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

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ficha sumrio tema

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

2 - Clulas Galvnicas (Pilhas e Baterias) .....................................2

2.1 - Potenciais-Padro de Reduo (Semiclula) ......................................6

Resumindo ............................................................................. 10

2.2 - Agentes Oxidantes e Redutores ......................................................10

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Vdeo da Semana

2 - Clulas Galvnicas (Pilhas e Baterias)Quando uma reao de oxirreduo ocorre espontaneamente, a energia liberada utilizada

para executar trabalho eltrico. As clulas voltaicas ou galvnicas so tipos de aparelhos ou dispositivos onde este trabalho eltrico produzido espontaneamente a partir da transferncia de eltrons atravs de um circuito externo.

Estas clulas receberam os nomes dos cientistas que estudaram e desenvolveram estes equi-pamentos, Luigi Galvani (1737-1798) e Alessandro Volta (1745-1827).

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Um exemplo de sistema onde ocorre reao de oxirreduo espontnea consiste na insero de uma fita de Zn em uma soluo de CuSO4. Neste caso, o Cu metlico depositado no Zn e o Zn metlico dissolve-se formando Zn2+, pois medida que ocorre a oxidao, o Zn convertido em Zn2+e 2e-. Os eltrons fluem no sentido do anodo para o ctodo onde eles so usados na reao de reduo. Espera-se, portanto, que o eletrodo de Zn perca massa e que o eletrodo de Cu ganhe massa.

A partir dos conceitos relacionados, algumas Regras para clulas voltaicas podem ser es-tabelecidas:

1. No anodo os eltrons so produtos (oxidao).

2. No catodo os eltrons so reagentes (reduo).

3. Os eltrons no podem ser conduzidos atravs da gua, originando a conhecida frase: Os eltrons no podem nadar, ou seja, sempre h um carregador de carga para a mobilidade ele-trnica, seja os ons em soluo, ou o fio metlico utilizado para transportar a corrente eltrica.

Considerando ento uma clula voltaica espontnea, os eltrons fluem do anodo para o ca-todo, conseqentemente, o anodo negativo e o catodo positivo. Os eltrons no conseguem fluir atravs da soluo, eles tm que ser transportados por um fio externo (Regra 3).

Figura 3 - Esquema bsico de uma clula voltaica (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

- +

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As clulas galvnicas (assim como todas as eletroqumicas) podem ser representadas de acordo com a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) atravs de um diagrama de clula como no esquema abaixo:

Zn|Zn2+||Cu2+|Cu

Onde na esquerda esto representadas as reaes de oxidao e na direita as reaes de re-duo. Cada barra horizontal representa uma interface de reao. Se as duas semi-clulas da clula galvnica forem unidas por um meio lquido essa juno representada por uma linha vertical pontilhada, se essa juno for realizada por uma ponte salina para separar as duas semi-clulas esta representada por dois traos verticais (||).

Na montagem de uma clula voltaica genrica, conforme observado no esquema da Fi-gura 3, os nions e os ctions movimentam-se atravs de uma barreira porosa ou ponte salina. Os ctions movimentam-se dentro do compartimento catdico para neutralizar o excesso de ons carregados negativamente.

Na Figura 4, tem-se um exemplo especfico de clula, onde no catodo de cobre ocorre a seguinte reao:

Catodo: Cu2+ + 2e- Cu, logo, o contra-on do Cu est em excesso.

J os nions movimentam-se dentro do compartimento andico para neutralizar o ex-cesso de ons de Zn2+ formados pela oxidao.

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Figura 4 Esquema representativo de uma clula galvnica de Zn e Cu (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

Vdeo sobre o funcionamento de uma clula Galvnica

Como pode ser observado na Figura 4, o fluxo de eltrons que ocorre do anodo para o catodo espontneo. Os eltrons fluem do anodo para o catodo porque o catodo tem uma energia potencial eltrica mais baixa do que o anodo.

A diferena de potencial neste caso a diferena no potencial eltrico e medida em volts. Por definio, um volt (V) a diferena potencial necessria para conceder um joule ( J) de energia para uma carga de um Coulomb (C):

- +

http://www.youtube.com/watch?v=nNG5PMlHSoA&feature=related - Celula galvanica%5d

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A partir destas definies, neste momento importante estabelecer o significado de Fora Eletromotriz ou Eletromotiva (fem).

