Vídeo Aula #167: Cálculo da DDP de uma Pilha

Vídeo Aula #166: Força Eletromotriz

Vídeo Aula #165: Representação de uma Pilha

Vídeo Aula #164: Eletroquímica - Pilhas

Vídeo Aula #163: Introdução a Eletroquímica

Vídeo Aula #103: Eletroquímica - Pilhas

Condutores e Isolantes - Semicondutores

A condutividade elétrica baseia-se no fato de os elétrons da última camada de cada átomo terem facilidade em saltar entre átomos vizinhos (funções de onda comuns).

Para entender melhor o que é um semicondutor, é importante ter claro em mente a idéia de condutor e isolante.

Vamos ver o que acontece quando diferentes materiais são atritados com um tecido de lã e depois aproximados a um outro bastão móvel de vidro previamente eletrizado positivamente.

O plástico move o bastão de vidro. Isso prova que ele, após o atrito, se carrega. O metal, porém, não exerce nenhuma força sobre o vidro. Isso nos mostra que ele não permanece eletrizado.

Através desta experiência, vemos que as cargas fornecidas ao metal (pelo atrito) conseguem fluir por este "escapando" pelo corpo da pessoa que o segura e as cargas fornecidas ao plástico não.

Conclui-se, então, que o metal é um bom condutor de eletricidade, pois deixou as cargas escaparem. E o plástico é um mau condutor pois nele as cargas não se moveram.

Condutores

O que caracteriza o material bom condutor é o fato de os elétrons de valência (por exemplo, o cobre possui um elétron na última camada) estarem fracamente ligados ao átomo, podendo ser facilmente deslocados do mesmo. Ora, consideremos, por exemplo, uma barra de cobre que possui um número extremamente elevado de átomos de cobre e apliquemos uma diferença de potencial entre os extremos desta barra. Os elétrons da camada de valência de todos os átomos facilmente se deslocarão sob a ação do campo elétrico produzido pela diferença de potencial aplicada, originando-se uma corrente elétrica no material.

Outros materiais que possuem uma constituição semelhante à do cobre, com um único elétron na camada de valência, são o ouro e a prata, dois outros excelentes condutores de eletricidade.

Isolantes

Obviamente, os materiais isolantes devem corresponder aos materiais que apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados aos seus átomos. Entre os próprios elementos simples, existem vários que apresentam os elétrons de valência rigidamente ligados aos átomos. Entretanto, verifica-se que se consegue uma resistividade muito maior com substâncias compostas, como é o caso da borracha, mica, teflon, baquelite etc. (é mais ou menos intuitivo que os átomos se combinam, formando estruturas complexas, os elétrons ficam mais fortemente ligados a estas estruturas)

A resistividade dos semicondutores

Todo material, seja ele isolante ou condutor apresenta uma resistividade, ou seja, resistência ao fluxo de corrente. Essa resistividade é o oposto da condutividade: quanto maior a resistividade, menor a condutividade.

Usa-se o termo resistividade quando se quer comparar níveis de resistência dos materiais. A unidade de resistividade de um material é o ohm-m ou ohm-cm. 

Semicondutores

Assim como existem materiais condutores e materiais isolantes, existe um tipo de material que é um meio termo entre esses dois primeiros. Esse material é o semicondutor.

O semicondutor, portanto, possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.

Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção atualmente. Seu comportamento se deve à sua ligação química, chamada ligação covalente (por compartilhar elétrons).

Cada átomo do silício se liga a quatro átomos vizinhos através da ligação covalente, ou seja, pares de elétrons (da última camada do Si) são compartilhados entre dois átomos. Os elétrons das camadas internas giram em torno do núcleo.

Um fato importante é que tanto o germânio como o silício apresentam exatamente o mesmo tipo de estrutura que o diamante, variando apenas a dimensão (constante da rede).

Fonte:http://www.coladaweb.com/quimica/eletroquimica/condutores-e-isolantes-semicondutores

Gênios da Química #16: Fritz Haber

 

Químico alemão, vencedor do Prêmio Nobel da Química de 1918, pela síntese da amônia a partir dos seus elementos. Fritz Haber nasceu em Breslau a 9 de Dezembro de 1868 e morreu em Basileia, Suiça, a 29 de Janeiro de 1934.
Estudou em Berlim, Heidelberg, Charlottenburg e Karlsruhe. Ensinou Química na Escola Superior Técnica de Karlsruhe até 1911, data em que foi para Berlim, primeiro como professor de Química-física na Universidade de Berlim e mais tarde como diretor do Instituto para Química-Física Kaiser Wilhelm.
A investigação feita por Haber (1905-1911) do equílibrio entre o nitrogênio, hidrogénio e amónia possibilitou-lhe estabelecer a temperatura e pressão exatas, bem como o catalisador que optimizava a formação da amônia. A amônia assim produzida podia ser transformada em ácido nítrico por oxidação, usando o processo de Ostwald. Este ácido tinha por fim a fabricação de explosivos de nitrato e fertilizantes.
Carl Bosh desenvolveu as etapas industriais para o processo de Haber. A perfeição do processo de Haber-Bosh encorajou a Alemanha a entrar na Primeira Guerra Mundial. Durante a guerra Haber chefiou a guerra química e dirigiu o primeiro ataque com gás cloro em Ypres (1915). O regime de Hitler ordenou que se exilasse devido à sua ascendência judaica.
Haber investigou também a termodinâmica de reações gasosas, a eletroquímica (especialmente a redução eletrolítica do nitrobenzeno), a composição de chamas e explosões de gás. 

Fonte:http://www.grupoescolar.com/pesquisa/fritz-haber-18681934.html

Saiba Mais no GrupoEscolar.com: http://www.grupoescolar.com/pesquisa/fritz-haber-18681934.html

Produção de Alumínio por Eletrólise

O alumínio é um metal bastante utilizado em estruturas e em objetos em vários setores da sociedade, tais como na construção civil, nos transportes (como em carrocerias de automóveis, embarcações, fuselagens de aviões e em aros de bicicletas), em eletroeletrônica, na indústria petroquímica e metalúrgica, em tampas de iogurte, frigideiras, papel alumínio e assim por diante.

Ele tem essa ampla aplicação devido às suas propriedades, como baixa densidade, elevada resistência mecânica e à corrosão. Além disso, ele é muito usado em ligas metálicas, tais como o duralumínio (95,5% de alumínio, 3% de cobre, 1% de manganês e 0,5 de magnésio).

No entanto, o alumínio não aparece na sua forma elementar (Aℓ_(s)) na natureza, apenas combinado com outros elementos formando compostos como os minérios. O principal minério que possui o alumínio é a bauxita, que contém óxido de alumínio hidratado (Aℓ₂O₃ . x H₂O) e diversas impurezas. A foto abaixo mostra o minério bauxita natural e tubos feitos de alumínio metálico:

O processo que era feito antigamente para obter o alumínio a partir da alumina (Aℓ₂O₃) da bauxita era caro e ineficiente. Além do mais, a alumina possui ponto de fusão em cerca de 2 000 ºC, uma temperatura muito elevada.

Mas, em 1886, o americano Charles M. Hall e o francês Paul Héroult desenvolveram de modo independente um método que é usado até hoje para se produzir o alumínio a partir da alumina. Esse método, que se dá por meio da eletrólise, é chamado de Processo de Hall-Héroult, ou, simplesmente, Processo de Hall, visto que Charles M. Hall o patenteou.

Eles descobriram que a criolita (Na₃AℓF₆) atua como fundente da alumina, isto é, a criolita consegue baixar o ponto de fusão da alumina a cerca de 1000 ºC. Assim, o processo de Hall-Héroult consiste em colocar a mistura fundida da alumina com a criolita (Aℓ₂O₃ + Na₃AℓF₆) num recipiente feito de ferro ou de aço (liga metálica cujo principal constituinte é o ferro), com eletrodos de carbono (pode ser de carvão ou de grafite) mergulhados nessa mistura. Visto que está fundida, a mistura líquida contém os íons Aℓ³⁺_(ℓ) e O^2-_(ℓ)  livres.

2 Aℓ₂O_{3(ℓ) →} 4 Aℓ³⁺_(ℓ) + 6 O^2-_(ℓ)

O recipiente de aço atua como cátodo, ou seja, como polo negativo, onde ocorre a redução dos cátions do alumínio:

Semirreação do cátodo: 4 Aℓ³⁺_(ℓ) + 12 e^- → 4 Aℓ_(ℓ)

Esse alumínio formado permanece no estado líquido, porque o seu ponto de fusão é menor que o da mistura “criolita+alumina”, sendo igual a 660,37 ºC. Porém, visto que sua densidade é maior que a densidade da mistura, ele desce para o fundo do recipiente, onde é coletado por escoamento.

Depois o alumínio fundido é colocado em moldes, nos quais se solidifica.

