Células Voltaicas e Pontes Salinas

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Células voltaicas
2ª SÉRIE
Aula 7 – 3º Bimestre
Química
Etapa Ensino Médio
Células voltaicas: visão molecular; 
Ponte salina; 
Oxidação do ferro.
Interpretar modelos explicativos, dados e/ou resultados; 
Analisar a utilização da ponte salina;
Avaliar o processo de enferrujamento e técnicas utilizadas para impedir ou desacelerar sua ocorrência.
Conteúdo
Objetivos
(EM13CNT107) Realizar previsões qualitativas e quantitativas sobre o funcionamento de geradores, motores elétricos e seus componentes, bobinas, transformadores, pilhas, baterias e dispositivos eletrônicos, com base na análise dos processos de transformação e condução de energia envolvidos – com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais –, para propor ações que visem à sustentabilidade. 
(EM13CNT308) Investigar e analisar o funcionamento de equipamentos elétricos e/ou eletrônicos e sistemas de automação para compreender as tecnologias contemporâneas e avaliar seus impactos sociais, culturais e ambientais. 
Nas aulas anteriores, você estudou o funcionamento de uma célula voltaica, porém, agora, vamos investigar a funcionalidade de uma ponte salina e, ainda, estudar sobre a oxidação do ferro.
Para começar
Você já parou para pensar o que ocorreria com essa pilha sem a ponte salina? 
Pense por alguns instantes, registre suas respostas e:
Qual é a relação entre o enferrujamento do ferro e uma célula voltaica?
Para começar
https://www.preparaenem.com/quimica/equacao-global-uma-pilha.htm
https://pixabay.com/pt/vectors/conversa%C3%A7%C3%A3o-conversa-falar-7726087/
A energia liberada em uma reação espontânea de oxirredução é utilizada para realizar trabalho elétrico;
A transferência de elétrons ocorre por meio de um circuito externo às células voltaicas ou galvânicas;
No ânodo, os elétrons são produzidos (oxidação);  
No cátodo, os elétrons são consumidos (redução);
O fluxo de elétrons ocorre do ânodo para o cátodo e requer um condutor externo.
Retomando alguns conceitos
Foco no conteúdo
A ponte salina tem a função de corrigir o desequilíbrio de carga criado pela liberação de cátions na parte onde ocorre a oxidação, resultando em uma carga líquida positiva, e na outra parte a retirada de cátions, resultando em uma carga líquida negativa. Seu eletrólito não afeta a célula eletroquímica.
Células com pontes salinas
Foco no conteúdo
Por exemplo, considere uma pilha formada por um eletrodo de cobre metálico e outro de zinco, ambos mergulhados em uma solução de sulfato de cobre e sulfato de zinco, respectivamente.
Células com pontes salinas
Foco no conteúdo
https://www.preparaenem.com/quimica/equacao-global-uma-pilha.htm
A oxidação da placa de zinco levará à diminuição da sua massa e ao consequente aumento da concentração de íons de zinco na solução. Em contrapartida, a placa de cobre aumentará sua massa pela redução dos íons cobre II, cuja concentração diminui com o funcionamento da pilha.
Porém, se a montagem fosse realizada sem a ponte salina, ambas as soluções perderiam sua neutralidade e o desequilíbrio de cargas impediria a pilha de funcionar. 
Foco no conteúdo
https://www.preparaenem.com/quimica/equacao-global-uma-pilha.htm
Esse problema é solucionado por meio da utilização da ponte salina. Normalmente, ela é constituída por um tubo em U invertido, ou uma parede porosa, que contém um gel embebido em uma solução de nitrato de sódio (NaNO3), nitrato de potássio (KNO₃) ou um eletrólito inerte. As extremidades da ponte
Células com pontes salinas
salina são cobertas por um material poroso, que permite a difusão dos íons e minimiza a mistura da solução de seu interior com a solução fora da ponte.
Essa migração dos íons contrabalança o excesso de cargas elétricas, mantendo a eletroneutralidade da célula elétrica.