Esta fora aquela necessria para impulsionar os eltrons atravs do circuito externo. Des-ta forma, o Potencial de clula (Ecel) a fem de uma clula.

Para solues com concentrao 1 mol/L a 25 C (condies padro), a fem padro (poten-cial padro da clula) denominada Eocel.

2.1 - Potenciais-Padro de Reduo (Semiclula)

A fem ou potencial da pilha de uma clula voltaica depende das chamadas semiclulas, ou seja, do catodo e do anodo envolvidos no processo. Se todas as combinaes possveis de cato-do/anodo fossem feitas, os potenciais-padro da clula poderiam ser tabelados. No entanto, mais conveniente que se atribua um potencial-padro para cada semiclula individual, o qual pode ser utilizado posteriormente para a determinao de Eocel.

Tecnicamente falando, o potencial da clula a diferena entre dois potenciais de eletrodos, um associado ao catodo e o outro ao anodo. O potencial associado a cada eletrodo escolhi-do como o potencial para a reduo que ocorre naquele eletrodo, meramente por conveno. Assim nas tabelas de potenciais-padro do eletrodo tm-se valores associados s reaes de reduo, e, portanto, so denominados de potencias-padro de reduo, Eored . A partir destas definies, podemos ento estabelecer que o potencial da clula, Eocel, obtido pela diferena entre o potencial-padro da reao no catodo, Eored (catodo) e o potencial-padro de reduo da reao no anodo, Eored (anodo):

Lembrando que toda clula voltaica composta por duas semiclulas, no se pode medir diretamente o potencial-padro de reduo de uma das semiclulas. Por outro lado, se utili-zarmos o artifcio de considerar uma semi-reao como sendo referncia, todos os potenciais--padro de reduo de outras semi-reaes podero ser estimados relativamente a esta semic-

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lula. Novamente por conveno, a semi-reao escolhida para atuar como referncia reduo de H+(aq) a H2(g) sob as condies padres. Neste caso, atribui-se que nestas especificaes o potencial-padro desta semi-reao de reduo exatamente 0 V.

2H+(aq, 1 mol/L) + 2e- H2(g, 1 atm) Eo

red = 0 V

O eletrodo o qual foi desenvolvido para produzir essa semi-reao o denominado ele-trodo-padro de hidrognio (EPH). Um esquema ilustrativo do eletrodo-padro de hidrognio est representado na figura 5. Basicamente ele possui um fio de platina conectado a uma lmina tambm de Pt recoberta com platina finamente dividida, o que aumenta sua rea superficial, e atua como uma superfcie inerte para que a reao ocorra mais eficientemente. Todo o eletrodo de platina fica confinado em um tubo de vidro de forma que o H2(g) a 1 atm (condies padres) seja borbulhado sobre a platina e a soluo esteja contendo H+(aq) tam-bm sob condies padres (1 mol/L).

Figura 5 - Desenho esquemtico de um eletrodo-padro de hidrognio (EPH), o qual utilizado como eletrodo de referncia. (a) Um EPH constitudo de um eletrodo de Pt em contato com H2(g) a 1 atm de

presso e soluo cida com [H+] = 1 mol/L. (b) Representao molecular dos processos que ocorrem no EPH (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

Quando EPH o catodo de uma clula, cada um dos dois ons H+ recebe um eltron do eletrodo de Pt e so reduzidos a tomos de H, os quais se ligam para formar H2. Quando o EPH o anodo de uma clula, ocorre o processo inverso: uma molcula de H2 na superfcie do eletrodo impede dois eltrons e oxidada a H+. Os ons H+ em soluo so hidratados.

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Assista um vdeo sobre o funcionamento de um eletrodo-padro de hidrognio em:

http://www.youtube.com/watch?v=mrOm6xZip6k

(Standard Reduction Potentials)

Como exemplo, podemos demonstrar como utilizado o EPH para a estimativa do po-tencial-padro de reduo de um eletrodo-padro de Zn2+/Zn, cujo esquema de montagem da clula voltaica correspondente est representado na Figura 6, ou seja, da reao que ocorre espontaneamente que a oxidao de Zn e reduo de H+.

Zn(s) + H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g).

