Artigo de analítica Oxirredução

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REAÇÃO DE OXI-REDUÇÃO COM A PILHA DE DANIELL: UMA PROPOSTA DE KIT PARA ALUNOS DO ENSINO MÉDIO
Flávia Cunha de Araújo, Matheus Alves do Rego, Reges Ferreira Ribeiro Júnior, Stella Aparecida Ramos dos Santos
Universidade Católica de Brasília (UCB), QS 07 – Lote 01 – EPCT – Águas Claras – Brasília – DF CEP: 71966-700
Resumo
As reações de oxirredução não são consideradas os conteúdos mais fáceis, devido sua pouca exploração no cotidiano dos alunos. Podemos observá-la na fotossíntese, na ferrugem e nas pilhas. Para obter uma proposta de ensino de reação de oxirredução a alunos do Ensino Médio. Tal pesquisa trouxe um método alternativo com pilhas, a pilha desenvolvida foi baseada no experimento da “Pilha de Daniell”. Houve a utilização de materiais de difícil acesso para os alunos, porém buscou-se materiais que os alunos do ensino médio possuem acesso livremente, devido serem de uso cotidiano. O resultado alcançado com o experimento vai de acordo com o que se vê na teoria, ou seja, houve a corrente elétrica entre o cobre e o zinco ao fazer a ligação pela ponte salina e quando não havia a ponte salina, não ocorria a corrente elétrica, a partir disso os alunos podem observar como acontecem as reações de oxirredução nas pilhas. 
Palavras-chave: Oxirredução; Ensino Médio, Pilhas.
 
Introdução
A química analítica é conhecida como a ciência que determina as medições em todos os campos da ciência e medicina. Existem inúmeros métodos para que essas medições sejam exatas e eficientes para análises que contribuam para as diversas áreas do conhecimento (1). 
Essas análises podem ser divididas em qualitativas e quantitativas (2). Uma caracteriza a identidade química das espécies, e a outra determina as quantidades dessas espécies, ou analítos das substâncias envolvidas nas amostras, respectivamente. 
Uma análise química quantitativa envolve várias etapas em seus métodos. Essas etapas auxiliam o analista a escolher o melhor método a ser utilizado, onde a exatidão, o tempo e o custo são itens primordiais para essas escolhas (1).
Atualmente é encontrada uma grande dificuldade em estudar esses métodos por parte dos alunos das escolas. No ensino médio construir relações desses procedimentos com o cotidiano dos alunos é uma tarefa complicada para os professores, pois os alunos criam uma barreira com disciplinas que não são explorada de maneira mais didática e relacionada ao seu cotidiano como acontece com a química analítica (3). 
	As principais reações de outras áreas da química e também da analítica, como as de ácido-base e complexação envolvem os íons das substâncias, porém seus números de oxidação não se alteram. Há, no entanto reações em que substâncias sofrem oxidações, ou seja, perda de seus elétrons (4). Nessas reações há trocas de elétrons entre os reagentes envolvidos, formam as substâncias que sofrem oxidação (perdem elétrons) e as redutoras (ganham elétrons). 
	Os processos de oxidação e redução acontecem ao mesmo tempo, já que os elétrons recebidos pela substância que reduz são cedidos pela substância que oxida. A análise dessas reações é feita através do somatório das reações de oxidação e redução (5). No exemplo a seguir usamos uma reação de oxirredução que ocorre nas pilhas voltaicas de Volta:
Zn(s) + 2Ag+(aq) → Zn2+(aq) + 2Ag(s)
	Para analisar se essas reações são espontâneas ou não, calculamos o potencial padrão da reação através do potencial-padrão de redução da espécie que está sendo reduzida menos o potencial-padrão de redução da espécie que está sendo oxidada (E° red – E°oxi). Se o potencial padrão elétrico da reação global (E°) for positivo significa que a reação ocorrerá espontaneamente (5). 
	As reações de redox são uns dos temas mais complexos de se ensinar para os alunos de Ensino Médio segundo os professores (6), eles alegam que a compreensão dos conceitos e posteriormente a identificação das substâncias redutoras e oxidantes são encaradas com muita dificuldade entre os alunos.
	Uma alternativa para que os alunos criem problemas reais e busquem saídas para solucioná-los é a experimentação que entra com o papel de fazer os estudantes investigarem a temática proposta, o que pode ajudá-los a assimilar melhor algumas definições (7). A conversão de energia química em energia elétrica pode ser explorada nessa área das reações de oxirredução. As pilhas são os exemplos mais usados nos livros didáticos para exemplificar esse fenômeno. Elas podem vim exemplificadas como as pilhas de Daniell, que são feitas com materiais laboratoriais ou com as pilhas de batata ou limão que são menos clássicas, porém mais inseridas no dia-a-dia dos alunos (8). 
	As pilhas de Daniell foram as primeiras a manter a corrente elétrica em um tempo razoavelmente longo. Elas eram contidas uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4) imersa em um recipiente de vidro contendo solução de sulfato de cobre (CuSO4) onde uma lâmina de zinco é mergulhada na solução do seu sal correspondente, o mesmo é feito com uma lâmina de cobre (9). 
Figura 2: Reprodução da Pilha de Daniell. Atkins, P. Princípios de Química: Questionando a vida moderna, 
	Pensando nisso, o objetivo deste trabalho é montar um kit analítico qualitativo que os estudantes do Ensino Médio possam montar, uma pilha de Daniell, com materiais de Cobre e Zinco (soluções de CuSO4 e ZnSO4 e suas placas metálicas), e mostrar como funcionam as pilhas alternativas de batata. O kit elaborado recebeu o nome de PILHAVOLTZ (Imagens do kit em anexo). 
O experimento “Pilha de Daniell”: materiais, reagentes e procedimentos 
Foram utilizados os seguintes materiais: 2 béqueres de 50 mL ou 100 mL; 1 Multímetro (ou voltímetro); um pedaço de papel filtro; papel toalha; chumaço de palha de aço; placa de petri; pedaço de papel filme ( cerca de 10 x 15 cm); tiras de zinco; tiras de cobre; algodão, tubo de silicone.
As soluções utilizadas foram: solução de sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) 25 g/L; solução de sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) 0,025 g/L; solução de sulfato de Zinco (ZnSO4.5H2O) 25 g/L ; solução de sulfato de Zinco (ZnSO4.5H2O) 0,025 g/L; solução saturada de sal de cozinha ou cloreto de sódio (NaCl).
Preparação da Pilha de Daniell ocorreu do seguinte modo: Inicialmente limparam-se bem as placas de cobre e zinco com palha de aço, lavou-se com água destilada e secou-se com papel toalha. Colocou-se 20 mL da solução de sulfato de cobre em um béquer; em outro béquer 20 mL da solução de sulfato de zinco. Introduziu-se o eletrodo de zinco (Tira de zinco) no béquer contendo a solução de sulfato de zinco; no béquer contendo a solução de sulfato de cobre introduziu-se o eletrodo de cobre (Tira de cobre). Conecte ao eletrodo de zinco ao polo negativo do voltímetro e o eletrodo de cobre ao polo positivo. Para formar a ponte salina dobre o papel de filtro de maneira a obter uma tira de cerca de 1 x 15 cm; molhe-o com a solução saturada de cloreto de sódio e mergulhe suas extremidades em cada uma das semi células; pode-se fazer ainda uma ponte salina utilizando um tubo de silicone contendo a solução saturada de cloreto de sódio e nas duas extremidades dos tubo colocou-se algodões umedecido também na solução de cloreto de sódio, cada uma das extremidades foi mergulhada nas semi células. Observou-se a voltagem lida no voltímetro sem a ponte salina e em seguida com a ponte salina. 
Figura 1: Foto da pilha de Daniell com solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) 25 g/L; sem ponte salina. Não é observado corrente elétrica.
Figura 2: Foto da pilha de Daniell com solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) 25 g/L; com ponte salina. É observado corrente elétrica.
Figura 3: Foto da pilha de Daniell com solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) 0,025 g/L; sem ponte salina. Não é observado corrente elétrica.
Figura 4: Foto da pilha de Daniell com solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) 0,025 g/L; com ponte salina. É observada corrente elétrica.
Uma pilhaalternativa também pode ser produzida utilizando frutas/legumes.
O experimento “Pilha de frutas/legumes”: materiais, reagentes e procedimentos 
 Foram utilizados os seguintes materiais: tiras de cobre, zinco; 1 voltímetro (ou multímetro); 1 batata mas pode ser realizado com diversas frutas ou legumes de consistência firme: maçã, batata, mandioca, limão etc. 
Para preparar a pilha de frutas/legumes primeiramente é preciso limpar bem os eletrodos metálicos de zinco e cobre com palha de aço, lave com água destilada e seque-os com papel toalha; higienizou-se a fruta/legume; inseriu-se na fruta/legume uma tira de zinco e outra de cobre, uma paralela a outra, cerca de 1 cm da outra; conectou-se os eletrodos, presos a terminais tipo jacaré, ao voltímetro. Observou-se a voltagem lida no voltímetro. 
É possível aumentar a voltagem de ambas as pilhas tanto a pilha de Daniell quanto a pilha de frutas/legumes construindo uma série de semi células. 
Figura 5: Foto da pilha de frutas/legumes. É possível ver que a corrente elétrica.
Resultados e Discussão
Baseando-se na tabela de potenciais de redução, para identificar o ânodo e o cátodo, concluiu que o zinco (Zn) é o ânodo e o cobre (Cu) é o cátodo(1).
No experimento observou-se que o ânodo é o polo negativo, onde ocorre a oxidação por meio do eletrodo, pois o zinco é o redutor do cobre, ou seja, ele faz doação de dois elétrons ao cobre.
O cátodo é o pólo positivo da célula galvânica, onde ocorre a redução, pois o cobre reduz a si mesmo, ou seja, para receber os dois elétrons do zinco, já que ele tem um potencial maior que a do zinco.
O sentido da reação é do ânodo, onde ocorre a oxidação do zinco para cátodo, onde ocorre a redução do cobre. A ponte salina é a responsável por ligar as duas soluções, pra que ela aconteça. Os íons de sódio (Na+) deslocam-se para solução de sulfato de cobre (CuSO4.5H2O), isso se deve ao excesso de sulfato (SO4-) e a formação do cobre sólido. O mesmo ocorre na outra solução, com os íons de cloro (Cl-) deslocam-se para a solução de sulfato de zinco (ZnSO4.5H2O), porque o zinco sólido solta-se da placa e segui para a solução na forma de íon Zn2+. Sendo assim, essa solução é neutralizada ionicamente pelo deslocamento dos íons negativos de cloro (9).
Essa reação só acontece, porque os eletrodos de zinco e cobre têm diferentes potenciais. Essa diferença foi medida pelo voltímetro, pois ele é um potenciômetro. Tem diversas maneiras de determinar a diferença potencial de uma pilha, onde adotou-se a praticidade, a diferença entre o potencial maior e o menor.
Eo= Eomaior - Eomenor
No caso dos potenciais, eles são tabelados pela tabela de potenciais de redução (Ered), Os valores dos potenciais do zinco segundo a tabela é -0,76 V e do cobre é +0,34 V. Sendo assim, a diferença de potencial da pilha de zinco e cobre é(9):
Eo= EoCu - EoZn
Eo= (+0,34 V) - (-0,76 V)
Eo= 1,10 V
Esses valores podem variar na prática com os potenciais, um exemplo claro é o funcionamento da pilha, as concentrações de redução dos eletrodos envolvidos variam, por isso os potenciais iônicos dos eletrodos também variam. Sendo assim, o potencial de redução do eletrodo que sofre a redução vai diminuindo, enquanto o potencial de redução do eletrodo a qual sofre a oxidação vai aumentado (9).
No experimento da pilha de Daniell com solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) 25 g/L, foi feito a prática sem a ponte salina (figura 1) e observou-se que o voltímetro marcou 0 V, ou seja, não houve corrente elétrica, sabe-se que que a ponte salina é a responsável pela passagem de elétrons de uma solução à outra. Portanto o valor obtido era esperado, pois não teria transferência de elétrons para medir o potencial da pilha. Foi feito a prática desta vez com a ponte salina (figura 2) e observou-se que o voltímetro marcou 1,07 V, havendo corrente elétrica,.
Fizemos uma diluição de mil vezes da primeira solução de (CuSO4.5H2O) e (ZnSO4.5H2O) fincando 0,025 g/L,ou seja, as soluções ficaram fracas e não utilizou-se a ponte salina (figura 3). Mediu-se assim o potencial da pilha e resultado obtido foi de 0 V, portanto, não há corrente elétrica. Foi feita desta vez com a ponte salina (figura 4) e teve resultado satisfatório também, mediu-se 0,93 V, havendo corrente elétrica no experimento.
Portanto, esses quatros experimentos se encaixa ao padrão descrito pelas teorias, tanto da pilha com a solução forte-forte, quanto da pilha com a solução fraco-fraco.
Na pilha feita de batata foi conectado aos eletrodos, presos a terminais tipo jacaré, ao voltímetro. Observou-se a voltagem lida no voltímetro de 0,84 V (figura 5), comprovando que há corrente elétrica, porque a batata funciona como ponte salina para fazer transferência de elétrons entre os eletrodos. Portanto, essa prática teve resultado positivo. 
Com base no resultado obtido, podemos assim calcular o erro relativo em relação ao que se obtém na teoria.
Erro relativo é calculado da seguinte forma:
	E. R. =
	(Valor medido - Valor real)
	x 100 %
	
	Valor real
	
Calculando o erro relativo na pilha de Daniell com soluções de concentração 25 g/L, o valor medido é de 1,07 V e o valor real é de 1,1 V. O erro relativo calculado é o total de 2,72 %.
Calculando o erro relativo na pilha de Daniell com soluções de concentração 0,025 g/L, o valor medido é de 0,93 V e o valor real é de 1,1 V. O erro relativo calculado é o total de 15,45 %.
Considerações Finais
	Conclui-se com esta prática que o experimento obteve o resultado esperado. Com o experimento da pilha de Daniell podemos observar a energia que é passada entre os polos, sendo eles o cobre e o zinco. 
É observado também que é possível produzir energia de forma simples e rápida, como foi feita com o experimento com os legumes, na qual obteve sucesso ao produzir energia. 
Espera-se que o kit proposto acrescente e inove aulas de reações redox, para que o modo com que os alunos encaram esse conteúdo seja modificado. Dando uma nova cara ao ensino da química nas escolas
Referências Bibliográficas
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Vogel, A. Química Analítica Qualitativa. 5 ed. Mestre Jou, 1981
Sartori, E et al. Escurecimento e Limpeza de Objetos de Prata- Um Experimento Simples e Fácil de Execução Envolvendo Reações de Oxidação-Redução, Química Nova na Escola, 2008
Klein, S. Braibante, M. Reações de oxi-redução e suas diferentes abordagens. Quím. nova esc. – São Paulo-SP, BR, 2017.
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Hioka, N. et al. Pilhas de Cu/Mg construídas com materiais de fácil obtenção. QUÍMICA NOVA NA ESCOLA, 2000.
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Anexos
Kit – PILHAVOLTZ
Figura 6: Maleta (caixa) contendo o kit de PILHAVOLTZ.
Figura 7: Todos os materiais que contém no kit.
Figura 8: Mais detalhes sobre os materiais do ki (Multímetro, placa de Cu e placa de Zn, tubos de silicone, placa de petri, algodão e palha de aço).
Manual de instruções e ficha de segurança dos reagentes 
Este kit deve conter:
1 – Caixa PILHAVOLTZ;
1 – Placa de Petri; 
4 – Béqueres de 50 mL;
1 – Par de luvas para procedimento;
1 – Frasco Solução A-01;
1 – Frasco Solução A-02;
1 – Frasco Solução B-01;
1 – Frasco Solução B-02;
1 – Frasco Solução C;
1 – Frasco Água destilada;
2 – Tubo de silicone;
Algodão; 
Palha de aço;
1 – Placa de Zn;
1 – Placa de Cu;
1 – Multímetro;
1 – Frasco para descarte das soluções A;
1 – Frasco para descarte das soluções B;
Teste para Reações de redox (oxirredução):
A energia liberada em uma reação redox espontânea pode ser usada para realizar trabalho elétrico. Essa tarefa é efetuada por uma célula galvânica, dispositivo na qual a transferência de elétrons ocorre pelo caminho externo em vez de diretamente entre os reagentes. O kit PILHAVOLTZ tem por objetivo construir uma pilha galvânica (Pilha de Daniell) onde é possível observar essa reação, e medi-la utilizando um multímetro.
PILHA DE DANIELL 
Instruções:
	Primeiramente leia atentamente as fichas de segurança dos reagentes.
Para utilizar o kit de teste de oxirredução PILHAVOLTZ você deve:
Colocar as luvas de procedimento;
Com o auxílio da palha de aço, limpar bem as placas de Zn e Cu;
Lave as placas com água destilada em seguida secar com papel toalha;
Em um béquer adicionar 20 mL da solução A-01 (escreva o nome da solução no béquer);
Em um novo béquer adicionar 20 mL da solução B-01 (escreva o nome da solução no béquer);
Introduza o eletrodo de zinco (placa de zinco) no béquer contendo a solução de sulfato de zinco;
No béquer contendo a solução de sulfato de cobre introduziu-se o eletrodo de cobre (placa de cobre). 
Conecte ao eletrodo de zinco ao polo negativo (fio preto) do voltímetro;
Conecte ao eletrodo de cobre ao polo positivo (fio vermelho) do voltímetro;
Observe a voltagem lida no multímetro sem a ponte salina e em seguida com a ponte salina.
Para formar a ponte salina com um tubo de silicone contendo a solução C e nas duas extremidades do tubo coloque os algodões umedecidos também na solução C;
Cada uma das extremidades foi mergulhada em um dos béqueres. 
Repita o mesmo procedimento alterando a solução A-01 pela solução A-02, e a solução B-01 pela solução B-02. E compare os resultados.
Ao término do teste descarte as soluções em seus respectivos frascos. O que fazer com os frascos de descartes? Quando eles ficarem cheios, você pode levá-los com as fichas de segurança para o departamento de química de universidades ou laboratórios, para que o descarte possa ser feito de forma adequada. 
PILHA DE FRUTAS/LEGUMES
Uma pilha alternativa também pode ser produzida utilizando frutas/legumes.
Instruções:
Para preparar a pilha de frutas/legumes pode ser utilizada batata, limão entre outros. Primeiramente é necessário:
Limpe bem os eletrodos metálicos de zinco e cobre com palha de aço;
Lave com água destilada e seque-os com papel toalha; 
Higienize a fruta/legume;
Insira na fruta/legume uma tira de zinco e outra de cobre, uma paralela a outra, cerca de 1 cm da outra; 
Conecte ao eletrodo de zinco ao polo negativo (fio preto) do voltímetro;
Conecte ao eletrodo de cobre ao polo positivo (fio vermelho) do voltímetro;
Observe a voltagem lida no multímetro.
FICHA DE SEGURANÇA DOS REAGENTES
SOLUÇÃO A-01 e A-02
Solução A-01: sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) 25 g/L;
Solução A-02: sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) 0,025 g/L.
Identificação dos perigos:
Classificação da substância ou da mistura
Nos termos do Regulamento (CE) No1272/2008 - - - - Toxicidade aguda (Categoria 4).
- Irritação ocular (Categoria 2). 
- Irritação cutânea (Categoria 2).
- Toxicidade aguda para o ambiente aquático (Categoria 1). 
- Toxicidade crónica para o ambiente aquático (Categoria 1). 
- De acordo com a directiva Europeia 67/548/CEE, e emendas. 
- Nocivo por ingestão. 
- Irritante para os olhos e pele. 
- Muito tóxico para os organismos aquáticos, podendo causar efeitos nefastos em longo prazo no ambiente aquático.
Primeiros socorros:
Recomendação geral Consultar um médico. Mostrar esta ficha de segurança ao médico de serviço. 
- Se for inalado/respirado: levar a pessoa para o ar fresco. Se não respirar, dar respiração artificial. Consultar um médico. 
- No caso de contato com a pele: lavar com sabão e muita água. Transportar imediatamente paciente para um Hospital. Consultar um médico. 
- No caso de contato com os olhos: lavar cuidadosamente com muita água, durante pelo menos quinze minutos, e consultar o médico. 
- Se for engolido: nunca dar nada pela boca a uma pessoa inconsciente. Enxaguar a boca com água. Consultar um médico.
SOLUÇÃO B-01 e B-02
Solução B -01: sulfato de Zinco (ZnSO4.5H2O) 25 g/L;
Solução B -02: sulfato de Zinco (ZnSO4.5H2O) 0,025 g/L.
Identificação dos perigos:
Classificação da substância ou mistura
Classificação (REGULAMENTO (CE) N.o 1272/2008) Irritação ocular, Categoria 2, H319 
Toxicidade crónica para o ambiente aquático, Categoria 3, H412 
Para o pleno texto das DECLARAÇÕES H mencionadas nesta Secção, ver a Secção 16. 
Classificação (67/548/CEE ou 1999/45/CE) Perigoso para o ambiente R52/53.
Primeiros socorros:
- Inalação: remover para local ventilado. 
- Contato com a pele: lavar com água corrente. Retirar as roupas contaminadas.
 - Contato com os olhos: lavar com água corrente, por 15 min.. Consultar um oftalmologista. 
- Ingestão: beber bastante água. Chamar um médico, se necessário.
ÁGUA DESTILADA 
Essa substância não é classificada como perigosa. Classificação da substância: Produto não perigoso. 
Outros perigos: O produto não é inflamável, combustível, ou explosivo e não tem toxicidade oral e dérmica. É pobremente absorvido pela pele, não ocasionando problemas no contato.
Primeiros-socorros:
- Contato com a pele: Produto não perigoso. 
-Contato com os olhos: Não permitir que a vítima esfregue os olhos. Remover o excesso da substância dos olhos rapidamente e com cuidado. Retirar lentes de contato quando for o caso. Produto não perigoso. 
- Ingestão: Produto não perigoso. 
- Sintomas e efeitos mais importantes: Produto pode causar efeitos agudos, dependendo da via de exposição. 
- Notas para o médico: Produto pode causar efeitos agudos, dependendo da via de exposição.
SOLUÇÃO C 
Solução C: Solução saturada de cloreto de sódio (NaCl).
Identificação de perigos:
 Produto considerado não perigoso.
Primeiros-socorros 
- Inalação: Remover para local ventilado Contato com a pele: Lavar com água. 
- Contato com os olhos: Lavar com água corrente por 15 min.. 
- Ingestão: No caso de ingestão de grandes quantidades, se o acidentado estiver consciente, dar grandes quantidades de água para beber. INDUZIR VÔMITO. Procurar auxílio médico imediato.