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FRENTE: QUÍMICA PROFESSOR: JOÃO FAÇANHA ASSUNTO: ELETROQUÍMICA – PILHAS 020.882 - 145916/19 fariasbrito.com.br @fariasbrito canalfariasbrito@fariasbrito colegiofariasbrito NÚCLEO ALDEOTA (85) 3486.9000 NÚCLEO CENTRAL (85) 3464.7788 (85) 3064.2850 NÚCLEO SUL (85) 3260.6164 NÚCLEO EUSÉBIO (88) 3677.8000 NÚCLEO SOBRAL CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS FUNDAMENTOS AULA 25 Introdução A eletroquímica estuda processos que ocorrem por meio de transferência de elétrons (reações de oxirredução). Existem dois processos principais que a eletroquímica estuda: pilhas e eletrólise. Nessa aula iremos trabalhar as pilhas ou, também chamadas, células galvânicas. A pilha tem como função transformar energia química (das reações) em energia elétrica (a eletrólise faz o processo inverso). Dessa forma, a célula galvânica pode fornecer energia para um equipamento eletrônico qualquer, como uma lâmpada, por exemplo. Pilha de Daniell A montagem da pilha de Daniell ocorre da seguinte forma: dois eletrodos metálicos mergulhados em soluções do seu respectivo metal são interligados por um fio condutor. Entre as duas soluções utiliza-se um suporte de vidro com uma solução dentro e com algodão nas pontas: a ponte salina. Os eletrodos e soluções usadas por Daniell foi de zinco e cobre que possuem as seguintes semirreações de redução e respectivos potenciais padrão de redução: 2(aq) (s)Zn 2e Zn E° = - 0,76V 2(aq) (s)Cu 2e Cu E° = + 0,34V Analisando os potenciais fornecidos, percebemos que o cobre possui o maior potencial de redução, portando o Cu2+ tem uma maior facilidade para reduzir enquanto o Zn irá oxidar. Então já podemos montar as semi-reações que ocorrem nesse processo: 2 (aq)Cu + 2e – → Cu(s) 2(aq)sZn Zn 2e E a reação global: 2 2(s) (s) (aq)aqCu Zn Cu Zn Portanto, podemos definir quem funciona como cátodo e ânodo dessa pilha. O cátodo é a região onde ocorre a redução e ânodo a região que ocorre a oxidação. Na pilha de Daniell o cobre será o cátodo e o zinco será o ânodo. Além disso, é necessário definir o polo positivo e negativo da pilha. Em células galvânicas o ânodo representa o polo negativo e cátodo o polo positivo. 2 020.882 - 145916/19 MÓDULO DE ESTUDO Podemos definir também o fluxo de elétrons entre os eletrodos: sempre do ânodo para o cátodo. Então, o fluxo de elétrons na pilha de Daniell é do eletrodo de zinco para o eletrodo de cobre. A ddp (diferença de potencial) da pilha pode ser simplesmente calculada como: ΔE = Emaior – Emenor ΔE = 0,34 – (0,76) ΔE = + 1,10 V É importante lembrar que a ddp de uma pilha sempre será positiva, pois demonstra, assim, que é um processo espontâneo que gera energia. A ponte salina tem função de manter o equilíbrio entre as cargas. A solução salina mais utilizada é o KC, pois os íons K+ e C– não afetam as reações que ocorrem nas células. À medida que a lâmina de zinco corrói, a solução do eletrodo de zinco vai ganhando