERCÍCIO 5. Utilize valores de potenciais-padrão de redução para decidir se as seguintes reações vão ocorrer espontaneamente ou não. a) Cu2+(aq) + Ni(s) → Cu(s) + Ni2+(aq) b) Br2(l) + 2I-(aq) → 2Br-(aq) + I2(s) 19 20
EXERCÍCIO 5 - continuação b) Br2(l) + 2I-(aq) → 2Br-(aq) + I2(s) José Carlos Marconato e Edério Dino Bidóia Química Nova na Escola, n. 17, maio de 2003. Medida do potencial do eletrodo de cobre, em solução de nitrato de cobre 1,0 mol dm-3, utilizando um eletrodo de referência não convencional Materiais: 1 voltímetro; laranja; grafite (retirado de pilhas usadas); metais (chumbo, zinco e cobre); soluções de nitrato de cobre (ou chumbo ou zinco) 1 mol dm-3; béqueres de 50 mL; 1 tubo de vidro ou plástico em forma de U (diâmetro de 1 cm); nitrato de sódio (ponte salina) e lixa fina para polir os metais 21 22
Eletrodo de calomelano Hg 2 Cl2(s) + 2e-^ 2Hg(l) + 2Cl-(aq) O eletrodo de calomelano tem um filamento de platina com cloreto de mercúrio (Hg 2 Cl 2 , que é chamado de calomelano) e mercúrio metálico mergulhados numa solução de cloreto de potássio (KCl). Eletrodo de prata/cloreto de prata É constituído por um fio de prata recoberto com cloreto de prata em contato com uma solução de cloreto de potássio saturada. AgCl(s) + e-^ Ag(s) + Cl-(aq) 25 26
Termodinâmica das células eletroquímicas 𝑄 = 𝐹 𝑄: carga total de elétrons produzidos na reação : número de mol de elétrons 𝐹: Constante de Faraday (96485 C mol-1) 𝐹 = 𝑒 𝑁 𝑒: carga elementar (1,602 x 10-19^ C) 𝑁: cte de Avogadro (6,022 x 10^23 mol-1) ∆𝐺ఏ^ = − 𝐹𝐸^ ఏ 𝑬𝒄𝒆𝒍^ 𝜽^ ∆𝒓𝑮𝜽^ K^ reação
- 1 Espontânea na reação direta 0 0 1 Equilíbrio
- 1 Espontânea na reação inversa Relação entre 𝑬𝒄𝒆𝒍^ 𝜽^ e 𝑲 ∆𝐺ఏ^ = −𝑅 𝑇 𝑙𝑛𝐾 ∆𝐺ఏ^ = − 𝐹 𝐸^ ఏ Igualando as equações acima: −𝑅 𝑇 𝑙𝑛𝐾 = − 𝐹 𝐸^ ఏ 𝐸^ ఏ^ = ோ ் ி
ோ ்
𝐸^ ఏ
Conversão de unidade: 1 C V = 1 J EXERCÍCIO 6. O potencial da pilha referente à reação abaixo é de +1,10 V. Calcule a constante de equilíbrio desta reação, a 25°C. Cu2+(aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn2+(aq) 27 28
EXERCÍCIO 9.
O potencial-padrão do par Cu2+/Cu é + 0,340 V, e o do par Cu+/Cu é + 0,552 V. Estime 𝐸ఏ(Cu2+, Cu+). Dependência do 𝐸^ ఏ^ com a concentração 𝑎 = [] ഇ^ ( 𝐴 ఏ^ = 1 mol dm−3) 𝐸^ ఏ^ = 𝐸ௗ^ ఏ^ (𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜) − 𝐸ௗ^ ఏ^ (ânodo) 𝑄 =
௦௧ 𝜋(𝑎𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠) ௦௧
𝐸 = 𝐸^ ఏ^ −
ோ ் ி 𝑙𝑛𝑄 (Equação de Nernst) 31 32
EXERCÍCIO 10.
Qual o Ecel de uma célula com concentração de CuSO 4 de 0,0050 mol dm-3^ e ZnSO 4 de 0,10 mol dm-3^ a 298 K? (Ecel = 1,100 V). A reação global é: Zn(s) + Cu2+(aq) Cu(s) + Zn2+(aq) EXERCÍCIO 11. Calcule Ecel a 298 K para a pilha Co(s)|Co2+(aq)||Ni2+(aq)|Ni(s) quando [Ni2+] = 1,0 mol dm-3^ e [Co2+] = 0,10 mol dm- 33 34