Foco no conteúdo
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf
(UniMontes – 2017) A célula de Daniel consiste de eletrodos de zinco e cobre imersos em soluções de cloreto de zinco e cloreto de cobre II, respectivamente, como mostrado na figura ao lado.
É CORRETO afirmar que a ponte salina  
permite a migração dos íons da solução de zinco para a solução de cobre.
impede a migração dos íons Cl– para o eletrodo de Zn e para o eletrodo de Cu.
é necessária quando os dois eletrodos compartilham um eletrólito comum.
é essencial para evitar que ambas as soluções percam sua neutralidade elétrica.
Na prática
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf
http://vestibular3.pucsp.br/2014/PUCSP_2014.pdf
(UniMontes – 2017) A célula de Daniel consiste de eletrodos de zinco e cobre imersos em soluções de cloreto de zinco e cloreto de cobre II, respectivamente, como mostrado na figura ao lado.
É CORRETO afirmar que a ponte salina  
permite a migração dos íons da solução de zinco para a solução de cobre.
impede a migração dos íons Cl– para o eletrodo de Zn e para o eletrodo de Cu.
é necessária quando os dois eletrodos compartilham um eletrólito comum.
é essencial para evitar que ambas as soluções percam sua neutralidade elétrica.
Correção
Na prática
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf
http://vestibular3.pucsp.br/2014/PUCSP_2014.pdf
Considere a reação espontânea entre o Zn(s) e o Cu2+(aq).
Durante esse processo, o Zn(s) é oxidado a Zn2+(aq) e o Cu2+(aq) é reduzido a Cu(s).
Em nível atômico, o íon de Cu2+(aq) entra em contato com o átomo de Zn(s) na superfície do eletrodo.
Dois elétrons são transferidos do Zn(s) (formando Zn2+(aq)) para o Cu2+(aq) (formando Cu(s)). 
Visão molecular dos processos do eletrodo
Foco no conteúdo
Visão molecular 
Visão atômica dos processos do eletrodo
Foco no conteúdo
   https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf 
p. 19
Visão atômica
Foco no conteúdo
   https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf 
p. 20
Ao analisarmos os potenciais padrão de redução do ferro e oxigênio, observamos que o ferro pode ser oxidado pelo oxigênio, pois seu potencial de redução é menor. 
          Fe2+(aq) + 2e–            → Fe(s)      E0red = –0,44
          O2(g) + 4 H+(aq) + 4e– → 2 H2O   E0red = +1,23
                           E0red (Fe2+) < E0red (O2)
Assim, temos:
Cátodo: O2(g) + 4 H+(aq) + 4e– → 2 H2O(l)
Ânodo: Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e–
Qual é a relação entre a corrosão (ferrugem) do ferro e uma célula voltaica?
Foco no conteúdo
O oxigênio dissolvido na água normalmente provoca a oxidação de ferro.
Prevenindo a corrosão do ferro: a corrosão pode ser impedida pelo revestimento do ferro com tinta ou um outro metal. O ferro galvanizado é revestido com uma fina camada de zinco.
Ferro protegido pelo zinco
O produto da oxidação do ferro, o Fe2+, pode sofrer nova oxidação, a Fe3+, que forma a ferrugem, Fe2O3 · xH2O(s).    
Foco no conteúdo
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/7111849/mod_resource/content/1/Eletroqu%C3%ADmica%20-%20Parte%20II%20%20-%20%20Modo%20de%20Compatibilidade.pdf
(ENEM – 2016) Utensílios de uso cotidiano e ferramentas que contêm ferro em sua liga metálica tendem a sofrer processo corrosivo e enferrujar. A corrosão é um processo eletroquímico e, no caso do ferro, ocorre a precipitação do óxido de ferro(III) hidratado, substância marrom pouco solúvel, conhecida como ferrugem. Esse processo corrosivo é, de maneira geral, representado pela equação química: 
                   4 Fe(s) + 3 O2(g) + 2 H2O(l) → 2 Fe2O3 · H2O(s)
(Ferrugem)
Na prática
renovar sua superfície, polindo-a semanalmente.
evitar o contato do utensílio com o calor, isolando-o termicamente.
impermeabilizar a superfície, isolando-a de seu contato com o ar úmido.
esterilizar frequentemente os utensílios, impedindo a proliferação de bactérias.
guardar os utensílios em embalagens, isolando-os do contato com outros objetos.
