Células Galvânicas

Teoria Completa

Na eletroquímica, a gente estuda dois processos que ocorrem entre eletricidade e reações químicas:

  • Pilha: Uma reação química gera eletricidade. Essa reação é espontânea e ocorre numa célula galvânica.
  • Eletrólise: A eletricidade força uma reação química não espontânea a acontecer. Esse processo ocorre numa célula eletrolítica.

Agora é a hora de estudar a célula galvânica, pra entender como a eletricidade é gerada em uma pilha química.

A célula galvânica

Se você lê a palavra “célula” e já pensa logo em biologia, esquece! Aqui, a palavra célula se refere a menor estrutura responsável pelo processo de uma pilha.

A gente vinha estudando reações REDOX e vimos que pra um cara se oxidar, outro precisa se reduzir, através de reações de transferência de elétrons. E se essas palavras estão destacadas, é porque são importantes.

Se o cara que sofre redução for ligado a um cara que sofre oxidação através de um fio, os elétrons vão migrar de um para o outro através desse fio. E elétron caminhando em um fio é corrente elétrica.

Mas o bagulho é um pouco mais doido que isso. Pra célula galvânica funcionar direitinho, não basta a reação redox e um fio. Olha aí o esquema dela completinha:

Na semi-célula do Z n , ocorre a reação anódica, a oxidação ( Z n 0 → Z n 2 + + 2 e - ).

Na semi-célula do C u , ocorre a reação catódica, a redução ( C u 2 + + 2 e - → C u 0 ).

O ânodo (placa de zinco) e o cátodo (placa de cobre) são os eletrodos dessa célula.

Os elétrons transferidos do ânodo para o cátodo constituem uma corrente elétrica.

E o que o sulfato está fazendo ali? Dentro de cada “copinho” desses, temos soluções aquosas. A solução do lado direito precisa conter C u 2 + para que este sofra a redução. Esse C u 2 + é colocado na solução por meio de um sal solúvel qualquer. Usamos o C u S O 4 , poderia ser outro ânion aí, ok?

E pra que que serve a ponte salina? Tá vendo que ali naesquerda tem Z n 2 + passando pra solução? Então a solução tá ficando mais positiva. Pra balancear essa carga positiva, alguns ânions sulfatos migram pra lá. Até porque, na direita, com C u 2 + saindo da solução, ficamos com excesso de carga negativa. Ajustando as cargas, a ponte salina prolonga a vida útil da célula galvânica. Se a solução da esquerda ficasse super positiva, ia ficar mais difícil para os íons Z n 2 + passarem para a solução, o que poderia “freiar” as reações de transferência de elétrons.

Mais uma coisa importante: a gente vai ter o consumo do bloco metálico de zinco (afinal ele está passando para a solução na forma de cátion). Então ele vai sofrer uma corrosão. Por outro lado, o bloco de cobre vai aumentar, pois alguns cátion de cobre vão ganhar elétrons e se depositar sobre o eletrodo na forma de cobre metálico. Portanto, o cátodo vai sofrer deposição.

Agora pra não esquecer... nas células galvânicas (pilhas):

  • Ânodo é o polo negativo;
  • Cátodo é o polo positivo;
  • No ânodo ocorre a oxidação (vogal com vogal);
  • No cátodo ocorre a redução (consoante com consoante);
  • Os elétrons vão para o pólo positivo (cátodo);
  • Os ânions migram para o ânodo;
  • Os cátion migram para o cátodo.

Representação

Por incrível que pareça, a gente tenta representar as coisas de forma simples. Então, pra não ter que desenhar todo aquele esquema quando você quiser falar de uma pilha, pode representar ela assim:

â n o d o   | |   c á t o d o

Ou seja, o ânodo, separado do cátodo por uma ponte salina (pode lembrar que está em ordem alfabética, ok). Aí você precisa escrever quem está no ânodo e quem está no cátodo. Pra nossa pilha ali de cima:

Z n 0 | Z n 2 +   | |   C u 2 + | C u o

Pronto pros exercícios de fixação ou vai passar direto pro potencial do eletrodo?

Expandir

Exercício Resolvido #1

IQSC – USP. Lista de Exercícios de Eletroquímica. Questão 04.

Qual a função da ponte salina numa pilha galvânica?