Os eletrodos de carbono atuam como ânodos, polos positivos onde há a oxidação dos ânions oxigênio:

Semirreação do ânodo: 6 O^2-_(ℓ)  → 12 e^- + 3 O_2(g)

Esse gás oxigênio formado reage com o carbono do eletrodo e forma o gás carbônico (CO_2(g)):

3 O_2(g)  + 3 C_(s) → 3 CO_2(g)

Desse modo, a equação global que ocorre nesse processo é dada por:

Fonte:http://www.mundoeducacao.com.br/quimica/producao-aluminio-por-eletrolise.htm

A Eletroquímica e a Pilha

 

Para melhor entender a eletroquímica, vamos recordar algo sobre oxidação e redução.

• Oxidação: Quando uma espécie química perde elétrons na reação.
  
• Redução: quando uma espécie química recebe elétrons na reação.
  

A Série da Reatividade Química
Analisando em conjunto os resultados obtidos na seqüência anterior de experiências verificamos que existe uma determinada ordem para que a reação ocorra, isto é, não basta simplesmente juntar duas espécies químicas: um metal e uma solução. A natureza impõe condições para que haja reação entre um determinado par de metal/catíon.
Nas experiências que descrevemos, observamos que:

• Al cede elétrons ao Zn ;
  
• Zn cede elétrons ao Cu ;
  
• Cu não cede elétrons ao Zn .

Podemos dispor esses metais em uma seqüência que indique a preferência em ceder elétrons, ou, como é chamada, uma série de reatividade química.

Pilha

Pilha é qualquer dispositivo no qual uma reação de oxirredução espontânea produz corrente elétrica.
Cátodo é o eletrodo no qual há redução (ganho de elétrons). É o pólo positivo da pilha.
Ânodo é o eletrodo no qual há oxidação (perda de elétrons). É o pólo negativo da pilha.
Os elétrons saem do ânodo (pólo negativo) e entram no cátodo (pólo positivo) da pilha.

Pilhas comerciais
    * Pilha seca comum (Leclanché)
    * Pilha alcalina comum
    * Pilha de mercúrio
    * Bateria de níquel-cádmio
    * Bateria de chumbo
    * Pilha de combustível
Representação convencionada pela IUPAC
Ânodo/Solução do ânodo//Solução do cátodo/Cátodo
Exemplo: Pilha de Daniell: Zn/Zn²⁺//Cu²⁺/Cu

Eletrodo padrão

Eletrodo padrão é aquele no qual as concentrações das substâncias em solução é igual a 1 mol/L e a temperatura é de 25°C.
No caso de um gás participar do eletrodo, sua pressão deve ser igual a 1 atm.
Por convenção, o potencial padrão de eletrodo do hidrogênio é igual a zero e o seu potencial padrão de redução é igual a zero:

2H⁺ + 2e^-  ⇒  H₂  

E⁰_red = 0 (convenção)

A IUPAC eliminou o termo potencial de oxidação. Sempre deve ser usada a expressão potencial de redução.

A medida do potencial padrão de redução de um dado eletrodo padrão é feita medindo-se a ddp de uma pilha padrão na qual uma das semipilhas é um eletrodo padrão de hidrogênio e a outra é o eletrodo padrão cujo E⁰_red se quer medir.

• Quanto maior for o E⁰_red, mais fácil será a redução e mais forte será o oxidante.
  
• Quanto menor for o E⁰_red, mais difícil será a redução e mais fraco será o oxidante.
  
• Quanto maior for o E⁰_red, mais difícil será a oxidação e mais fraco será o redutor.
  
• Quanto menor for o E⁰_red, mais fácil será a oxidação e mais forte será o redutor.
  
  

Corrosão

Corrosão do ferro

Reação global: 2Fe + 3/2O2 + xH2O  ⇒

Fe2O3 · xH2O Ferrugem

Proteção contra a corrosão
* Ferro galvanizado (ferro revestido de zinco)
* Lata (ferro revestido de estanho)
* Ferro com plaquetas de Zn ou Mg presas na superfície e que funcionam como eletrodo de sacrifício

Eletrólise

Eletrólise é uma reação de oxirredução não-espontânea produzida pela passagem da corrente elétrica.
Cátodo da cela eletrolítica é o eletrodo negativo, isto é, ligado ao pólo negativo do gerador. Nele ocorre sempre uma reação de redução.
Ânodo da cela eletrolítica é o eletrodo positivo, isto é, ligado ao pólo positivo do gerador. Nele sempre ocorre uma reação de oxidação.

	Pólo Positivo	Pólo Negativo
Pilha	Cátodo	ânodo
Célula Eletrolítica	ânodo	Cátodo

Na eletrólise em solução aquosa de sais de metais alcalinos (Na⁺, K⁺...), alcalino-terrosos (Ca²⁺, Ba²⁺...) e de alumínio (Al³⁺), a descarga no cátodo não é a dos respectivos cátions, mas ocorre segundo a equação:

2H₂O + 2e^- ⇒ H₂ + 2(OH)^-

Nas eletrólises em solução aquosa e com ânodo inerte (Pt ou grafite) de sais oxigenados (SO₄^2-, NO₃^-, PO₄^3-...) não há a descarga dos respectivos ânions oxigenados, mas ocorre a descarga segundo a equação:

H₂O ⇒ 2H⁺ + ½O₂ + 2e^-

O ânion F^-, embora não seja oxigenado, comporta-se como os ânions oxigenados em relação à descarga no ânodo.

Nas eletrólises em solução aquosa com ânodo de metal não-inerte M (prata ou metal mais reativo que a prata), a descarga que ocorre no ânodo é segundo a equação:

M ⇒ M ^x+ + xe^-

Ag ⇒ Ag⁺ + e^- 

Cu ⇒ Cu²⁺ + 2e^-

Purificação eletrolítica do cobre - Faz-se a eletrólise de CuSO₄ em solução aquosa usando como cátodo um fio de cobre puro e como ânodo um bloco de cobre impuro. Nesse processo, precipita a lama anódica que contém impurezas de Au, Ag, Pt, etc., da qual são posteriormente extraídos esses metais.

Galvanoplastia - Douração, prateação, niquelação, cromeação, etc., feitas por via eletrolítica.

Aplicações da eletrólise  

• Obtenção de metais (Al, Na, Mg)
• Obtenção de NaOH, H₂ e Cl₂
• Purificação eletrolítica de metais
• Galvanoplastia

Equação Geral da Eletrólise

São duas: M = kEQ e m = eQ

96500C = m = 1E

1C = m = 1e

Fonte: http://www.coladaweb.com/quimica/eletroquimica/eletroquimica-e-pilha

Exercício de Eletroquímica

Vídeo Aula #6: Eletroquímica

Eletroquímica #2

Mecanismos

Para entender-se os processos químicos envolvidos, estabeleceremos as reações químicas da pilha de Volta e de Daniell.

Sendo catodo o eletrodo positivo, e sendo o eletrodo onde ocorre a redução, ocorre ganho de elétrons. O anodo sendo o eletrodo negativo, é o eletrodo onde ocorre oxidação, ocorrendo perda de elétrons.

As semi-equações das reações que ocorrem:

Cu²⁺ + 2 e^- → Cu_(s)

o íon cobre (Cu²⁺) da solução é reduzido pelos dois elétrons, por 2 e^-, que são providos pela corrente elétrica.

Zn_(s) → Zn²⁺ + 2 e^-

o zinco metálico é oxidado, formando íon zinco (Zn²⁺) e há a liberação de dois elétrons, 2 e^-. Estes elétrons liberados serão os responsáveis pela geração da corrente elétrica do sistema (no caso, a pilha).

Cu²⁺ + 2 e^- → Cu⁰

Zn⁰ → Zn²⁺ + 2 e^-

______________________

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Com o prosseguimento da reação, ocorrerá formação de cobre metálico, que se deposita no eletrodo de cobre, em sua superfície, enquanto o eletrodo de zinco é corroído, pois o zinco estará se transformando em íons que passarão para a solução de sulfato de zinco.

A pilha de Daniell pode ser escrita por:

Zn⁰ + Cu²⁺_(aq) → Zn²⁺_(aq) + Cu⁰

ou, de uma forma mais esquemática, que pode ser adaptada à diversas pilhas, com diversos eletrodos metálicos:

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

onde, || representa a ponte salina.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletroqu%C3%ADmica

Eletroquímica #1

A Eletroquímica é um ramo da química que estuda reações químicas que ocorrem em uma solução envolvendo um condutor (um metal ou um semicondutor) e um condutor iônico (o eletrólito), envolvendo trocas de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito.

Este campo científico abrange todos os processos químicos que envolvam transferência de elétrons entre substâncias, logo, a transformação de energia química em energia elétrica. Quando tal processo ocorre, produzindo transferência de elétrons, produzindo espontaneamente corrente elétrica quando ligado a um circuito elétrico, ou produzindo diferença de potencial entre dois polos, é chamado de pilha ou bateria (que muitas vezes é formada de diversas células). Quando tal processo é proporcionado, induzido, pela ação de uma corrente elétrica de uma fonte externa, este processo é denominado de eletrólise.

