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Experiência 9 Eletroquímica: Célula voltaica e galvanoplastia Química Geral Experimental – QUI017 Professor Vinicius Bonatto Nome: Juliene Morais de Faria 2017002864 Matheus Gabriel Guardiano dos Santos 2017003502 Data do experimento: 11/05/2017 Objetivos - Observar a espontaneidade de reações de óxido-redução; montar a pilha de Daniell e reconhecer os produtos de uma eletólise Introdução A eletroquímica é o ramo da química que trabalha com o uso de reações químicas espontâneas para produzir eletricidade, e com o uso da eletricidade para forçar as reações químicas não-espontâneas acontecerem. Procedimentos baseados na eletroquímica permitem que se use equipamentos eletrônicos para monitorar as concentrações dos íons em solução. Podem ser usadas para monitorar a composição e o pH de soluções e para determinar o pka de ácidos. A eletroquímica também permite monitorar a atividade do cérebro e coração, o pH do sangue e a presença de poluentes em manancial de água.[1] Durante as reações na eletroquímica há transferência de elétrons. As reações que envolvem transferência de elétrons são chamadas de reações de oxirredução, pois nelas ocorrem simultaneamente a redução e a oxidação. A espécie química que perde elétrons passa por uma oxidação e fica com o Nox (número de oxidação) maior. Já a espécie química que recebe esses elétrons passa por uma redução e o seu Nox fica menor.[2] Um exemplo seria uma reação demonstrada abaixo, na qual uma placa de zinco metálico (Zn0) é colocada em uma solução de sulfato de cobre (que possui cátions cobre II (Cu2+) dissolvidos). O zinco sofre oxidação, perdendo dois elétrons e transformando- se no cátion zinco (Zn2+), enquanto os íons cobre recebem esses elétrons e transformam- se em cobre metálico (Cu0). Veja a equação iônica desse processo: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) Os dois principais campos de estudo da Eletroquímica são as pilhas e baterias e a eletrólise. Nas pilhas e baterias usam-se as reações químicas de oxirredução espontâneas para a geração de eletricidade. Dentro das pilhas são colocadas certas substâncias químicas que reagem espontaneamente transferindo elétrons, isto é, por meio de reações de oxirredução. As pilhas possuem dois eletrodos, que são o ânodo (polo negativo) e o cátodo (polo positivo). A reação na pilha pode ser espontânea ou não. Quando o potencial padrão da célula eletrolítica é positivo, a reação é espontânea. Quando o potencial padrão da célula eletrolítica é negativo, a reação é não espontânea.[3] Uma representação clássica desse modelo é a Pilha de Daniell construída pelo químico inglês nglês John Frederic Daniell em 1836: Imagem 1: Esquema de pilha de zinco-cobre também chamada de pilha de Daniell. Disponível em http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/pilha-daniell.htm A eletrólise é o processo inverso que ocorre nas pilhas e baterias, ou seja, ocorre a transformação de energia elétrica em energia química. Utiliza-se energia elétrica para forçar a ocorrência de uma reação química não espontânea pela neutralização das cargas dos íons e formação de substâncias simples. Isso ocorre quando se passa uma corrente elétrica proveniente de algum gerador (como uma pilha ou uma bateria) por um líquido iônico (substância fundida - eletrólise ígnea) ou por uma solução aquosa que contém íons (eletrólise em meio aquoso). Desse modo, o cátion presente no líquido ou na solução recebe elétrons, e o ânion doa elétrons, para que ambos fiquem com carga elétrica igual a zero e com energia química acumulada. Imagem 2: Representação de uma