quinta-feira, 13 de dezembro de 2012

Eletroquímica


         Com a invenção da pilha ,em 1800, pelo italiano Alessandro Volta, surgiu no ramo da química, a eletroquímica, que estuda a relação entre as reações químicas e a energia elétrica. As reações químicas podem gerar energia elétrica, mas pode também esta provocar a ocorrência de reações.
         Qualquer sistema de oxidação-redução capaz de produzir energia elétrica é denominado pilha. Na eletrolise, ao contrário, a reação consome energia elétrica.
         Tanto as reações que geram corrente elétrica quanto as que utilizam uma corrente externa são reações de oxi-redução, pois, nesses casos, elétrons são transferidos de uma para outra espécie química. Lembre-se que o processo em que há ganho de elétrons chama-se redução, e o elemento é chamado de oxidante pois provoca a oxidação de um outro que, por sua vez, é conhecido como agente redutor.

Pilhas
         Quando uma barra de Zn é imersa em uma solução de Cu2+, nota-se que o Zn fica 
totalmente recoberto por uma camada de cobre metálico. A presença de íons Zn2+ na solução poderá ser detectada por meio de uma analise química.


Dois processos estão ocorrendo nesse exemplo: a oxidação do Zn
Zn à Zn²+    +  2e-
E a redução dos íons Cu2+
Cu2+  + 2e- à Cu
         Processos em que só ocorrem oxidação ou só redução são chamados de semi-reações. Portanto, cada uma das reações descritas acima é chamada de semi-reação, mas, em conjunto, resultam na reação global da pilha que,neste caso, pode ser representada por:
Zn + Cu2+ à Zn2+  + Cu

Pilha de volta

         A pilha de volta era constituída por uma pilha de placas metálicas de Zn e Cu  entremeada por discos de feltro embebidos em H2SO4 diluído.



Pilha de Daniell
         O inglês John Daniell construiu a primeira pilha com soluções liquidas. A pilha foi construída utilizando placas metálicas de Zn e Cu mergulhadas, respectivamente, em soluções de íons Zn2+ e Cu2+ de concentração 1mol/L a 25°C.




O sistema redox da pilha de Daniell pode ser representado pelas seguintes equações:

Anodo(oxidação)   Zn0 à Zn2+ + 2e-
Catodo(redução)   Cu2+ + 2- à Cu0
Reação da pilha       Zn + Cu2+ à Zn2+ + Cu0

         Variando a temperatura e as concentrações das soluções,obtém-se potenciais diferentes de 1V.
         Os elétrons passam de forma espontânea da barra de Zn para a de Cu pelo fio. À medida que a pilha funciona ou descarrega, a lâmina de zinco se desgasta, enquanto a de cobre aumenta. Dessa forma, aumenta a concentração de íons Zn2+ em solução, enquanto a concentração de íons Cu2+ diminui. Esse aumento e diminuição de cargas elétricas nas soluções poderiam fazer com que a pilha parasse de funcionar, mas esse problema pode ser contornado com o uso de uma ponte de salina. Ela é constituída de um tubo recurvado, contendo uma solução saturada de algum eletrólito que mantém contato com ambas as soluções. Os íons negativos dessa solução migram para a semicela em que ocorre a formação de excesso de cargas elétricas positivas, nesse caso para o zinco. Os íons positivos migram para a semicela em que houver deficiência de cargas elétricas positivas, no caso do cobre. A função da ponte salina é, portanto, a de manter o equilíbrio das soluções.
         Para voltar a situação inicial, os elétrons devem ser “forçados” a ir da barra de cobre para a de zinco por meio de uma fonte de corrente elétrica externa ou gerador. Então, a lâmina de Zn irá se recompor, enquanto a de cobre tem sua massa reduzida.
         Dessa forma, há uma transferência direta de elétrons dos átomos de zinco da barra para os íons Cu2+ da solução da outra cela.

Aplicações

Pilha seca ou pilha de Leclanché
          As pilhas utilizadas em rádios e lanternas são exemplos da pilha seca. Em seu interior existe um material umedecido, e não uma solução líquida, daí o nome pilha seca.As pilhas comuns oferecem uma diferença de potencial de 1,5V.
         As semi-reações que ocorrem são:
Catodo        2MnO2 + 2NH4+ + 2e- à Mn2O3 + 2NH3 + H2O
Anodo         Zn0 à Zn2+ + 2e-
         As pilhas comuns não podem ser descarregadas; no entanto,existem no mercado pilhas formadas de determinados materiais que podem receber elétrons de uma fontes externa e se regenerar.



Acumulador ou bateria
         O acumulador ou bateria mais comum possui um elemento de PB e outro de PbO, imersos em uma solução aquosa de ácido sulfúrico de densidade 1,2g/mL. A bateria comum,utilizada em automóvel, é constituída de várias pilhas de PB interligadas
Para fornecer a ddp necessária. Como se trata de uma série de pilhas, ela é chamada de bateria.
         A bateria pode ser recarregada utilizando-se um gerador externo, e as semi-reações, então, ocorrem no sentido imerso.

Pilha alcalina
      A pilha alcalina é um tipo de fonte portátil de energia. Tem voltagem de 1,5 V e não é recarregável. É indicada para equipamentos que requerem descargas de energia rápidas e fortes, como brinquedos, câmeras fotográficas digitais, MP3 players, lanternas, walkmans, discmans etc.
A pilha alcalina é composta de um ânodo de zinco poroso imerso em uma solução (mistura eletrolítica) alcalina (pH~14) de hidróxido de potássio ou de hidróxido de sódio (bases), e de um cátodo de dióxido de manganês compactado, envoltos por uma capa de aço niquelado, além de um separador feito de papel e de um isolante de nylon.
Apesar de a pilha comum e a alcalina serem ambas compostas de dióxido de manganês e zinco, o processo de fabricação é diferenciado: na pilha comum, a mistura eletrolítica é de cloreto de amônio (sal ácido) e o zinco é o envoltório do mecanismo — na alcalina, o zinco ocupa o centro da pilha.
 
 
Pilhas Alcalinas
                              
 Pilha de mercúrio
     Uma pilha de mercúrio é um tipo de pilha alcalina. Por ter mercúrio em grandes concentrações, sua comercialização foi banida em muitos países. Hoje, as pilhas de mercúrio são utilizadas, por exemplo, em relógios, calculadoras, marca-passos, aparelhos auditivos, máquinas fotográficas e brinquedos.
     A parte negativa da pilha (ânodo) é uma amálgama de zinco (reagente) e de mercúrio, a parte positiva (cátodo) é o óxido de mercúrio II (HgO) e a solução eletrolítica é uma pasta de papel umedecido contendo o hidróxido de potássio (KOH), que funciona como uma ponte salina, ligando as duas semi-celas.
     Essa solução eletrolítica tem como função manter a neutralidade elétrica das pilhas. Os ânions da ponte fluem na solução no mesmo sentido que os elétrons fluem no fio. Já os cátions da ponte salina fluem na solução no sentido contrário ao dos elétrons. Logo abaixo da pasta de papel umedecido, é colocado um separador poroso, que funciona como isolante.
     As reações que ocorrem nestas pilhas estão dispostas a seguir, as reações que ocorrem no ânodo e no cátodo.
  • ânodo: Zn → Zn2+ + 2e- (pólo -)
  • cátodo: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH- (pólo +)
     A parte negativa da pilha (ânodo) é uma amálgama de zinco (reagente) e de mercúrio, a parte positiva (cátodo) é o óxido de mercúrio II (HgO) e a solução eletrolítica é uma pasta de papel umedecido contendo o hidróxido de potássio (KOH), que funciona como uma ponte salina, ligando as duas semi-celas.
     Essa solução eletrolítica tem como função manter a neutralidade elétrica das pilhas. Os ânions da ponte fluem na solução no mesmo sentido que os elétrons fluem no fio. Já os cátions da ponte salina fluem na solução no sentido contrário ao dos elétrons. Logo abaixo da pasta de papel umedecido, é colocado um separador poroso, que funciona como isolante.
     As reações que ocorrem nestas pilhas estão dispostas a seguir, as reações que ocorrem no ânodo e no cátodo.
  • ânodo: Zn → Zn2+ + 2e- (pólo -)
  • cátodo: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH- (pólo +)

                                                      Pilha de mercúrio
 


Postado por: Gregory Sousa e Lucas Cabral

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