cátions Zn2+ (cargas positivas). Haverá no eletrodo excesso de cargas positivas. À medida que a lâmina de cobre tem a sua massa aumentada, a solução do eletrodo de cobre vai perdendo cátions Cu2+ (cargas positivas). Haverá no eletrodo excesso de cargas negativas 24SO . A função da ponte salina é manter o equilíbrio elétrico de cargas positivas e negativas nas soluções dos eletrodos. Assim, K+ migra da ponte para o eletrodo de cobre e C– migra para o eletrodo de zinco. Dessa forma, a pilha terá uma maior durabilidade. E, por último, é necessário falar sobre a representação IUPAC da pilha: Representa a Ponte Salina Resumo: Ânodo Cátodo Ocorre Oxidação Ocorre Redução O eletrodo perde massa O eletrodo ganha massa A solução fica concentrada A solução fica diluída Recebe ânions da ponte salina Recebe cátions da ponte salina Polo Negativo Polo Positivo 01. Texto I Biocélulas combustíveis são uma alternativa tecnológica para substituição das baterias convencionais. Em uma biocélula microbiológica, bactérias catalisam reações de oxidação de substratos orgânicos. Liberam elétrons produzidos na respiração celular para um eletrodo, onde fluem por um circuito externo até o cátodo do sistema, produzindo corrente elétrica. Uma reação típica que ocorre em biocélulas microbiológicas utiliza o acetato como substrato. AQUINO NETO. S. Preparação e caracterização de bioanodos para biocélula e combustível etanol/. Disponível em: <www.teses.usp.br>. Acesso em: 23 jun. 2015. Adaptado. Texto II Em sistemas bioeletroquímicos, os potenciais padrão apresentam valores característicos. Para as biocélulas de acetato, considere as seguintes semirreações de redução e seus respectivos potenciais. 2 3 2 2 2 2 CO 7 H 8e CH OO 2 H O E ’ 0,3 V O 4 H 4e 2 H O E ’ 0,8 V SCOTT, K.; YU, E. H. Microbial electrochemical and fuel cells: fundamentals and applications. Woodhead Publishing Series in Energy. n. 88, 2016. Adaptado. Nessas condições, qual é o número mínimo de biocélulas de acetato, ligadas em série, necessárias para se obter uma diferença de potencial de 4,4 V? A) 3 D) 9 B) 4 E) 15 C) 6 02. A pilha de mercúrio é popularmente conhecida como pilha em forma de “botão” ou “moeda”, muito utilizada em calculadoras, controles remotos e relógios. Nessa pilha existe um amálgama de zinco (zinco dissolvido em mercúrio), óxido de mercúrio (II), e o eletrólito é o hidróxido de potássio. A partir das semirreações de redução do zinco e do mercúrio e seus respectivos potenciais padrão de redução, mostrados no quadro a seguir, assinale a alternativa que represente a pilha de mercúrio corretamente. Semirreações E (V) 2(aq) (s)Zn 2e Zn 0,76 2(aq) ( )Hg 2e Hg 0,85 A) 2 2(s) (aq) (aq) ( )Zn | Zn ||Hg |Hg E 1,61V B) 2 2(aq) (s) ( ) (aq)Zn | Zn ||Hg |Hg E 1,61V C) 2 2(aq) ( ) (s) (aq)Hg |Hg || Zn | Zn E 1,61V D) 2 2(aq) ( ) (aq) (s)Hg |Hg || Zn | Zn E 1,61V E) 2 2(aq) (aq) (s) ( )Zn |Hg || Zn |Hg E 0,09 V 3 020.882 - 145916/19 MÓDULO DE ESTUDO 3. Os drones são aeronaves não tripuladas e estão cada vez mais presentes em nosso cotidiano. Um dos desafios para a utilização de drones é o desenvolvimento de pilhas ou baterias que possibilitem maior autonomia de voo. Com relação às baterias, cuja representação da equação da reação química é: 2(s) 2 4(aq) (s) 4(aq) 2 ( )PbO 2 H SO Pb 2PbSO 2H O Avalie as afirmações a seguir e marque (V) para verdadeiro e (F) para falso. ( ) O íon Pb4+, presente no PbO2(s), se comporta como catodo. ( ) O Pb(s) funciona como anodo. ( ) O H2SO4(aq) é o polo negativo da bateria. ( ) Os elétrons fluem do anodo para o catodo. A sequência correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é A) V – F – F – F. D) V – V – F – V. B) F – V – F – V. E) F – F – F – V. C) V – F – V – F. 4. Em 1938 o arqueólogo alemão Wilhelm König, diretor do Museu Nacional do Iraque, encontrou um objeto estranho na coleção da instituição, que poderia ter sido usado como uma pilha, similar às utilizadas em nossos dias. A suposta pilha, datada de cerca de 200 a.C., é constituída de um pequeno vaso de barro (argila) no qual foram instalados um tubo de cobre, uma barra de ferro (aparentemente corroída por ácido) e uma tampa de betume (asfalto), conforme ilustrado. Considere os potenciais padrão de redução e 2redE (Fe |Fe) 0,44 V; red 2E (H |H ) 0,00 V; 2redE (Cu | Cu) 0,34 V. As pilhas de Bagdá e a acupuntura. Disponível em: <http://jornalggn.com.br. Acesso em: 14 dez. 2014. Adaptado. Nessa suposta pilha, qual dos componentes atuaria como cátodo? A) Atampa de betume. B) O vestígio de ácido. C) A barra de ferro. D) O tubo de cobre. E) O vaso de barro. Texto para a próxima questão. As pilhas, fontes de energia elétrica tão comuns nos nossos dias, tiveram sua denominação a partir de um experimento realizado por Alessandro Volta em 1800, que consistia no empilhamento alternado de discos de oxiCu (E 0,34 V) e oxiZn (E 0,76 V), intercalados por feltro impregnado com solução ácida, conforme mostra a figura a seguir: 5. O cátodo na pilha montada por Volta é o A) Zn, pois é o polo negativo. B) Cu, pois é o polo positivo. C) Zn, pois apresenta maior potencial de redução. D) Cu, pois apresenta menor potencial de redução. 6. Um estudante realizou um experimento para avaliar a reatividade dos metais Pb, Zn e Fe. Para isso, mergulhou, em separado, uma pequena placa de cada um desses metais em cada uma das soluções aquosas dos nitratos de chumbo, de zinco e de ferro. Com suas observações, elaborou a seguinte tabela, em que (sim) significa formação de sólido sobre a placa e (não) significa nenhuma evidência dessa formação: Solução Metal Pb Zn Fe Pb(NO3)2(aq) não sim sim Zn(NO3)2(aq) não não não Fe(NO3)2(aq) não sim não A seguir, montou três diferentes pilhas galvânicas, conforme esquematizado. 4 020.882 - 145916/19 MÓDULO DE ESTUDO Nessas três montagens, o conteúdo do béquer I era uma solução aquosa de CuSO4 de mesma concentração, e essa solução era renovada na construção de cada pilha. O eletrodo onde ocorria a redução (ganho de elétrons) era o formado pela placa de cobre mergulhada em CuSO4(aq). Em cada uma das três pilhas, o estudante utilizou, no béquer II, uma placa de um dos metais X (Pb, Zn, ou FE) mergulhada na solução aquosa de seu respectivo nitrato. O estudante mediu a força eletromotriz das pilhas, obtendo os valores: 0,44 V, 0,75 V e 1,07 V. A atribuição correta desses valores de força eletromotriz a cada uma das pilhas, de acordo com a reatividade dos metais testados, deve ser Metal X Pb Zn Fe A) 0,44 1,07 0,75 B) 0,44 0,75 1,07 C) 0,75 0,44 1,07 D) 0,75 1,07 0,44 E) 1,07 0,44 0,75 7. Observe a figura: LEMBO, Antônio. Química – Realidade e Contexto v. 2. São Paulo: Ática, 1999. p. 454. A pilha seca comum, utilizada em rádios, lanternas e brinquedos eletrônicos, é uma adaptação da pilha de Leclanché e utiliza, como meio eletrolítico, uma pasta umedecida contendo sais, como o cloreto de amônio e o cloreto de zinco. As semirreações para essa pilha são: 2(aq) ( ) (s) (aq)ZnC 2e Zn 2 C 0E 0,76V 4 (aq) 2(s) 2 3(s) 2 ( ) 3(aq) (aq) 1 1 NH C MnO 1e Mn O H O NH C 2 2 0E 0,74V Então, é possível afirmar: I. O Zn se reduz e o Mn se oxida; II. A diferença de potencial da pilha é de 1,5 V; III. A reação global que ocorre na pilha é: 2(s) 4 (aq) (s) 2 3(s) 2 ( ) 3(aq) 2(aq) 2 MnO 2 NH C Zn Mn O H O 2 NH ZnC IV. À medida que a pilha vai sendo consumida (gasta), há aumento nas massas de dióxido de manganês e água. Estão corretas A) apenas I e II. B) apenas I e III. C) apenas II e III. D) apenas II e IV. E) apenas III e IV. 8. Pilhas são dispositivos que produzem corrente elétrica, explorando as diferentes capacidades das espécies de perderem ou de ganharem elétrons. A figura a seguir mostra a montagem de uma dessas pilhas. A seguir, estão representadas algumas semirreações e seus respectivos potenciais de redução, a 3 (aq) (s)A 3e A E 1,66V 2(aq) (s)Ni 2e Ni E 0,25V 2(aq) (s)Mg 2e Mg E 2,37V 2(aq) (s)Fe 2e Fe E 0,44V A pilha de maior diferença de potencial (ddp) pode ser constituída no anodo e no catodo, respectivamente, pelos eletrodos de A) alumínio e magnésio. B) magnésio e níquel. C) alumínio e ferro. D) ferro e níquel. 9. Em uma pilha galvânica, um dos eletrodos é composto por uma placa de estanho imerso em uma solução 11,0 mol L de íons Sn2+ e o outro é composto por uma placa de lítio imerso em uma solução 11,0 mol L de íons Li+, a 25 °C. Baseando-se nos potenciais padrão de redução das semirreações a seguir, são feitas as seguintes afirmativas: 2 0 (aq) (s) red 0 (aq) (s) red Sn 2 e Sn E 0,14 V Li 1e Li E 3,04 V I. O estanho cede elétrons para o lítio; II. O eletrodo de estanho funciona como cátodo da pilha; III. A reação global é representada pela equação: 0 2 0(s) (aq) (s) (aq)2Li Sn Sn 2Li ; IV.No eletrodo de estanho ocorre oxidação; V. A diferença de potencial teórica da pilha é de 2,90 V, ( E 2,90 V); 5 020.882 - 145916/19 MÓDULO DE ESTUDO Das afirmativas apresentadas estão corretas apenas: A) I, II e IV. D) II, III e IV. B) I, III e V. E) II, III e V. C) I, IV e V. 10. A parte da química que estuda o relacionamento entre a corrente elétrica e as reações químicas é a eletroquímica. A primeira pilha foi criada em 1800 por Alessandro Volta. Essa pilha utilizava discos de cobre e zinco, separados por algodão embebido em solução salina. Em 1836, John Frederick Daniell construiu uma pilha com eletrodos de cobre e zinco, mas cada eletrodo ficava em uma cela individual, o que aumentava a eficiência da pilha, pois ela possuía um tubo que ligava as duas cubas. Essa pilha ficou conhecida como pilha de Daniell. A nomenclatura atribuída a esse tubo foi A) ânodo. B) cátodo. C) ponte salina. D) ponte de hidrogênio. E) circuito externo. Gabarito 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 B A D D B A C B E C Resoluções 1. 2 3 22 CO 7 H 8e CH OO 2H O E ’ 0,3 V (inverter) 2 2O 4 H 4e 2H O E ’ 0,8 V (manter e multiplicar por 3 2 0,8 V 0,3 V CH COO 2 H O 22 CO 7 H 8 e 22 O 8 H 8 e 4 2 Global 3 2 2 2 maior menor total (2)H O CH COO 2 O 2 CO 2 H O E E E 0,8 ( 0,3) 1,1V E 4,4 V 1,1 n 4,4 n 4 Resposta: B 2. 2 o (aq) (s) Redução 2 o (aq) ( ) Redução maior menor 2 (aq) (s) 2 (aq) ( ) Oxidação (s) (a Zn 2e Zn E 0,76 V Hg 2e Hg E 0,85 V 0,85 V 0,76 V E E E E 0,85 V ( 0,76 V) E 1,61V Zn 2e Zn (inverter) Hg 2e Hg (manter) Zn Zn 2 q) 2e 2(aq)Hg 2e Redução ( ) Global2 2 (s) (aq) (aq) ( ) Hg Zn Hg Zn Hg Representação: 2 2 (s) (aq) (aq) ( )Zn | Zn ||Hg |Hg Resposta: A 3. 2 4 4 2 2 2 zero PbOO; Pb SO ; Pb 2(s) 2 4(aq) (s) 4(aq) 2 4 2 0 PbO 2 H SO PB 2 PbSO 2 H O redução – catodopolopositivo4 2 2(s) Pb 2e Pb PbO (agenteoxidante) oxidação – anodopolonegativo0 2 (s) Pb Pb 2 e Pb (agenterredutor) Verdadeiro. O íon Pb4+ presente no PbO2(s) se comporta como catodo. Verdadeiro. O Pb(s) funciona como anodo. Falso. O Pb(s) é o polo negativo da bateria. Verdadeiro. Os elétrons fluem do anodo para o catodo. Resposta: D 4. O cátodo deve apresentar o maior potencial de redução. 2 2 red red red 2 2 red 2 2 red red Eº (Fe | Fe) 0,44 V Fe 2 e Fe E 0,44 V Eº (H | H ) 0,00 V 2 H 2 e H E 0,00 V Eº (Cu | Cu) 0,34 V Cu 2 e Cu E 0,34 V 0,34 V 0,00 V 0,44 V Como a barra de ferro (menor potencial de redução) foi, aparentemente, corroída pelo ácido (H+) conclui-se que esta atuou como ânodo e que o tubo de cobre atuou como cátodo. Resposta: D 5. Oxidação 2 oxi Oxidação 2 oxi Cu (E 0,34 V) Cu Cu 2e (inverter) Zn (E 0,76 V) Zn Zn 2e (manter) 0,76 V 0,34 V Então, Oxidação 2 Redução2 Zn Zn 2e (Polo negativo ânodo) Cu 2e Cu (Polo positivo cátodo) Resposta: B 6. Como (sim) significa formação de sólido sobre a placa, e (não) significa nenhuma evidência dessa formação, devemos procurar o sim, ou seja, as possíveis reações com formação de um sólido, isto significa que cátion metálico reduziu e provocou a formação de um depósito sólido. Isto ocorre na primeira e na terceira linha da tabela. 6 020.882 - 145916/19 MÓDULO DE ESTUDO Solução Metal Pb Zn Fe Pv(NO3)2(aq) não sim sim Zn(NO3)2(aq) não não não Fe(NO3)2(aq) não sim não 0 2 0 2red redE (Pb ) E (Zn ) e 0 2 redE (Fe ) (primeira linha) 0 2 0 2red redE (Fe ) E (Zn ) (terceira linha) Conclusão: 0 2 0 2 0 2red red redE (Pb ) E (Fe ) E (Zn ). Em relação ao eletrodo de cobre, quanto menor a força eletromotriz, maior o potencial de redução do cátion presente na solução. 0 2 0 2 0 2red red redE (Pb ) E (Fe ) E (Zn ). Conclusão: 0,44 V 0,75 V 1,07 V f.e.m Cu Pb f.e.m Cu Fe f.e.m Cu Zn Resposta: A 7. I. Incorreta. Montando a pilha: 4 (aq) 2(s)( 2)2 NH C 2 MnO 2e 2 3(s) 2 ( ) 3(aq)Mn O H O 2 NH 2 C (aq) (s)Zn 2 C 2(aq)(aq) ZnC 2e 4 (aq) 2(s) (s) 2 3(s) 2 ( ) 3(aq) 2(aq)RG : 2 NH C 2 MnO Zn Mn O H O 2 NH ZnC Analisando os dois compostos (zn e Mn) na equação global, teremos: Sendo assim, o zinco oxida e o manganês reduz. II. Correta. Calculando o potencial da pilha, teremos: 0 0 0 0 0 E E (oxi) E (red) E +0,76+ 0,74 E 1,50V III. Correta. A reação global da pilha será: 2(s) 4 (aq) (s) 2 3(s) 2 ( ) 3(aq) 2(aq)2 MnO 2 NH C Zn Mn O H O 2 NH ZnC 4 (aq) 2(s)( 2)2 NH C 2 MnO 2e 2 3(s) 2 ( ) 3(aq)Mn O H O 2 NH 2 C (aq) (s)Zn 2 C 2(aq)(aq) ZnC 2e 4 (aq) 2(s) (s) 2 3(s) 2 ( ) 3(aq) 2(aq)RG : 2 NH C 2 MnO Zn Mn O H O 2 NH ZnC IV.Incorreta. À medida que a pilha vai sendo gasta, o zinco aumenta sua massa e o dióxido de manganês diminui sua massa. Resposta: C 8. Montando as pilhas: A) Entre alumínio e magnésio: 3(aq) (s)A 3e A 0E 1,66V 2(aq) (s)Mg 2e Mg 0E 2,37V 3 0 (aq) (s) 2 0 (s) (aq) 3 2 0 (aq) (s) (aq) (s) (x2) 2A 6e 2A E 1,66V (x3) 3Mg 3Mg 6e E 2,37V(inv) E.G : 2A 3Mg 3Mg 2A E 0,71V B) Entre magnésio e níquel: 2(aq) (s)Mg 2e Mg 0E 2,37V 2(aq) (s)Ni 2e Ni 0E 0,25V 2 0 (s) (aq) 2 0 (aq) (s) 2 2 0 (s) (aq) (s) (aq) Mg Mg 2e E 2,37V Ni 2e Ni E 0,25V E.G.: Mg Ni Ni Mg E 2,12 V C) Entre alumínio e ferro: 3(aq) (s)A 3e A 0E 1,66V 2(aq) (s)Fe 2e Fe 0E 0,44V 2 0 (aq) (s) 3 0 (s) (aq) 2 3 0 (aq) (s) (s) (aq) (x3)3Fe 6e 3Fe E 0,44V (x2)2A 2A 6e E 1,66V(inv) 3Fe 2A 3Fe 2A E 1,22V D) Entre ferro e níquel: 2(aq) (s)Fe 2e Fe 0E 0,44V 2(aq) (s)Ni 2e Ni 0E 0,25V 2 0 (s) (aq) 2 0 (aq) (s) 2 2 0 (s) (aq) (s) (aq) Fe Fe 2e E 0,44V Ni 2e Ni E 0,25V E.G.: Fe Ni Ni Fe E 0,19 V Assim, podemos concluir que a pilha de maior diferença de potencial (ddp) é constituída no ânodo e no cátodo, respectivamente, pelos eletrodos de magnésio e níquel. Resposta: B 9. Teremos: 2 0 (aq) (s) red 0 (aq) (s) red 2 (aq) Sn 2 e Sn E 0,14 V Li 1e Li E 3,04 V 0,14 V 3,04 V E 0,14 ( 3,04) 2,90 V Então : Sn 2 e (s) (s) (aq) Sn (redução, cátodo) 2Li 2Li 2 e global2 (aq) (s) (s) (aq) (oxidação; ânodo) Sn 2Li Sn 2Li Resposta: E 10. A função da ponte salina (tubo) é permitir o escoamento de íons de uma semicela para outra, para que cada uma das soluções permaneça eletricamente neutra. Resposta: C SUPERVISOR/DIRETOR: Dawison Sampaio – AUTOR: João Saraiva DIG.: Cl@udi@: 29/11/19 – REV.: Kelly Moura
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