Rede So Paulo de

Cursos de Especializao para o quadro do Magistrio da SEESP

Ensino Fundamental II e Ensino Mdio

So Paulo

2011

UNESP Universidade Estadual PaulistaPr-Reitoria de Ps-GraduaoRua Quirino de Andrade, 215CEP 01049-010 So Paulo SPTel.: (11) 5627-0561www.unesp.br

Governo do Estado de So Paulo Secretaria de Estado da EducaoCoordenadoria de Estudos e Normas PedaggicasGabinete da CoordenadoraPraa da Repblica, 53CEP 01045-903 Centro So Paulo SP

tema fichasumrio

SumrioVdeo da Semana ...................................................................... 2

3 - Espontaneidade de Reaes Redox ..........................................2

3.1 - Fora Eletromotriz (fem) e Variao de Energia Livre .......................3

3.2 - Efeito da Concentrao na fem da Pilha ............................................3

3.3 - Pilhas de Concentrao ......................................................................5

3.4 A Fora Eletromotriz da Clula e Equilbrio Qumico .....................6

3.5 - Baterias ou Pilhas ...............................................................................6

3.5.1 - Bateria de chumbo e cido ..............................................................7

3.5.2 - Pilhas Alcalinas ...............................................................................8

3.5.3 - Clulas de Combustvel ..................................................................8

2

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

Vdeo da Semana

3 - Espontaneidade de Reaes RedoxPara avaliarmos a espontaneidade de uma Reao de Oxirreduco, devemos considerar que

em uma clula (espontnea) voltaica (galvnica) o:

Eored(catodo) mais positivo do que o Eo

red(anodo) uma vez que:

Um Eored positivo indica um processo espontneo (clula galvnica).

Um Eored negativo indica um processo no-espontneo.

3

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

3.1 - Fora Eletromotriz (fem) e Variao de Energia Livre

Vale pena recordar que a variao da energia livre de Gibbs, DG, uma medida termo-dinmica da espontaneidade de um processo que ocorre a temperatura e presso constantes. Desta forma, como a fem, E, de uma reao redox indica se a reao espontnea, a fem e a variao de energia livre podem ser expressas pela seguinte equao:

Onde: DG a variao da energia livre,

n a quantidade de matria de eltrons transferidos,

F a constante de Faraday e

E a fem da clula.

Podemos definir:

J que n e F so positivos, se DG > 0 logo E < 0.

3.2 - Efeito da Concentrao na fem da Pilha

At aqui foi discutido como possvel calcular a fem de uma clula quando tanto reagentes quanto produtos esto sob condies padro. Porm, deve-se lembrar que ao longo do funcio-namento de uma clula voltaica, h o consumo dos reagentes medida que os produtos so gerados, levando a variaes nas respectivas concentraes. Desta forma, a fem tende a cair progressivamente at o ponto mximo em que E = 0, ou seja, neste momento dizemos que a pilha cessou de produzir corrente. Logicamente, com E = 0, as concentraes de reagentes e produtos param de variar, e o sistema entra em equilbrio. Podemos agora ento analisar o efeito na fem gerada sob condies no padres e assim estima-la usando uma equao a qual foi primeiramente deduzida por Walther Nerst (184-1941), um importante qumico alemo na rea eletroqumica. Assim, a equao a qual vamos trabalhar agora tem o seu nome:

4

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

3.2.1 - A Equao de Nernst

Se uma clula voltaica funcional at E = 0, ponto no qual o equilbrio alcanado, pode-mos escrever:

Onde:

DG a variao da energia livre,

DGo a variao da energia livre padro,

R a constante dos gases ideais

T a temperatura em Kelvin

Q razo entre a concentrao molar de produtos sobre reagentes.

n a quantidade de matria de eltrons transferidos,

F a constante de Faraday e

E a fem da clula.

Isso se reordena para fornecer a equao de Nernst:

A equao de Nernst pode ser simplificada coletando todas as constantes juntas usando uma temperatura de 298 K:

5

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

(Observe a mudana do logaritmo natural para o log na base 10.)

Lembre-se que n quantidade de matria de eltrons.