Figura 6 - Clula voltaica para medida do potencial-padro de reduo do eletrodo de zinco utilizando um EPH (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

http://www.youtube.com/watch?v=mrOm6xZip6k

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Neste caso, o anodo eletrodo de Zn2+/Zn e o catodo o EPH, e a voltagem da clula me-dida de +0,76 V. Sabendo que:

Eocel = Eo

red(catodo) - Eo

red(anodo)

podemos substituir os valores:

0,76 V = 0 V - Eored(anodo)

Consequentemente,

Eored(anodo) = -0,76 V.

Desta forma, um potencial-padro de reduo de -0,76 V pode ser atribudo reduo de Zn2+ a Zn.

Zn2+(aq) + 2e- Zn(s), Eored = -0,76 V.

Uma vez que o Eored = -0,76 V, conclumos que a reduo do Zn2+

na presena do EPH no espontnea.

J a oxidao do Zn com o EPH espontnea.

Como o potencial eltrico mede a energia potencial por carga eltrica, os potenciais-padro de reduo so propriedades intensivas. Assim, a variao do coeficiente estequiomtrico no afeta o Eored. Portanto,

2 Zn2+ (aq) + 4e- 2Zn(s), Eored = -0,76 V.

Na Tabela 1 tem-se os potenciais-padro de reduo de uma srie de semi-reaes, todas em meio aquoso, medidos a 25 C.

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Tabela 1 Potenciais-padro de reduo em gua a 25 C (BROWN; LEMAY; BURSTEIN, 2005)

Resumindo

As reaes com Eored > 0 so redues espontneas em relao ao EPH.

As reaes com Eored < 0 so oxidaes espontneas em relao ao EPH.

Quanto maior a diferena entre os valores de Eored, maior o Eo

cel.

Em uma clula (espontnea) voltaica (galvnica) o Eored(catodo) mais positivo do que Eored(anodo).

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2.2 - Agentes Oxidantes e RedutoresA partir dos valores tabelados de potenciais-padro de reduo, Tabela 1, possvel estabelecer

uma srie de generalizaes, as quais auxiliam na interpretao de reaes em ambiente aquoso:

Quanto mais positivo o Eored, mais forte o agente oxidante esquerda.

Quanto mais negativo o Eored, mais forte o agente redutor direita.

Uma espcie na parte esquerda superior da tabela de potenciais-padro de reduo oxi-dar espontaneamente uma espcie que est na parte direita inferior da tabela.

Na Figura.7 est sistematizado este comportamento, chamando a ateno para os casos extre-mos e intermedirios que facilitam a classificao do comportamento dos eletrodos considerados.

Por exemplo, de acordo com o esquema, o F2 oxidar o H2 ou o Li; o Ni2+ oxidar o Al(s).

Figura 7 Os potenciais-padro de reduo, Eored, listados na Tabela 1, esto diretamente relacionados ao comportamento oxidante ou redutor de substncias. Assim, espcies do lado

esquerdo das semi-reaes podem atuar como agentes oxidantes, e as que esto direita, agentes redutores (PIRES; LANFREDI; PALMIERI, 2011).

Quanto mais positivo Eored, maior a fora oxidante das espcies a esquerda, e por outro lado, quanto mais negativo Eored, as espcies a direita tem sua fora redutora aumentada. Fonte:

ficha sumrio tema

Ficha da Disciplina:

Energia Eltrica e Reaes Qumicas

Mauricio Cesar Palmieri

Ana Maria Pires

Silvania Lanfredi

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do;jsessionid=F58DD709BC3EC433C0E67B27EE4D2C22.node4http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4728715E1http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?metodo=apresentar&id=K4721813D0

ficha sumrio tema

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 Semana2 - Clulas Galvnicas (Pilhas e Baterias)2.1 - Potenciais-Padro de Reduo (Semiclula)Resumindo, 2.2 - Agentes Oxidantes e RedutoresBoto 2: Boto 3: Boto 6: Boto 7: Boto 40: Pgina 3: OffBoto 41: Pgina 3: OffBoto 65: Pgina 4: OffPgina 5: Pgina 6: Pgina 7: Pgina 8: Pgina 9: Pgina 10: Pgina 11: Pgina 12: Pgina 13: Boto 66: Pgina 4: OffPgina 5: Pgina 6: Pgina 7: Pgina 8: Pgina 9: Pgina 10: Pgina 11: Pgina 12: Pgina 13: Boto 38: Pgina 14: OffPgina 15: Boto 39: Pgina 14: OffPgina 15: Boto 4: