Slides Fisico Quimica=Eletroquimica

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Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Fsico-Qumica C1 Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Fsico-Qumica C Contedo programtico. Fundamentos de Termodinmica Eletroqumica: Solues Eletrolticas Eletrlise e Migrao Inica Condutividade Eletroltica Clulas eletroqumicas Fundamentos de Cintica Eletroqumica: Cintica de Processos eletrdicos Tcnicas Eletroqumica : Potenciometria Coulometria, Eletrogravimetria e Amperometria Tcnicas Voltamtricas ......... Corroso: Baterias e Eletrolise (Galvanoplastia): Fsico-Qumica C Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano OBJETIVO -Conhecer e compreender os princpios e fundamentos da Termodinmica eletroqumica e de cintica eletroqumica; -Aplicar os conhecimentos da Termodinmica eletroqumica e de cintica eletroqumica para compreender os princpios de algumas tcnicas eletroqumicas; -Identificar e compreender processos de corroso metlica; - Conhecer alguns processos de converso eletroqumica de energia e de eletrodeposio de metais. Fsico-Qumica C Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Bibliografia: - G. Castellan, Fundamentos de Fsico-Qumica, 1 Ed. (reimpresso), Rio de Janeiro, LTC, 1996. - ATKINS, P. W.; PAULA, J. de, Fsico-Qumica, 8. ed.,Vol. 1, Rio de Janeiro, LTC, 2008 - EDSON ANTONIO TICIANELLI, ERNESTO RAFAEL GONZALEZ, Eletroqumica: Princpios e Aplicaes, So Paulo, EDUSP, 2005. - M.A. Brett, Electroquimica: Principios, Metodos e Aplicaes, So Paulo, ALMEDINA, 2000. - GENTIL, Vicente. Corroso. 4a edio, Rio de Janeiro, LTC, 2003 - SKOOG, D.A.; HOLLER, F.J.; NIEMAN, T.A. : Princpios de Anlise Instrumental. 5e. Bookman, 2002. Fsico-Qumica C Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Avaliao: - Prova com consulta (somente o caderno do aluno) - Pi - Atividades em sala de aula - Ei - Preparao de monografia sobre tcnicas eletroqumicas (APS) - APS - Apresentao de Seminrio sobre tcnicas eletroqumicas - S Datas Previstas - P1 = 12/04 - P2 = 05/07 - P3 = ? (Sub) Avaliao Nota Final (NF) NF = (P1*3,5 + P2*3,5 + S*1,0 + APS*1,0 + E1*0,5+E2*0,5)/10,0 Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Objetivo fundamental da eletroqumica: o estudo de sistemas capazes de entregar trabalho til eltrico a partir de reao de oxirreduo (clulas Galvnicas) ou de sistemas nos quais ocorrem processos de oxirreduo ao receber trabalho til eltrico (Eletrlise). Sistema Eletroqumico. Eletrodo Condutor eletrnico Soluo Eletroltica Ponto salina Transporte de ons Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia Eletroqumica Fsico-Qumica Termodinmica e Cintica Matemtica e Fsica Sem matemtica as cincias no podem ser compreendidas, nem feita claramente; nem ensinada, nem aprendida. Roger Bacon, 1214 - 1292 Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia eletroqumica As origens: Galvani em 1786 : observou que uma perna de r movia-se quando a ela se aplicava uma diferena de potencial eltrico. Volta em 1796: a grande descoberta foi a pilha voltaica formada por chumbo e prata imersos em um eletrlito. Nicholson & Carlisle em 1800: faz a eletrlise da gua, envolvendo a liberao de hidrognio e oxignio. Faraday em 1835: surge com as leis de Faraday (atualmente lei de Faraday), que continuam sendo vlidas at hoje, visto sua restrita relao com a estrutura fundamental da matria. Faraday foi quem introduziu termos eletroqumicos como on, ction, nion, eletrodo, eletrlito etc., que so utilizados at hoje. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia eletroqumica As origens: Papel molhado com soluo de NaCl Pb Ag Fonte: Copel.com Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia eletroqumica A evoluo tecnolgica: Clula a combustvel de Grove (1839) Bateria de Laclanch (1866) 4H+(aq) + 4e 2H2(g) 2H20(l) 4e O2(g) + 4H+(aq) Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia Eletroqumica: Estudo do Eletrlito: Podem ser realizados em condies de equilbrio, ou seja, quando no circula corrente eltrica ( I = 0). conceitos termodinmicos dos eletrlitos; teorias de dissociao eletrolticas, das interaes on-on, on-dipolo etc., e dos equilbrios inicos em soluo. Em condies fora do equilbrio, quando circula corrente eltrica (I = 0). abordagem aos fenmenos de transporte de massa ou mais especificamente a difuso, conveco e migrao. a grosso modo, corresponde a descrio fenomenolgica resultante da aplicao da lei de Ohm sobre um condutor eltrico. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia Eletroqumica: Estudo da Interface Eletrodo/Soluo: Os fenmenos eletroqumicos que ocorrem na interface eletrodo/soluo (os estudos eletroqumicos se concentram frequentemente nos processos que ocorrem nesta zona.) Sob condies de equilbrio (I = 0): utilizar os conceitos da termodinmica eletroqumica para abordar os equilbrios das reaes e os equilbrios presentes nas interfaces (dupla camada eltrica). sob condies fora do equilbrio (I = 0): fenmeno de corroso e de eletrodeposio, por exemplo; estes estudos esto baseados nos conceitos de cintica eletroqumica; Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Cincia Eletroqumica: sob condies fora do equilbrio (I = 0): a passagem de corrente eltrica atravs de uma clula eletroqumica provoca um desequilbrio no sistema, que pode ser de forma simplificada caracterizado pelos seguintes fenmenos que se manifestam no interior do sistema: necessariamente ocorre um par de reaes nos eletrodos (transferncia de carga); verifica-se a movimentao de espcies na soluo eletroltica (conduo inica); surge o fenmeno de polarizao eletrdica (deslocamento dos potenciais dos eletrodos), que consequncia dos dois anteriores. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Conceitos de Termodinmica Eletroqumica: Tipos de clulas eletroqumicas. clula ou pilha galvnica: uma clula eletroqumica que produz eletricidade como resultado da reao que nela se passa. energia liberada em consequncia de uma reao espontnea. clula eletroltica: uma clula eletroqumica em que uma reao no-espontnea impelida por uma fonte externa de corrente. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Conceitos de Termodinmica Eletroqumica: Meias-reaes e eletrodos Oxidao: a remoo de eltrons de uma espcie; Reduo: a adio de eltrons em uma espcie; Agente redutor (ou Redutor): um doador de eltrons; Agente oxidante (ou Oxidante): um aceitador de eltrons; Reao redox ( ou de oxirreduo): uma reao em que h transferncia de eltrons de uma espcie qumica para outra. A transferncia pode ser acompanhada por outros eventos, tal como a transferncia de tomos ou de ons, mas o efeito lquido a transferncia de eltrons e, por isso, a modificao do nmero de oxidao de um elemento. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Conceitos de Termodinmica Eletroqumica: Meia-reao: qualquer reao redox pode ser expressa como diferena entre duas meias-reaes de reduo, reaes idealizadas que mostram o ganho de eltrons. Ex: Cu+2(aq) + 2e Cu(s) Zn+2(aq) + 2e Zn(s) Cu+2(aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn+2(aq) Par redox: so as substncias oxidadas e reduzidas numa meia-reao. simbolizada por: Ox/Red. Ex: Cu+2/Cu e Zn+2/Zn Cu+2(aq) + 2e Cu(s) Meia-reao associada Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica 22Cu2eCu) s ( Cua1Qa . aaQ++= = Conceitos de Termodinmica Eletroqumica: Quociente reacional (Q): conveniente, em muitas circunstncias, exprimir a composio de um compartimento eletroltico na forma de um quociente reacional da meia-reao correspondente. Ex: 1 - Cu+2(aq) + 2e Cu(s) 2 - O2(g) + 4H+(aq) + 4e 2H2O(l) 2 2 22. ). / (1). / ( 4 4 42OH HOHOO Hp apa p fQa p faQ+ + +~= =* onde ai atividade da espcie i. 1 1 1, pois a gua o solvente Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Conceitos de Termodinmica Eletroqumica: Reaes nos Eletrodos: nas clulas eletroqumicas, os processos de reduo e oxidao, responsveis pela reao global, ocorrem especialmente separados. vamos ver isto na pilha de Daniell; onde ocorre uma reao espontnea. Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Pilha Galvnica - pilha de Daniell CuSO4 (aq) metal Cu metal Zn Ponte salina ctodo (reduo) nodo(oxidao) Zn(s) Zn2+(aq) + 2e Cu2+(aq) + 2e Cu(s) ZnSO4 (aq) e e Polo - Polo + Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Fonte DC CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq) - + Cu(s) Cu+2(aq) + 2e Zn+2(aq) + 2e Zn(s) nodo(oxidao) ctodo (reduo) metal Zn metal Cu Ponte salina Clula Eletroltica Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Notao de Pilha: Ex: Pt|H2(g)|HCl(aq)|AgCl(s)|Ag(s) as interfaces so simbolizadas por barras: | a juno lquida simbolizada por: ponte salina (eliminao do potencial de juno): || Ex: Zn(s)|ZnSO4(aq)||CuSO4(aq)|Cu(s) Pt|H2(g)|HCl(aq,b1)||HCl(aq,b2)|H2(g)|Pt molalidade Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica Notao de Pilha: a reao da pilha corresponde a sua representao simblica. Zn(s)|ZnSO4(aq)||CuSO4(aq)|Cu(s) Esquerda Oxidao Direita Reduo Lembre-se de que uma pilha galvnica provm de uma reao espontnea as duas meias-reaes de reduo: direita: Cu+2(aq) + 2e Cu(s) esquerda: Zn+2(aq) + 2e Zn(s) Reao global da pilha: Cu+2(aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn+2(aq) - Fsico-Qumca C1 / DAQBI-UTFPR / Joo Batista Floriano Eletroqumica p , T , njjj inG=||.|

\|cc= Potencial Eletroqumico: para qualquer sistema qumico, a descrio do estado de equilbrio de cada componente pode ser feita atravs de uma grandeza denominada potencial qum