3.3 - Pilhas de Concentrao

Podemos usar a equao de Nernst para produzir uma clula que tem uma fem baseada apenas na diferena de concentrao.

Na Figura 8 tem-se um exemplo de pilha de concentrao envolvendo solues de Ni2+(aq) em diferentes concentraes. Um compartimento consistir de uma soluo concentrada, en-quanto o outro tem uma soluo diluda.

Ni2+ (aq) 1,00 mol/L e Ni2+ (aq) 1,00 10-3 mol/L.

A clula tende a igualar as concentraes do Ni2+(aq) em cada compartimento.

A soluo concentrada tem que reduzir a quantidade de Ni2+(aq) para Ni(s), logo, deve ser o catodo.

Figura 8 - Pilha de concentrao baseada na reao de clula do Ni2+-Ni. Em (a) as concentraes Ni2+(aq) nos dois compartimentos so diferentes, e a pilha gera uma corrente eltrica. A pilha funciona at que as concentraes de Ni2+(aq) nos dois compartimentos tornam-se iguais, (b) O ponto no qual a

pilha atinge o equilbrio est descarregada (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

6

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

3.4 A Fora Eletromotriz da Clula e Equilbrio Qumico

Um sistema est em equilbrio quando DG = 0.

A partir da equao de Nernst, no equilbrio e a 298 K (E = 0 V e Q = Keq):

Sendo que Keq corresponde a constante de equilbrio, ou seja, a razo entre as concentra-es molares dos produtos pelos reagentes no equilbrio.

3.5 - Baterias ou Pilhas

Uma bateria um recipiente contendo uma fonte de fora eletroqumica com uma ou mais clulas voltaicas. Quando as clulas so conectadas em srie, maiores fems podem ser alcana-das, conforme o exemplo da Figura 9:

Figura 9 - Quando as pilhas so conectadas em srie, como na maioria das lanternas, a fem total a soma das fems individuais (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

7

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

3.5.1 - Bateria de chumbo e cidoUma bateria de carro de 12 V consiste de 6 pares de catodo/anodo, cada um produzindo

2 V. So colocados espaadores de madeira ou fibra de vidro para evitar que os eletrodos se toquem, de acordo com o esquema da Figura 10.

Catodo: PbO2 em uma grade de metal em cido sulfrico.Anodo: Pb Em termos de semi-reaes e reao global: Catodo: PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)

Anodo: Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2e-

______________________________________________________________________________

Reao Global: PbO2(s) + Pb(s) + 2SO42-(aq) + 4H+(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)

O potencial-padro da pilha pode ser obtido a partir dos potenciais-padro de redu-o listados na Tabela 1.

Eocel = Eo

red(catodo) - Eored(anodo)

= (+1,685 V) - (-0,356 V)= +2,041 V.

Figura 10 - Desenho esquemtico mostrando o corte de uma parte de bateria automotiva de chumbo e cido de 12 V. Cada par anodo/catodo de eletrodos produz um potencial de 2 V. Seis pares de

eletrodos esto conectados em srie, produzindo a voltagem necessria da bateria (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

8

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

3.5.2 - Pilhas Alcalinas

A pilha primria (no-recarregvel) mais comum a alcalina, com uma produo anual de mais de 1010 pilhas. Nesta pilha, representada na Figura 11, temos:

Anodo: tampa de Zn (zinco metlico em p imobilizado em gel) em contato com soluo de KOH (o motivo do nome alcalina).

Catodo: pasta de MnO2, KOH e um basto de grafite no centro (Carbono) separados do anodo por um tecido poroso.

Em termos de semi-reaes e reao global:

Anodo: Zn(s) + 2OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e-

Catodo: 2MnO2(s) + 2H2O(l) + 2e- 2MnO(OH)(s) + 2OH-(aq)

__________________________________________________________________

Reao Global: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2H2O(l) Zn(OH)2(s) + 2MnO(OH)(s)

Figura 11 - Esquema onde pode ser observado corte de uma bateria alcalina em miniatura (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

3.5.3 - Clulas de Combustvel

A energia trmica gerada pela queima de combustveis pode ser utilizada para converter gua em vapor, o qual aciona uma turbina e por sua vez, um gerador. Em geral, apenas 40%

9

tema fichasumrioU

nesp/Redefor M

dulo IV D

isciplina 07 Tema 3

de energia a partir da combusto convertida em eletricidade, e o restante perdido na forma de calor. A produo direta de eletricidade a partir de combustveis de uma clula voltaica poderia, a princpio, produzir maior taxa de converso da energia qumica da reao. Esta a chama clula de combustvel. As clulas de combustvel no so consideradas baterias porque elas no so sistemas completos. O mais promissor sistema de clulas de combustvel envolve a reao entre H2(g) e O2(g) para formar H2O(l) como produto nico. Por este motivo, nos vos lua da Apollo a clula de combustvel H2-O2 era a fonte primria de eletricidade.

Catodo: reduo de oxignio:

2H2O(l) + O2(g) + 4e- 4OH-(aq)

Anodo:

2H2(g) + 4OH-(aq) 4H2O(l) + 4e-

____________________________________

Reao Global: 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)

As clulas de combustvel eram consideradas inviveis pelo fato de necessitar altas tempe-raturas de operao, para que a reao na pilha procedesse a uma velocidade aprecivel. No entanto, com o desenvolvimento de membranas semipermeveis e catalisadores que permitem que clulas do tipo H2-O2 operem a temperaturas abaixo de 100 C, tem possibilitado sua aplicao.

10

tema fichasumrio

Ficha da Disciplina:

Energia Eltrica e Reaes Qumicas

Mauricio Cesar Palmieri

Ana Maria Pires

Silvania Lanfredi

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4797289E7http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4797289E7http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4728715E1http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4721813D0

11

tema fichasumrio

Estrutura da DisciplinaSemana Temas

13/jun a 19/jun1. Reaes de Oxirreduo

(REDOX)

20/jun a 26/jun2. Clulas Galvnicas

(Pilhas e Baterias)

27/jun a 3/jul3. Espontaneidade de Reaes

REDOX

4/jul a 10/jul 4. Eletrlise

11/jul a 17/jul 5. Eletrometalurgia

Pr-Reitora de Ps-graduaoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraAna Maria Martins da Costa Santos

Coordenadora Pedaggica

Cludio Jos de Frana e SilvaRogrio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte: Rejane Galvo Coutinho (IA/Unesp)

Filosofia: Lcio Loureno Prado (FFC/Marlia)Geografia: Raul Borges Guimares (FCT/Presidente Prudente)

Antnio Cezar Leal (FCT/Presidente Prudente) - sub-coordenador Ingls: Mariangela Braga Norte (FFC/Marlia)

Qumica: Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Tcnica - Sistema de Controle AcadmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

Secretaria/AdministraoMrcio Antnio Teixeira de Carvalho

NEaD Ncleo de Educao a Distncia(equipe Redefor)

Klaus Schlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andr Lus Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Cssio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produo, veiculao e Gesto de materialElisandra Andr Maranhe

Joo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

Marcador 1Vdeo da Semana3 - Espontaneidade de Reaes Redox3.1 - Fora Eletromotriz (fem) e Variao de Energia Livre3.2 - Efeito da Concentrao na fem da Pilha3.3 - Pilhas de Concentrao3.4 A Fora Eletromotriz da Clula e Equilbrio Qumico3.5 - Baterias ou Pilhas3.5.1 - Bateria de chumbo e cido3.5.2 - Pilhas Alcalinas3.5.3 - Clulas de Combustvel

Boto 2: Boto 3: Boto 6: Boto 7: Boto 38: Pgina 3: Off

Boto 39: Pgina 3: Off

Boto 40: Pgina 4: OffPgina 5: Pgina 6: Pgina 7: Pgina 8: Pgina 9: Pgina 10: Pgina 11:

Boto 41: Pgina 4: OffPgina 5: Pgina 6: Pgina 7: Pgina 8: Pgina 9: Pgina 10: Pgina 11:

Boto 65: Pgina 12: OffPgina 13:

Boto 66: Pgina 12: OffPgina 13:

Boto 4: