Eletroquimica

Eletroquimica

Relatório do experimento 9: Eletroquímica

Aluno: Diêgo Flávio Rodrigues de Andrade Lima Turma: Eng. Mecânica 2010.2 - MA Disciplina: Química Experimental. Prof Msc. Fernanda Anjos.

Juazeiro - BA, Novembro de 2010.

1. Introdução Teórica

Eletroquímica é a parte da química que estuda as reações químicas de oxirredução que produzem corrente elétrica. As pilhas e os acumuladores são construídos para se obter corrente elétrica proveniente de uma reação química

A pilha de Daniell

A pilha de Daniell funciona a partir de dois eletrodos interligados onde cada eletrodo é um sistema constituído por um metal imerso em uma solução aquosa de um sal formado pelos cátions desse metal.

Daniell percebeu que se fizesse uma interligação entre dois eletrodos de metais diferentes, o metal mais reativo, iria transferir seus elétrons para o cátion do metal menos reativo em vez de transferi-los para seus próprios cátions em solução.

Sempre que metais de reatividades diferentes são imersos em soluções que contêm íons, é possível observar que no sistema se estabelece um circuito elétrico e o sentido da movimentação dos elétrons é do metal mais reativo – o redutor - para o menos reativo - o oxidante.

Como o zinco metálico é mais reativo que o cobre, se os eletrodos de zinco e de cobre forem interligados através de um fio condutor, o zinco metálico irá transferir seus elétrons para o cátion cobre, Cu2+

(aq), em vez de transferi-los para o cátion zinco, Zn2+ (aq).

Deste modo se estabelece uma passagem de corrente elétrica pelo fio condutor que poderá ser detectada ao adaptar uma lâmpada a este fio e interligarmos os eletrodos.

Figura 1: Construção do sistema eletroquímico.

Unidades elétricas

O coulomb (C) é a unidade SI pata a carga elétrica. Do ponto de vista de partículas fundamentais, a unidade elementar é a carga de um próton, que é igual a magnitude de um elétron. Não se conhece partícula cuja carga não seja múltiplo inteiro desta carga elementar, cujo valor é 1,602x101 C.

A corrente elétrica é a taxa de fluxo de carga. A unidade SI, o ampère (A), corresponde a uma taxa de um coulomb por segundo (1 A = 1C/s ).

A diferença de potencial elétrico entre dois pontos em um circuito causa a transferência de carga de um ponto para outro. O volt (V) é a unidade SI para diferença de potencial elétrico. Quando uma carga de 1 C se desloca devido a uma diferença de potencial 1 V, ele ganha 1J de energia:

Energia em joules = (carga em coulombs) x (diferença de potencial em volts)

A força Eletromotriz e Equação de Nernst:

O fato de os elétrons se moverem de um eletrodo para outro indica a existência de uma diferença de potencial entre os dois eletrodos, chamada forca eletromotriz (f.e.m.).

Quando todos os solutos estão em concentração 1 M e todos os gases a pressão de 1 atm, a diferença de potencial associada a uma reação de redução(oxidação) a ocorrer num eletrodo e designada por potencial de redução (oxidação) padrão. A f.e.m. da pilha será:

cel = Eo red (catodo) - Eo red (anodo)

Nestas condições,

ΔGo = -n.F.Eo em que ΔGo é a variação da energia livre padrão, n é o número de elétrons em jogo, F a constante de Faraday (96485 C mol-1) e Eo a f.e.m. padrão. De ΔG0 = -RT ln K com K, a constante de equilíbrio vem

pilha =ln K

Eo Analogamente, de ΔG = ΔG0 + RT ln Q surge:

E = Eo −ln Q Equação de Nernst

em que Q e o quociente da reação.

Em geral, se as concentrações dos reagentes aumentam em relação às concentrações dos produtos, a fem aumenta. Contrariamente, se as concentrações dos produtos aumentam em relação aos reagentes, a fem diminui. À medida que a célula voltaica funciona, os reagentes são convertidos em produtos, o que aumenta o valor de Q e diminui a fem.

2. Objetivo O objetivo principal desse experimento e a construção da pilha de Daniell.

3. Parte experimental

3.1. Materiais e equipamentos

Béquer 100 mL

Laminas de Zn(s) e Cu(s) Pisseta

KCl

Na2S Água destilada

Voltímetro

3.2. Procedimento 3.2.1 Construção da pilha de Daniell

PONTE SALINA: Preparou-se a ponte salina colocando a solução de KCl (~ 1mol/L-1) num béquer e mergulhou-se o cordão de algodão.

ELETRODOS: Lixou-se as lâminas de Zn(s) e Cu(s), lavou-se com água destilada e secou-se com um algodão.

MEIAS-CELAS: Transferiu-se para um béquer 70 ml de solução de ZnSO4 0,1 mol/L-1.

Em outro béquer colocou-se 70 ml da solução de CuSO4 0,1 mol/L-1. MONTAGEM E OPERAÇÃO: Mergulhou-se a lâmina de Zn na solução de

ZnSO4 e a lâmina de cobre na solução de CuSO4. Colocou-se cuidadosamente a ponte salina entre os béqueres de forma que essa mergulhe em ambas as soluções.

Conectou-se os eletrodos com um voltímetro.

3.2.2 Efeito do hidróxido

Adicionou-se 20 ml de uma solução de NaOH 1,75 mol/L-1 ao béquer contendo a solução de CuSO4 0,1 mol/L-1 (leu-se o potencial da pilha).

3.2.3 Efeito de ions sulfeto

Em outra mistura, adicionou-se 20 ml de sulfeto de sódio (Na2S) 1,0 mol/L-1 ao béquer contendo a solução de ZnSO4 0,1 mol/L-1.