História

A primeira pilha eletroquímica foi criada em 1800, por Alessandro Volta, que utilizou discos (chamados de eletrodos) alternados de cobre e zinco, separadas por algodão embebido em solução salina. O nome "pilha" advém da sobreposição dos diversos discos de metal e algodão.

John Frederic Daniell, em 1836, construiu uma pilha com, eletrodos de cobre e zinco, mas cada eletrodo ficava em uma célula individual, possuindo um tubo, chamado de "ponte salina", que ligava as duas cubas, aumentando sua eficiência. Este tipo de dispositivo passou a ser chamado de pilha de Daniell.

Descrição

Os elementos envolvidos em uma reação eletroquímica são caracterizados pelo número de elétrons que têm. O número de oxidação de um íon é o número de elétrons que este aceitou ou doou quando comparado com seu estado neutro (que é definido como tendo número de oxidação igual a zero). Se um átomo ou íon doa elétrons em uma reação, seu número de oxidação aumenta, se aceita um elétron seu número diminui.A perda de elétrons de uma substância é chamada oxidação, e o ganho é conhecido como redução.

Uma reação na qual ocorrem oxidação e redução é chamada de reação redox.

Para uma reação ser considerada eletroquímica, deve envolver passagem de corrente elétrica em uma distância finita maior que a distância interatômica.

Uma reação eletroquímica é uma reação redox que ocorre com a simultânea passagem de corrente entre dois elétrodos.

A corrente que circula no meio reacional pode ter duas origens:

    No próprio meio, quando então tem-se uma pilha eletroquímica.

    Gerada por uma fonte elétrica externa, quando então tem-se uma célula eletrolítica

Em ambos os casos, tem-se sempre dois elétrodos:

    Ânodo: elétrodo para onde se dirigem os ânions ou, alternativamente, onde se formam cátions. Nesse elétrodo sempre ocorre corrosão, com conseqüente perda de massa, e sempre ocorre oxidação dos ânions ou, alternativamente a formação dos cátions a partir do metal do elétrodo (quando então tem-se também uma oxidação).

    Cátodo: elétrodo para onde se dirigem os cátions. Nesse elétrodo ocorre sempre depósito, e também redução dos cátions.

No estudo dos células eletroquímicas (pilhas ou células eletrolíticas) mediante a termodinâmica, faz-se uso de uma abordagem de equilíbrio - a corrente que passa pela célula é infinitesimal, a reação ocorre mediante pequenas passagens de carga pelos elétrodos (pela lei da conservação da carga a carga que entra por um elétrodo é a mesma que sai pelo outro).

Nesse caso, a célula se caracteriza por uma força eletromotriz ou f.e.m. (ε). Na prática pode-se dizer que consiste numa diferença de potencial em circuito aberto. Essa diferença de potencial é função de fatores tais como concentração dos reagentes, solvente, temperatura e, em muitíssima menor contribuição, a pressão.

No meio reacional, os íons tem geralmente diferentes "velocidades", que normalmente são baixas, devido a viscosidade que eles têm de vencer. Para se medir tais "velocidades", define-se a mobilidade de um íon. A mobilidade iônica (u) de um íon consiste na sua velocidade na direção do campo elétrico de intensidade unitária, e tem unidades m s-1/V m-1 ou, simplesmente m2 s-1 V-1.

Por outro lado, em regiões próximas aos elétrodos, a cinética toma outras feições, já que então depende de fenômenos de superfície, o que forçosamente envolve a noção de energia superficial.

De qualquer modo, os íons movimentam-se e sofrem oxirredução sempre envoltos em algumas camadas de solvente, ou seja, estão sempre solvatados. Essa é a razão principal pelo qual os íons se movimentam com dificuldade.

A solvatação é determinada, em grande parte, por dois fatores: a carga do íon e seu raio. Como o jogo de interações múltiplas entre os íons é muito complexo, faz-se uso de simplificações, principalmente quando se admitem grandes diluições.

De outro modo, a noção de concentração não é inteiramente útil, no sentido de que não mede diretamente o que acontece. Como sofrem múltiplas interações, elas se somam de forma complexa, em grandes concentrações. Então é mais conveniente usar o conceito de atividade.

No caso de uma célula eletroquímica, em função da complexidade dessas interações, não segue necessariamente a lei de Ohm. Ou seja, a corrente elétrica não é proporcional à tensão elétrica aplicada à célula.

Uma pilha útil é aquela na qual o potencial gerado tem alguma vantagem sobre o custo da pilha. Para obter-se um bom potencial, é necessário que a diferença entre os potências do ânodo e do cátion seja grande: o agente redutor deve ter potencial negativo e o oxidante deve ter potencial positivo.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletroqu%C3%ADmica