eletrólise com bastões de grafite em solução aquosa de KI. Disponível em http://www.amigonerd.com/eletroquimicaeletrolise/ O estudo da eletroquímica permitiu que se encontrasse métodos para combater a corrosão dos metais. A técnica usada para este fim consiste em um eletrodo de sacrifício ou metal de sacrifício que é colocado em contato com o objeto feito de ferro ou de aço. Esse metal deve possuir um potencial de oxidação maior que o do objeto que se deseja http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/pilha-daniell.htm http://www.amigonerd.com/eletroquimicaeletrolise/ proteger para, assim, oxidar-se no lugar dele (daí o nome “eletrodo de sacrifício”). Essa técnica é também chamada de galvanoplastia e é feito em um circuito de eletrólise. Materiais • Fontes de energia (1); • Eletrodos de grafite (2); • Multímetros (1); • Eletrodo de cobre (1); • Eletrodo de zinco (1); • Tubo em U para ponte salina (1); • Tubo em U para eletrólise (1); • Béquer de 50 mL (2); garra (1); • Condutores metálicos (fios de cobre) (2); • Palha de aço; suporte de ferro (4); • Pipetas graduadas de 10 mL (2); • Prego (1); • Lâminas metálicas: cobre (2) • Zinco (1). Reagentes • Solução aquosa de: KI 0,5 mol.L–1 (20 mL); • Solução alcoólica de fenoftaleína (1 mL); • Dispersão de amido (1 mL); • ZnSO4 1,0 mol.L–1 (50 mL) e 0,2 mol.L–1 (3 mL); • CuSO4 1,0 mol.L–1 (50 mL) e 0,2 mol.L–1 (3 mL); • Solução saturada de KCl (30 mL). Procedimentos Procedimento 1: Verificação qualitativa da tabela de potencial de oxidação 1- Coloque em um tubo de ensaio pequena quantidade da solução de cobre (II) 0,2 mol.L-1; 2- Mergulhe nesta solução um prego (previamente limpo com a palha de aço); 3- Observe as condições iniciais de reação e anote alguma evidência de transformação; 4- Escreva a equação que descreve a reação química; 5- Qual é o fenômeno que ocorreu na superfície do metal? 6- Explique o que ocorreu baseando-se no potencial da reação; 7- Coloque em um béquer a solução de Zn (II) 0,2 mol.L–1 e mergulhe uma lâmina (ou fio) de cobre; 8- Observe e anote os resultados. Procedimento 2: Montagem da pilha de cobre e zinco (Pilha de Daniell) 1- Coloque em um béquer, 50 mL da solução de sulfato de cobre (II) 1,0 mol.L–1. Em outro béquer coloque 50 mL da solução de sulfato de zinco (II) 1,0 mol.L–1; 2- Encha o tubo U com solução saturada de KCl e, em seguida, coloque um chumaço de algodão nas extremidades do tubo, tomando cuidado para não deixar entrar bolhas de ar. Esse procedimento é necessário para preparação da ponte salina; 3- Monte o sistema conforme o esquema da pilha de Daniell 4- Feche o circuito intercalando o voltímetro entre os eletrodos (ligue o eletrodo de zinco ao terminal negativo e o eletrodo de cobre ao terminal positivo do voltímetro); 5- Escreva as equações das semi-reações que ocorrem nos eletrodos (cátodo e ânodo) e a reação global; 6- Leia a diferença de potencial no voltímetro; 7- Após a leitura, desligue o multímetro e retire os eletrodos das soluções; 8- Com auxílio da Tabela de Potencial Padrão de Redução, calcule a diferença de potencial da pilha; 9- Compare o valor experimental com o valor teórico. Obs: As soluções de sulfato de cobre (II) 1,0 mol L–1 e de sulfato de zinco (II) 1,0 mol L–1 deverão ser reaproveitadas. Procedimento 3: Eletrólise 1- Faça uma montagem conforme o esquema de eletrólise de uma solução de KI 2- Faça uma ligação entre o pólos da fonte e os eletrodos de carbono (grafite) imersos em um tubo U; 3- Coloque no tubo em U a solução de KI 0,5 mol.L–1 até enchê-lo quase completamente; 4- Deixe que a eletrólise se processe por 2 a 3 minutos; 5- Observe a anote o que ocorre no cátodo e no ânodo; 6- Remova os eletrodos de carbono; 7- Retire com uma pipeta, aproximadamente 2 mL de solução de um dos ramos do tubo em U e coloque em dois tubos ensaio; faça o mesmo com o outro ramo do tubo U, utilizando outros dois tubos de ensaio; 8- Adicione 1 gota de fenolftaleína a um tubo de ensaio de cada par. Faça o mesmo teste utilizando solução de amido; 9- Observee anote o resultado; 10- Interprete os resultados obtidos. Procedimento 4: Eletrodeposição de metais (Galvanosplastia) 1- Separe as seguintes soluções em béqueres: 80 mL de HCl a 0,5 mol.L–1, 200 mL de sulfato de cobre (CuSO4) a 0,6 mol.L –1 e 200 mL de cloreto de níquel II (NiCl2) a 0,4 mol.L–1; 2- Limpe mecanicamente cada uma das lâminas de latão; 3- Decape as lâminas em ácido clorídrico por 2 minutos, enxágue-as, e seque-as bem; 4- Pese a lâmina de latão, e anote a massa inicial; 5- Use a pinça metálica para pegar a lâmina de latão; 6- Utilize os 200 mL de CuSO4.5 H2O a 0,6 mol.L –1 para a primeira eletrodeposição (cobre); 7- Ligue a fonte de corrente contínua. Peça auxílio aos técnicos para realizar o ajuste da fonte. Faça rapidamente a seguinte operação: [Curto-circuite as saídas positiva e negativa da fonte, juntando as pinças dos fios conectores. Regule a corrente para 0,5 A; Separe as pinças, mas não desligue a fonte]. Durante a regulagem da corrente e durante as eletrólises, o indicador luminoso “CC” deverá permanecer aceso; 8- Prenda a lâmina de latão com a pinça do fio conector do pólo negativo. Mergulhe-a no banho eletrolítico; 9- Prenda a outra lâmina – cobre conforme o banho – com a pinça do fio conector do pólo positivo. Simultaneamente, mergulhe a lâmina no banho e acione o cronômetro. Anote a intensidade da corrente, quando o indicador luminoso “CC” acender; 10- Transcorridos 5 minutos, trave o cronômetro, e desligue a fonte no mesmo instante; Anote o tempo exato em segundos; 11- Usando a pinça metálica, pegue a lâmina que recebeu a deposição, lave-a, seque-a na estufa, e pese-a. Anote a massa final; 12- Repita o procedimento de (4) a (11) para a eletrodeposição de níquel modificando os seguintes parâmetros: Utilize 200 mL de NiCl2.7H2O a 0,4 mol.L –1; ajuste de corrente de 0,3 A (eletrodeposição de níquel); Prenda a outra lâmina de níquel conforme o banho – com a pinça do fio conector do pólo positivo; 13- Transcorridos 5 minutos, trave o cronômetro, e desligue a fonte no mesmo instante. Anote o tempo exato em segundos; 14- Usando a pinça metálica, pegue a lâmina que recebeu a deposição, lave-a, seque-a na estufa, e pese-a. Anote a massa final. Resultados e discussões No procedimento 1 havia o objetivo da verificação qualitativa da tabela de potencial de oxidação. Então se colocou em um tubo de ensaio uma pequena quantidade de solução de cobre (II) 0,2 mol/L e, em seguida, adicionou-se nesse mesmo tubo de ensaio um prego. Uma evidência clara de que estava acontecendo uma reação foi o enferrujamento do prego. Esse “enferrujamento” deve-se pelo fato de que ocorreu no tubo de ensaio uma reação de oxirredução. Sendo assim, nessa reação o prego (liga metálica constituída em sua maior parte por ferro) perde elétrons e sofre uma oxidação e, ao mesmo tempo em que ocorre essa oxidação do ferro, ocorre uma redução com o cobre, ou seja, o cobre ganha elétrons. Essa reação é denominada de oxirredução porque enquanto o cobre oxida o ferro, o ferro reduz o cobre. As equações da semi-reação que ocorreu no tubo de ensaio do cátodo e do ânodo estão descritas a seguir: Ânodo: Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e - Cátodo: Cu2+(aq) + 2e - Cu(s) E, então, podemos montar a