Uma forma de impedir o processo corrosivonesses utensílios é:
Na prática
renovar sua superfície, polindo-a semanalmente.
evitar o contato do utensílio com o calor, isolando-o termicamente.
impermeabilizar a superfície, isolando-a de seu contato com o ar úmido.
esterilizar frequentemente os utensílios, impedindo a proliferação de bactérias.
guardar os utensílios em embalagens, isolando-os do contato com outros objetos.
Uma forma de impedir o processo corrosivo nesses utensílios é:
Correção
Uma das formas de evitar o processo corrosivo é impedir que sua superfície entre em contato com o ar, que, naturalmente, tem umidade. Assim, a impermeabilização da superfície evitará o contato com o par O2/H2O, impedindo ou desacelerando a reação com o ferro.
Na prática
Utilizando o conhecimento construído nesta aula, em grupos, investiguem a utilização e aplicação de uma técnica conhecida como “metal de sacrifício” ou “ânodo de sacrifício”. 
De forma geral, essa técnica conecta o metal a ser protegido a um “metal de sacrifício”, que seja mais facilmente corrosível, em virtude de seu potencial de oxidação maior, para atuar como o ânodo. O metal de sacrifício é oxidado no lugar do metal a ser protegido.
Durante a pesquisa, criem pares dos materiais que costumam ser protegidos e seus respectivos metais de sacrifício, e registrem suas características e potenciais padrão de oxidação. Em seguida, analisem essa relação e verifiquem se a aplicação da técnica do metal de sacrifício é eficaz para proteger o metal desejado, bem como sua durabilidade. Ao final, apresentem as descobertas aos demais grupos.
Regra de pareamento  
Aplicando
Interpretamos modelos e dados relacionados às células voltaicas e aos processos de oxidação-redução; 
Analisamos a funcionalidade de uma ponte salina; 
Avaliamos o processo de enferrujamento e técnicas utilizadas para impedir ou desacelerar sua ocorrência.
O que aprendemos hoje?
Tarefa SP
Localizador: 98294
Professor, para visualizar a tarefa da aula, acesse com seu login: tarefas.cmsp.educacao.sp.gov.br
Clique em “Atividades” e, em seguida, em “Modelos”.
Em “Buscar por”, selecione a opção “Localizador”.
Copie o localizador acima e cole no campo de busca.
Clique em “Procurar”. 
Videotutorial: http://tarefasp.educacao.sp.gov.br/
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LEMOV, Doug. Aula nota 10 3.0: 63 técnicas para melhorar a gestão da sala de aula. Porto Alegre: Penso, 2023. 
SÃO PAULO (Estado). Currículo em Ação: Caderno do Professor – Química – Ensino Médio – 2ª série – Volume 3 – 3º Bimestre. São Paulo: Seduc-SP. Disponível em: https://efape.educacao.sp.gov.br/curriculopaulista/wp-content/uploads/2022/07/2serie-3Bim-Prof-CNT.pdf. Acesso em: 8 maio 2023.
Unesp/FEIS. Química – A Ciência Central – 9ª Edição – Eletroquímica. Disponível em: https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf. Acesso em: 20 jun. 2023. 
USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Conecte Química geral. 2. ed. São Paulo: Saraiva, 2014. vol. 2.
Referências
Lista de imagens e vídeos
Slide 4 –https://pixabay.com/pt/vectors/conversa%c3%a7%c3%a3o-conversa-falar-7726087.
Slide 4, 7 e 8 – Produzido para o material.
Slides 9, 13, 14 e 16 –https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/fisicaequimica/relacaodedocentes973/eletroquimica.pdf.
Referências
Material 
Digital