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Passo 1

A função da ponte salina é permitir a migração de íons. Assim, ela ajuda a fazer com que as cargas positivas e negativas em cada solução permaneçam em equilíbrio. Com isso, ela permite o pronlogamento do funcionamento da pilha.

Passo 2

Mas será que a ponte salina é só um “canudinho” oco?

Na verdade não. Até porque íons gostam de nadar em soluções, mas não gostam de voar pelo ar.

Por isso, as pontes salinas geralmente são tubos (tipo canudinho mesmo) contendo soluções concentradas de sais bastante solúveis (tipo K C l , K 2 S O 4 , N H 4 N O 3 ...). Nas extremidades do tubo, coloca-se um material poroso, que permita a passagem dos íons mas dê uma segurada na solução. Pode ser algodão, ágar-ágar (umtipo de gel), entre outros.

O que a gente pode entender, portanto, é que não necessariamente o íon vai sair lá de uma solução, nadar toda a ponte e chegar na outra solução. Ele pode se deslocar até entrar na ponte e um outro íon que já estava na ponte salina, sair na outra extremidade.

E não pense em íons com bracinhos nadando por aí por vontade própria, por que querem coperar para o prolongamento da vida útil da célula galvânica! O que faz com que eles se desloquem são as cargas! Os ânions vão para ânodo porque tem cátion sendo produzindo lá e essa carga positiva atrai ânion. Os cátions vão para o cátodo porque o consumo de cátions lá deixa o meio negativo.

Resposta

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria.

O que migra no circuito interno e no circuito externo de uma pilha? Qual a direção dessas migrações?

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Passo 1

O circuito interno é a ponte salina. Nela os ânions migram para o ânodo e os cátions migram para o cátodo.

Passo 2

O circuito externo é um fio metálico. Nele os elétrons migram do ânodo (polo negativo) para o cátodo (polo positivo).

Resposta

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Dada a pilha abaixo:

F e 0 | F e 2 +   | |   A g + | A g 0

Responda:

a) O que a barra vertical simples representa?

b) O que a barra vertical dupla representa?

c) Qual a reação anódica?

d) Qual a reação catódica?

e) Qual a reação global dessa pilha?

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Passo 1

a) A barra vertical simples ( | ) indica a separação entre fases. Ou seja, enquanto o F e 0 está na fase sólida, o F e 2 + está na fase aquosa. Enquanto o A g + está na fase aquosa, o A g 0 está na fase sólida.

Passo 2

b) A barra dupla ( | | ) indica a presença de uma ponte salina entre as cubas anódica e catódica.

Passo 3

c) Naquele esquema ali de cima, primeiro vem o ânodo, depois o cátodo. Assim, em ordem alfabética.

Então, a reação anódica acontece com o ferro. E como é vogal com vogal, no ânodo a gente tem a oxidação.

Só falta escrever a oxidação do ferro então. Pra passar de NOX 0 pra NOX + 2 , ele perde dois elétrons. Então a reação fica assim:

F e 0 → F e 2 + + 2 e -

Passo 4

d) O cátodo será a prata. E no cátodo ocorre a redução (consoante com consoante).

Ao passar de NOX + 1 para NOX 0 , a prata ganha 1 elétron. Então a reação catódica fica assim:

A g + 1 + 1 e - → A g 0

Passo 5

e) Pra escrever a reação global, precisamos equilibrar o número de elétrons ganhos e perdidos. Fazemos isso multiplicando a reação catódica por dois.

2 A g + 1 + 2 e - → 2 A g 0

Agora, somamos as reações catódica e anódica, chegando a:

Resposta

a) Separação entre fases.

b) Ponte salina.

c) F e 0 → F e 2 + + 2 e -

d) A g + 1 + 1 e - → A g 0

e) F e 0 + 2 A g + 1 → F e 2 + + 2 A g 0

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 527-Teste 13.4A.

Escreva o diagrama de uma célula que tem um eletrodo de hidrogênio, à esquerda e um eletrodo de ferro(II)/ferro(III), à direita. Os dois compartimentos de eletrodos estão ligados por uma ponte salina e platina é usada como condutor em cada eletrodo.

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Passo 1

No diagrama de um célula, na esquerda escrevemos a reação anódica, ou seja, a oxidação. E como é a oxidação do hidrogênio? Ele passar de NOX zero, no gás hidrogênio, para NOX + 1 , no H + .