reação global que aconteceu no tubo de ensaio: Fe(s) + CuSO4(aq) FeSO4(aq) + Cu(s) Como já foi dito, o fenômeno ocorrido foi a oxidação e, então, pode-se explicar a reação que aconteceu com base na tabela do potencial padrão de redução das reações. De acordo com essa tabela, o potencial padrão de redução do cobre é de +0,34V e o do ferro é -0,44V e, como o potencial padrão de redução do cobre é mais alto que o do ferro, ele oxida o ferro que passa a exercer a função de agente redutor. Então se preparou em um béquer uma solução de zinco (II) 0,2mol/L e mergulhou-se na solução uma lâmina de cobre. Esperou-se um tempo e observou-se que não aconteceu nada. Pode-se concluir que esta reação não é espontânea e precisa de eletricidade para acontecer, pois era esperado que a coloração da solução ficasse mais clara. A seguir segue a equação do cátodo e ânodo da semi-reação que deveria ter ocorrido: Ânodo: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cátodo: Cu2+(aq) + 2e - Cu(s) A reação global está equacionada a seguir: Cu(s) + ZnSO4(aq) CuSO4(aq) + Zn(s) No procedimento 2 o objetivo era realizar a montagem da pilha de cobre e zinco (conhecida como pilha de Daniell) e, para isso, realizou-se a montagem do sistema da pilha conforme o esquema presente na apostila e então observa-se que ocorre uma reação. Ocorre uma semi-reação no cátodo e outra no ânodo da pilha e estas semi- reações estão descritas a seguir: Ânodo: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cátodo: Cu2+(aq) + 2e - Cu(s) A reação global que ocorre é a seguinte: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) Então se leu no multímetro a diferença de potencial da reação que ocorreu e obteve um valor de 1,080V. Para saber se esse valor está correto, deve-se calcular o valor que era esperado teoricamente e, então, compará-lo com o valor que foi obtido experimentalmente. Para calcular a variação do potencial padrão de redução deve-se consultar a tabela de potenciais de redução padrão (disponibilizada no portal dos discentes) e olhar os valores correspondentes ao zinco e ao cobre. Consultando a tabela, descobre-se que o valor do potencial padrão de redução do cobre é igual a +0,34V e o do zinco é igual a -0,76V. A partir de então se pode calcular a variação do potencial padrão de redução da reação através da seguinte fórmula: ∆Eº = E(maior) – E(menor) ∆Eº = 0,34 –(-0,76) ∆Eº = 1,1V Como o valor obtido experimentalmente foi igual a 1,080V percebe-se que o valor experimental e teórico estão realmente muito próximos e que existe uma exatidão no resultado que foi apresentado pelo experimento. No procedimento 3 que tinha como objetivo demonstrar o funcionamento da eletrólise, realizou-se a montagem do sistema igual ao demonstrado na apostila e deixou-se que a eletrólise se processasse de 2 a 3 min e, neste experimento, a eletrólise se processou por 173,39s. E, quando se realizou a parada do processo, pode-se observar que o tamanho do cátodo aumentou enquanto o do ânodo diminuiu. Isso ocorre porque a solução de iodeto de potássio apresenta íons livres (dissociados em água) que irão fazer com que haja uma corrente elétrica no sistema. O potássio metálico se junta ao cátodo e faz com que o tamanho dele aumente enquanto o ânodo oxida e faz com que os íons de I- formem gás iodo que se perde da solução. As semi-reações do cátodo e do ânodo estão descritas a seguir: Ânodo: 2I-(aq) I2(g) + 2e - Cátodo: 2K+(aq) + 2e - 2K(s) Assim como nos outros experimentos, pode-se escrever uma reação global para reação e a equação desta reação está descrita a seguir: 2KI(s) + 2H2O(l) 2K(s) + 2OH - (aq) + I2(g) + H2(g) A partir