Propriedades Termodinâmicas de uma Célula Galvânica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA FUNDAMENTAL LICENCIATURA EM QUÍMICA
Experimento 2 – Propriedades Termodinâmicas de uma Célula Galvânica
RECIFE, 2014
INTRODUÇÃO
Pilha é a transformação de energia química em energia elétrica, isto é, produz corrente elétrica. Eletrólise, por outro lado, é o inverso, a transformação de energia elétrica em energia química, ou seja, consome corrente elétrica.
Dentro de uma reação química, onde ocorre transferência de elétrons, há a espécie que sofre redução e a que sofre oxidação. Os elétrons são transferidos de quem sofreu oxidação para quem sofreu redução, gerando um fluxo espontâneo de elétrons. Para isso, é preciso conhecer quem poderia facilmente ganhar espontaneamente elétrons e quem poderia, também espontaneamente, perder, por isso é preciso conhecer o potencial de cada substância (E°), ou seja, a tendência de uma espécie química de perder ou ganhar elétrons.
	Ânodo
	Cátodo
	Oxidação
	Redução
	Aumento do Nox
	Diminuição do Nox
	Perda de Elétrons
	Ganho de Elétrons
Reação em uma pilha alcalina:
Zn(s) + MnO2(s) + H2O(l) → ZnO(s) + Mn(OH)2(s)	E° = 1,5V
O potencial de uma célula também pode ser relacionado com a energia livre, ou seja, quanto mais positivo o potencial, mais negativa será a energia livre da semi-reação, e quanto mais negativo o potencial, mais positiva será a energia livre da semi-reação. Essa relação pode ser melhor representada pela seguinte fórmula:
 
Onde,
n = número de mols transferidos na reação F = 96500 Cmol-1
E é a tensão medida em cada temperatura.
Neste relatório serão apresentados todos os procedimentos e cálculos necessários para a obtenção dos valores de ∆Gm, ∆Sm e ∆Hm, na temperatura ambiente, a partir do potencial elétrico de uma célula galvânica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais e Reagentes
Termômetro 0-100°C ( 0,02°C) 2 Beckers (500mL)
1 Becker (50mL)
1 Aquecedor
1 Voltímetro Gelo
Água Destilada
Procedimento Experimental
A célula galvânica para este experimento foi uma célula comercial. Uma bateria alcalina de 9,0
Essa bateria é uma associação em série de 6 pilhas de 1,5 V.
Foi colocado a bateria dentro de um banho de água que foi trabalhado para variar a temperatura de 3oC até 80oC. Na saída do saco plástico devem estar os fios que fazem contato com a pilha, de modo a conectá-los a um voltímetro digital.
Ajuste a temperatura para o valor desejado.
Aguarde até que o sistema atinja o equilíbrio térmico com o banho de água e meça a tensão da pilha.
Colete, repetindo o procedimento, cerca de 10 pontos no intervalo de temperatura mencionado acima, espaçados uniformemente um do outro, observando sempre que o equilíbrio térmico tenha sido reestabelecido.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Obtidos todos os dados, foram divididos os valores de potenciais medidos por seis e em seguida a seguinte tabela foi construída:
	Temperatura (K)
	E(V)
	303
	1,488333333
	323
	1,49
	343
	1,491666667
	353
	1,493333333
Tabela 1: Temperatura (K) e E (V) medidos durante o experimento.
Reação envolvida em uma pilha alcalina (extraída do Princípios da Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente):
Zn(s)|ZnO(s)|OH-(aq)|Mn(OH)2(s)|MnO2(s)|grafite 1,5V
0Semi-reação Oxidação (Ânodo): Zn (s) + 2OH-
+2
-(aq) → ZnO (s) + H2O (l) + 2e
-4
-
-2Semi-reação Redução (Cátodo): MnO2 (s) + 2H2O (l) + 2e
→ Mn(OH)2 (s) + 2OH- (aq)
0	-4	+2	-2
Reação Global: Zn (s) + MnO2 (s) + H2O (l) → ZnO (s) + Mn(OH)2 (s)
Foram usados os valores da tabela 1 para calcular a energia livre molar para cada temperatura, utilizando a seguinte fórmula:
Onde,
n = 2mols
F = 96500 Cmol-1
E é a tensão medida em cada temperatura.
Dessa forma, calculamos a energia livre a 303K:
Foi repetido o mesmo cálculo para todas as temperaturas e a Tabela 2 foi montada.
	Temperatura (K)
	∆Gm(J)
	303
	-287248,3333
	323
	-287570
	343
	-287891,6667
	353
	-288213,3333
Tabela 2: Valores da Temperatura (K) e Energia Livre calculada a partir das tensões da Tabela 1.
-288000
-288200
-288400
∆Gm(J)
Linear
 
(∆Gm(J))
-287200
-287400
-287600
-287800
y
 
=
 
-18,537x
 
-
 
281604
R²
 
=
 
0,9797
300
310
320
330
340
350
360
-287000
∆Gm(J)Lançando os valores da Tabela 1 em um gráfico de dispersão, é possível obter a equação da Linha de Tendência Linear. Ao substituir por T=298K nessa equação, encontramos o valor de ∆G à 298K, temperatura ambiente.
Gráfico: ∆Gm (J) versus Temperatura (K)
 	 
Conhecendo ∆G°, podemos calcular ∆S utilizando a fórmula
 
Sendo assim, ∆S= 1,47867638155067 J
Para finalizar encontramos ∆H resolvendo a seguinte equação:
	
	∆H(KJmol-1)
	∆G(KJ
	∆S(JK-1)
	Valor Calculado
	 286,69
	 
	1,48
	Valor Teórico
	 267,30
	 269,20
	6,31
A variação de entalpia teórica corresponde a 93,24% da calculada, a variação de energia livre teórica 93,76% da calculada e a variação de entropia a 426,35%. É possível ver que os valores de entalpia e energia livre se aproximaram razoavelmente do teórico, embora ainda pudesse ser notada uma diferença considerável entre os valores, no entanto o valor de entropia foi muito baixo.
CONCLUSÕES
No início, o objetivo era fazer medições de 5 oC até 60 oC, no entanto estendemos para de 4 ºC até 80°C. Por outro lado, os valores de potencial pouco variavam, aumentando as chances de erro e diminuindo ainda mais a quantidade de medições. Essas variações pequenas podem estar ligadas à limitação de equipamentos para o experimento, uma vez que a temperatura externa da bateria era diferente da interna e não tínhamos como conhecer com exatidão a qual temperatura a bateria estava. Tendo feito mais medições poderíamos diminuir o erro apresentados nos resultados. Mesmo com alguns fatores contra, foram calculados valores de variação de entalpia e variação de energia livre aproximados dos teóricos, no entanto a
variação de entropia foi muito diferente do esperado. Ainda assim, a espontaneidade apresentada pelos valores teóricos foi sustentada nos valores calculados, uma vez que entalpia negativa (reação exotérmica) e entropia positiva (aumento de desordem) é sinal de reação espontânea.
REFERÊNCIAS
ATKINS, P.; JONES, L., Princípios da Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente, 2001, 516-553.