H 2 ( g ) → 2 H ( a q ) + + 2 e -

Já na direita, temos a redução. A redução que ocorre entre o ferro II e o ferro III é escrita como:

F e ( a q ) + 3 + e - → F e ( a q ) 2 +

Passo 2

O grande detalhe aqui, é que em nenhuma das reações temos um cara sólido, que pode ser usado como aquela “barrinha” imersa na solução sabe? Pra isso que serve a platina, usada como contato elétrico para os eletrodos. No nosso esquema, ela seria aquela barrinha imersa nas soluções, beleza?

E por isso, ela também aparece no diagrama, que fica assim:

P t ( s ) | H 2 g | H a q + | | F e a q 3 + , F e a q 2 + | P t ( s )

Observe que a P t é o aparato sólido nos dois lados! Ela está separada do resto por uma barra assim |, indicando mudança de fase (do sólido pro gasoso ou pro aquoso). Entre o hidrogênio gasoso e o H + tambpem temos uma mudança de fase, indicada por um |. Já entre as espécies de ferro, só uma vírgula mesmo. Nada de barra vertical porque os dois estão na mesma fase.

A barra dupla (||) indica a ponte salinda, beleza?

Resposta

P t ( s ) | H 2 g | H a q + | | F e a q 3 + , F e a q 2 + | P t ( s )

Exercício Resolvido #5

IQSC – USP. Lista de Eletroquímica. Professor Eder. Questão 03.

Para as pihas:

C d s + N i a q 2 + → C d a q 2 + + N i s

N i ( s ) + 2 A g ( a q ) + → N i ( a q ) 2 + + 2 A g ( s )

Indique quais as semi-reações, quais os processos de oxidação e redução e quais o agentes oxidantes e redutores em cada caso. Qual o anodo e qual o catodo. Qual a direção do fluxo de elétrons, no caso de um condutor externo fechando o circuito, e qual a direção dos íons da ponte salina, sendo o nitrato de sódio o eletrólito no primeiro caso e o nitrato de potássio no segundo.

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Passo 1

Para a primeira reação:

  • Semi-reação de oxidação: o C d 0 perde dois elétrons, formando C d 2 + . Com isso, o eletrodo de cádmio é corroído.
  • C d ( s ) → C d ( a q ) 2 + + 2 e -

  • Semi-reação de redução: o N i 2 + ganha dois elétrons, formando N i 0 . Portanto, o eletrodo de níquel sofre deposição.
  • N i ( a q ) 2 + + 2 e - → N i ( s )

  • O agente oxidante é aquele que sofre redução: N i ( a q ) 2 +
  • O agente redutor é aquele que sofre oxidação: C d ( s )
  • Anodo é onde ocorre a oxidação: eletrodo de cádmio.
  • Catodo é onde ocorre a redução: eletrodo de níquel.
  • Os elétrons migram em direção ao cátodo (+). Portanto, saem do cádmio para o níquel.
  • Na ponte salina contendo N a N O 3 : o N a ( a q ) + (cátion), migra para o catodo e o N O 3 ( a q ) - (ânion) migra para o anodo.
  • Passo 2

    Para a segunda reação:

  • Semi-reação de oxidação: o N i 0 perde dois elétrons, formando N i 2 + . Com isso, o eletrodo de níquel é corroído.
  • N i ( s ) → N i ( a q ) 2 + + 2 e -

  • Semi-reação de redução: o A g + ganha um elétron, formando A g 0 . Portanto, o eletrodo de prata sofre deposição.
  • A g ( a q ) + + e - → A g ( s )

    Obs: embora na reação global essa semi-reação apareça multiplicada por dois, aqui a gente escreve ela assim, ok? Com os menores coeficientes inteiros possível!

  • O agente oxidante é aquele que sofre redução: A g ( a q ) +
  • O agente redutor é aquele que sofre oxidação: N i ( s )
  • Anodo é onde ocorre a oxidação: eletrodo de níquel.
  • Catodo é onde ocorre a redução: eletrodo de prata.
  • Os elétrons migram em direção ao cátodo (+). Portanto, saem do níquel para a prata.
  • Na ponte salina contendo K N O 3 : o K ( a q ) + (cátion), migra para o catodo e o N O 3 ( a q ) - (ânion) migra para o anodo.