de então, separou-se 4 tubos de ensaio: 2 tubos de ensaio com o líquido obtido pelo lado do cátodo e 2 tubos de ensaio com o líquido obtido pelo lado do ânodo e, então, aplicou-se neles fenolftaleína e iodo (indicadores) e o resultado obtido está expresso na seguinte tabela: Tabela 1 – Presença de Indicadores na Solução do Cátodo e Ânodo Indicadores Ramo do Cátodo Ramo do Ânodo Fenolftaleína INCOLOR INCOLOR Amido FICOU MAIS ESCURO INCOLOR A solução de iodeto de potássio após sofrer eletrólise aquosa formou uma solução básica pelo OH- liberado na solução pelo H2O, porém experimentalmente foi observado que a solução continuou incolor após adicionar a fenolftaleína, o que demonstra um erro de processamento durante o experimento. O amido (indicador de iodo ou iodetoem soluções) foi aplicado em ambos os tubos de ensaio e era esperado que somente em contato com o tubo que continha o líquido do cátodo ficasse mais escuro por conter íons iodeto e foi exatamente isso que aconteceu no experimento. No procedimento 4 que tinha como objetivo a observação da eletrodeposição de metais (galvanoplastia) preparou-se as soluções de acordo com o que era solicitado pelo procedimento. Então, passou-se a lâmina de latão na solução de ácido clorídrico por aproximadamente 2 minutos e então se pesou o latão obtendo uma massa de 2,7623g. Em seguida, o latão foi transferido para a solução de sulfato de cobre e ligado a uma fonte de corrente contínua com corrente de 0,5A e diferença de potencial de 1,5V. Então se observou o que ocorria por aproximadamente 8 minutos. Neste experimento, deixou-se o latão em contato com a solução de sulfato de cobre por 7 minutos e 49 segundos. Quando se desligou o aparelho, pode-se notar que a corrente da fonte de corrente contínua havia diminuído para 0,32A e que a voltagem continuou a mesma inicial (1,5V). Com isso, a corrente fornecida para o sistema desencadeou uma reação não espontânea e fez com que o cobre se depositasse sobre a lâmina de latão. Então, para saber o quanto de cobre foi depositado sobre o latão, pesou-se o latão e obteve uma massa igual a 2,7944g e, assim, subtraiu-se o valor da massa do latão antes de ser colocado na solução de sulfato de cobre da massa do latão obtida agora. O valor da massa de cobre que se depositou sobre o latão é igual a 0,0321g. Assim, pegou-se o a lâmina de latão e transferiu-a para a solução de cloreto de níquel II realizando os mesmos procedimentos que foram realizados quando o latão foi colocado na solução de sulfato de cobre. Com isso, ligou-se o sistema a uma corrente de 0,3A e voltagem de 1,5V. A massa de níquel que foi depositada sobre o latão pode ser obtida subtraindo-se a massa obtida no final do experimento (2,8002g) do valor da massa do latão antes de ser colocado na solução de cloreto de níquel II (2,7944g). Assim, o valor de massa de níquel que foi depositado sobre a lâmina do latão é igual a 0,0058g. Deve-se reparar que os valores de corrente que foram obtidos após a execução deste passo do procedimento é igual a 0,08A e a voltagem igual a 1,5V (mesma anterior). Conclusão Os objetivos de observar a espontaneidade das reações de óxido-redução, montar a pilha de Daniell e reconhecer os produtos de uma eletrólise foram atingidos. Além disso, este experimento proporcionou o reforço de muitos outros conceitos como exatidão, reações de óxido-redução e indicadores. Entretanto, muitos outros conceitos foram adquiridos além dos esperados nos objetivos, como o conhecimento de tabelas de potenciais de redução padrão, utilização de instrumentos elétricos em laboratório (multímetro, fonte de corrente contínua) e conceitos