Montou-se a pilha empregando uma nova semi-reta de Cu/Cu+2.

3.2.4 Relação da concentração com o potencial

Montou-se a pilha com concentrações variáveis. CuSO4 (10-1, 10-3, 10-5 e 10-7 mol/L-1) e concentrações variáveis de ZnSO4 0,1 mol/L-1.

4. Resultados e Discussão

4.1 Parte 1

Nesse momento foi medida a voltagem da solução com e sem a ponte salina. No momento em que foi retirada a ponte de salina observou-se que a passagem de corrente não acontecia. Isso é explicado pelo fato de a ponte prover a continuidade elétrica na célula.

𝐶𝑢2++2𝑒− →𝐶𝑢0𝐸0=+0,34𝑉
𝑍𝑛0→𝑍𝑛2++ 2𝑒−𝐸0=+0,76𝑉
𝐶𝑢2++𝑍𝑛0 →𝑍𝑛2++𝐶𝑢0𝐸0=+1,10𝑉

Tendo como E0 = +1,10V (ideal), e E0 = +1,08V o valor encontrado nA leitura do voltímetro pode-se calcular o erro relativo:

4.2 Efeito do hidróxido

Ao adicionar o NaOH ao CuSO4 a voltagem diminuiu de 1,08V para 0,79V.

O motivo de a voltagem cair justifica-se pelo fato do hidróxido de sódio reagir com o CuSO4 e o lnQ da equação de Nernst ficar maior do que o comum diminuindo, assim, o resultado final da energia.

4.3 Efeito de íons sulfeto

Inicialmente os seguintes dados foram calculados:

Baseado nos dados pode-se conseguir a concentração de CuSO4 desejada para em seguida medir a voltagem de cada uma. Segue na ordem então:

-7 = 0,81V

E10 Baseando-se na equação de Nernst tem-se:

𝐸10−3=1,04𝑉
𝐸10−5=0,98𝑉

Os valores de encontrados acima são os valores verdadeiro que deveriam ser obtidos pelo voltímetro.

4.4 Relação da concentração com o potencial

A voltagem obtida quando se adicionou K2Ca a ZnSO4 foi maior que a convencional

(a convencional foi de 1,08V e com o acréscimo foi para 1,11V) pois o K2Ca reagiu com o Zn da substancia e o lnQ da equação de Nernst foi menor que o convencional aumentando assim o resultado final da energia.

5. Conclusões

Eletroquímica é o estudo das reações nas quais ocorre conversão de energia química em energia elétrica e vice-versa. Nessa prática pôde observar como ocorre o processo de oxirredução. Compreendendo os produtos formados e as reações envolvidas.

6. Referências Bibliográficas

EDSON A. TICIANELLI,ERNESTO R. GONZALEZ - Eletroquímica: princípios e aplicações, São Paulo: Editora Edusp 1ª ed. p.1.

SILVIA, R.R., Bocchi, N. e Rocha Filho, R.C. – Introdução à química experimental, Mc Graw- Hill, 1990.

ROSENBERG, JEROME L. - Quimica Geral - Colecao Schaum 8ª edição, Bookman Editora, 2003.p32

ATKIS, P., JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman, 2001.

BASTOS, F., Química geral experimental / Ervim Lenzi, Rio de Janeiro, Freitas Bastos Editora, 2004.

MOORE, W.J. Físico-Química. Tradução da 4º edição americana Helena Li Chun (e outros). São Paulo: Edgard Blucher, 2004, p.48.

CONSTANTINO, M. G., da Silva, M. V., Donate, P. M., Fundamentos de química experimental, São Paulo, Editora da Universidade de São Paulo, 2004.

7. Questões

7.1 Explique a função da ponte salina numa pilha.

A ponte salina consiste em um tubo em U cheio de uma solução de cloreto de potássio. Na ponte salina os íons Cl- migram em direção ao ânodo e os íons K+ em direção ao cátodo, à medida que a célula é descarregada.

A ponte salina preenche três funções: Separa fisicamente os componentes eletrólitos, provê a continuidade elétrica (um caminhos contínuo para a migração dos ânions e dos cátions) na célula e reduz o potencial de junção líquida, uma diferença de potencial produzida quando duas soluções diferentes são postas em contato entre si. Esta diferença se origina pelo fato do ânion e do cátion migrarem através da região de contato ou junção liquida, com velocidades diferentes. Se o ânion e o cátion na ponte salina migrarem com velocidades praticamente iguais, o potencial de junção líquida é minimizado, e isto simplifica a interpretação d

7.3 Cite duas pilhas comerciais e suas características.

Pilha seca (pilha de Leclanché)

O recipiente é constituído de zinco, atuando como ânodo.

Há um papelão poroso que separa o zinco dos demais materiais. O eletrodo central é de grafita, e atua como cátodo. Existe uma pasta úmida que fica entre os eletrodos que apresenta ZnCl2 e NH4Cl. O cátodo é envolvido por uma camada de MnO2. A voltagem fornecida por essa pilha é 1,5V.

Ânodo

(s)Zn 2+
(aq) + 2e-

Zn0 Cátodo

Pilha de mercúrio

É um tipo de pilha alcalina que está contida num recipiente feito de aço. Formada por um ânodo de zinco e um cátodo de óxido de mercúrio I (HgO). A solução eletrolítica é uma pasta de KOH e Zn(OH)2.

Ânodo

ZnZn2+ + 2e-
Zn2+ + 2OH-ZnO + H2O

Cátodo

HgO + H2O+ 2e-Hg + 2OH-

Equanção global Zn + Hg ZnO + Hg

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