Resposta

Primeira reação:

Semi-reação de oxidação: C d ( s ) → C d ( a q ) 2 + + 2 e -

Semi-reação de redução: N i ( a q ) 2 + + 2 e - → N i ( s )

Agente oxidante: N i ( a q ) 2 +

Agente redutor: C d ( s )

Anodo: eletrodo de cádmio.

Catodo: eletrodo de níquel.

Elétrons migram em direção ao cátodo (+).

N a ( a q ) + migra para o catodo e o N O 3 ( a q ) - migra para o anodo.

Segunda reação:

Semi-reação de oxidação: N i ( s ) → N i ( a q ) 2 + + 2 e -

Semi-reação de redução: A g ( a q ) + + e - → A g ( s )

Agente oxidante: A g ( a q ) +

Agente redutor: N i ( s )

Anodo: eletrodo de níquel.

Catodo: eletrodo de prata.

Elétrons migram em direção ao cátodo (+).

K ( a q ) + migra para o catodo e o N O 3 ( a q ) - migra para o anodo.

Exercício Resolvido #6

James E. Brady e Gerard E. Humiston Volume 2, 2ª edição: Livros Técnico Científicos Editora. página 636 exercício 17.24

Como se pode, experimentalmente, identificar qual eletrodo é anodo e qual é o catodo numa pilha galvânica?

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Passo 1

Definição de catodo e ânodo.

Cátodo é a região em que ocorre a redução

Ânodo é a região em que acontece a oxidação.

Passo 2

Buscar evidencias de uma reação ou da outra

Estando a reação em processamento deveríamos buscar evidencias que aponte para a redução ou oxidação das espécies envolvidas. Em pilhas clássicas verificaríamos o aumento de massa em um eletrodo que seria devido a deposição metálica decorrente da redução, enquanto que a oxidação levaria a perda de massa no outro eletrodo.

Resposta

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Na seguinte célula galvânica:

Indique como ocorrerá o funcionamento dessa pilha visto que não há a ponte salina.

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Passo 1

Ponte salina

A ponte salina permite o fluxo de íons entre os eletrodos mantendo a neutralidade de cada eletrodo, fornecendo cátions para o cátodo e ânions para o ânodo. Na parede porosa haverá fluxo dos íons das soluções de um lado para o outro mantendo a neutralidade de ambos os eletrodos. Os íons Cu+2 formados na direita poderão migrar para a esquerda, assim como o excesso de ânions do lado direito poderá migrar para o lado esquerdo por através da parede porosa.

Cátodo é a região em que ocorre a redução

Ânodo é a região em que acontece a oxidação.

Passo 2

Buscar evidencias de uma reação ou da outra

Estando a reação em processamento deveríamos buscar evidencias que aponte para a redução ou oxidação das espécies envolvidas. Em pilhas clássicas verificaríamos o aumento de massa em um eletrodo que seria devido a deposição metálica decorrente da redução, enquanto que a oxidação levaria a perda de massa no outro eletrodo.

Resposta

Exercício Resolvido #8

James E. Brady e Gerard E. Humiston Volume 2, 2ª edição: Livros Técnico Científicos Editora. página 636 exercício 17.2

Por que deve ocorrer a oxirredução, a fim de manter um fluxo constante de eletricidade, durante a condução eletrolítica?

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Passo 1

condução eletrolítica?

É a condução de eletricidade feita por soluções que apresentes solutos iônicos. Vale lembrar que a água pura não é capaz de conduzir corrente elétrica então a presença dos íons é fundamental para manter a condutividade elétrica de soluções aquosas.

Passo 2

E as reações?

Quando há condução de eletrolítica, ocorrem reações químicas à medida que os íons da solução entram em contato com os eletrodos. No eletrodo positivo os íons de carga negativa que são atraídos acabam perdendo os seus elétrons, sendo oxidados. Já no eletrodo de carga negativa os cátions que se aproximam dele recebem elétrons, logo são reduzidos. Aí a condução elétrica acontece enquanto houver as reações químicas, caso os eletrólitos, os solutos iônicos da solução sejam esgotados a condução elétrica chega ao seu fim.

Resposta

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