específicos da eletroquímica. Todos os resultados apresentados neste experimento estão dentro do que era esperado. Assim, pode-se concluir que os conhecimentos teóricos e experimentais estão exatos. Atividade Pós-laboratório 1. Dê as reações que ocorrem, isoladamente, no ânodo e no cátodo e a equação total de todas as reações do experimento (procedimentos 1, 2 e 3). Procedimento 1: Ânodo: Feo(s) Fe2+(aq) + 2e- Cátodo: Cu2+(aq) + 2e- Cu 0 (s) Equação total: Fe(s) + CuSO4(aq) FeSO4(aq) + Cu(s) Ânodo: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cátodo: Cu2+(aq) + 2e - Cu(s) Equação total: Cu(s) + ZnSO4(aq) CuSO4(aq) + Zn(s) Equação não espontânea. Procedimento 2: Ânodo: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Cátodo: Cu2+(aq) + 2e - Cu(s) Equação total: Zn(s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu(s) Procedimento 3: Ânodo: 2I-(aq) I2(g) + 2e - Cátodo: 2K+(aq) + 2e - 2K(s) Equação total: 2KI(s) + 2H2O(l) 2K(s) + 2OH - (aq) + I2(g) + H2(g) 2. Esquematize a célula ou pilha galvânica para a reação entre Fe(s) e Cu 2+ (aq). Fe(s) + Cu 2+ (s) Cu0(s) + Fe 2+ (aq) Ânodo: Fe(s) Fe(aq) + 2e- Cátodo: Cu2+(aq) + 2e- Cu(s) 3. Discuta a função da ponte salina na célula galvânica. Para evitar a mistura das soluções, utiliza-se a ponte salina, que une os dois compartimentos do eletrodo e completa o circuito elétrico. A ponte salina é formada por um gel contendo solução salina aquosa concentrada dentro de um tubo. A solução salina mais utilizada é o KCl, pois os íons K+ e Cl– não afetam as reações que ocorrem nas células. Quando a solução de KCl é utilizada como ponte salina numa célula galvânica de Zn e Cu, à medida que a lâmina de zinco corrói, a solução do eletrodo de zinco vai ganhando cátions (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 (cargas positivas). Haverá no eletrodo excesso de cargas negativas. 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 Cl– migra para o eletrodo de zinco. 4. Na pilha de Daniell, compare o valor experimental com o valor teórico. Caso o valor seja diferente, cite os possíveis erros para a diferença. O valor teórico da pilha composta por Zn e Cu é 1,10V; o valor experimental obtido foi 1,08V. A pequena diferença do valor experimental e teórico pode ser explicado pela dificuldade de manuseio dos operadores com o multímetro. 5. Qual é o gás liberado no cátodo? Qual a razão da coloração no cátodo quando se adiciona fenolftaleína. O gás liberado no cátodo foi o gás iodo. Experimentalmente após ser adicionado a fenolftaleína na solução, permaneceu incolor. Isso se deve por um possível erro de processamento, pois o H2O da reação libera OH - tornando a reação básica. 6. Qual substância formou-se no cátodo? Qual a razão da coloração cerificada quando adiciona-se solução de amido? A substância formada foi o gás iodo. A coloração da solução após adicionar o amido ficou levemente amarronzada, devido ao iodo na solução. Referências Bibliográficas [1] Atkins, P.; Jones, L.; Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente, 1ª ed., Bookman: Porto Alegre, 2001, 914 pp. [2] Mundo Educação. Disponível em http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/eletroquimica.htm. Acesso em 28/05/2017. [3] SóQuímica. Disponível em http://www.soq.com.br/conteudos/em/eletroquimica/p3.php. Acesso em 28/06/2017. http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/eletroquimica.htm.%20Acesso%20em%2028/05/2017 http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/eletroquimica.htm.%20Acesso%20em%2028/05/2017 http://www.soq.com.br/conteudos/em/eletroquimica/p3.php
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