As Pilhas Eletroquímicas

As Pilhas eletroquímicas são dispositivos criados pelo homem, que transformam a energia liberada numa reação química em energia elétrica. A reação, que ocorre no interior da pilha, deve ser ao mesmo tempo, espontânea e de oxido-redução. Existem várias reações que se encaixam nesse domínio

Figura 1

Figura 2

O conceito

As Pilhas eletroquímicas são dispositivos criados pelo homem, que transformam a energia liberada numa reação química em energia elétrica. A reação, que ocorre no interior da pilha, deve ser ao mesmo tempo, espontânea e de oxido-redução. Existem várias reações que se encaixam nesse domínio.

O grande problema para construir uma pilha é fazer com que a oxidação de uma dada espécie (quase sempre um metal) ocorra num lugar e a redução de outra espécie(quase sempre um cátion) ocorra em outro lugar.Esse é o segredo.Tenha sempre em mente.

O esquema da pilha e sua descrição

Observe com atenção a figura1

O recipiente está dividido em dois compartimentos separados por uma parede porosa que, mais tarde, voltaremos a falar sobre ela.A parede permite que os íons passem de um compartimento para o outro quando eles sofrem atrações elétricas.Isso será discutido mais tarde.

No compartimento à esquerda há uma solução aquosa contendo um composto iônico dissolvido, cujo cátion é A²⁺.Claro que a solução também possui ânions, mas eles não têm importância no momento.Por simplicidade, suponha que o ânion seja Cl^–. Mergulhado parcialmente na solução há o metal A.O conjunto é chamado meia-pilha, ou meia célula A / A²⁺_(aq).

No compartimento da direita temos a meia-célula B / B³⁺_(aq) , que contém o metal B parcialmente mergulhado na solução onde há um composto iônico solúvel do cátion B³⁺.(Os ânions não têm importância por enquanto mas,para efeito de raciocínio,suponha que também seja Cl^–)

OBS.Os cátions em solução podem ter cargas as mais comuns que são +1, +2 ou +3 ( tais como Ag¹⁺ , Zn²⁺ ou Al³⁺). Nesses casos os metais mergulhados seriam, respectivamente ,prata,zinco e alumínio.

Observe novamente a figura e veja que há um fio condutor (que pode ser de cobre) ligando os metais A e B.No meio do caminho representamos uma pequena lâmpada.As setas indicam o movimento de elétrons do metal B para o metal A. A pequena lâmpada acende na passagem da corrente elétrica.

Como funciona a Pilha: Anote os dados abaixo.

1. Os dois metais A e B são chamados, genericamente, de Eletrodos.

1. O eletrodo de onde saem os elétrons (no caso, B) é chamado eletrodo negativo ou Ânodo da Pilha.

1. O eletrodo onde chegam os elétrons (A, no exemplo) é chamado eletrodo positivo ou Cátodo da Pilha.

1. No compartimento de onde saem os elétrons há oxidação do metal (para liberar os elétrons).

1. No compartimento aonde chegam os elétrons há redução do cátion (que consomem os elétrons).

1. Sobre os Potenciais Normais de Redução : E⁰ _{do ânodo} < E⁰ _{do cátodo} .

1. Os elétrons saem do lugar de E⁰ menor para o de E⁰ maior (do ânodo para o cátodo).

1. Sobre a Força Eletromotriz :

FEM = E⁰ (cátodo) – E⁰ (ânodo). Esse é valor inicial, no estado padrão.

À medida que a pilha está funcionando a FEM vai caindo, porque o Potencial de Redução do

cátodo(que tem o maior valor) vai diminuindo enquanto que o Potencial de redução do Ânodo(o de

menor valor) vai aumentando.Se a FEM chegar a ZERO não há mais corrente elétrica.

Para o exemplo genérico acima :

Você deve entender que :

1 – O metal B sofre oxidação : B_(s) B³⁺ + 3 e^– .

2 – O cátion A²⁺ sofre redução : A²⁺ + 2 e^– A

Na equação da reação global (completa) não aparecem elétrons.Para isso multiplicamos a semi-equação de oxidação por 2, e a semi-equação de redução por 2.Somando as duas,os elétrons são cancelados :

3 A²⁺ + 2 B 2 B³⁺ + 3 A

3 – Pelo movimento dos elétrons (de B para A) reconheça que B funciona como Ânodo e que A funciona como Cátodo. Veja que mesmo não tendo sido dados os Potenciais de Redução das duas meias-pilhas, você reconheceu o compartimento anódico e o compartimento catódico.

A reação global descrita acima é espontânea : Entre os dois cátions o oxidante mais forte é A²⁺(1^o membro) e o redutor mais forte entre os metais é B(também no 1^o membro).

Muita atenção !

A reação conduzida da forma descrita,com a oxidação acontecendo num lugar e a redução em outro,permite gerar a corrente elétrica. No entanto,se fizéssemos a adição do metal B diretamente a uma solução que contém o cátion A²⁺, a reação aconteceria (como está descrita,mas) sem produzir a corrente elétrica.No primeiro caso dizemos que acontece uma reação eletroquímica de oxido-redução.No segundo caso temos a reação química de oxido-redução.

Sobre a Parede Porosa (que divide os dois compartimentos)

À medida que a pilha vai operando a concentração dos cátions B³⁺ vai crescendo. Ao mesmo tempo,a concentração do cátion A²⁺ vai diminuindo.Desse modo,no lado esquerdo passa a existir um excesso de Cl^–, enquanto que no lado direito há uma carência desse ânion. Para manter a eletro neutralidade das duas soluções, os ânions Cl^–(neste exemplo) vão migrar do compartimento da esquerda para o da direita.

Você poderia até fazer uma boa ideia disso:

Toda vez que desaparecem 3 cátions A²⁺ no lado esquerdo,surgem dois cátions B³⁺ no outro lado.Assim migram 6 ânions Cl^– do lado esquerdo para o direito.

Muitas vezes, no lugar da parede porosa para separar as duas meias pilhas,emprega-se a chamada Ponte Salina,como mostra a figura seguinte: (Figura 2)

A pilha aqui representada é conhecida pelo nome Pilha de Daniell. Ela é formada pelas meias-pilhas Zn²⁺/Zn e Cu²⁺/Cu.Como os elétrons saem do zinco para o cobre, então já sabemos qual o metal que sofre oxidação(Zn),qual a meia-pilha de menor Potencial de Redução(a de Zinco) e também qual o cátion que sofre redução(Cu²⁺) e a meia-pilha de maior Potencial de Redução (a de cobre).

A oxidação é descrita por Zn Zn²⁺ + 2 e^– ,

A redução é dada por Cu²⁺ + 2e^– Cu

E a reação global é representada por Cu²⁺ + Zn Cu + Zn²⁺ .

Além disso, podemos afirmar que o cátion de cobre é oxidante mais forte do que o cátion de zinco, bem como que o zinco metálico é redutor mais forte do que o cobre metálico.Veja que na reação espontânea o oxidante mais forte e o redutor mais forte encontram-se no primeiro membro.

A Ponte Salina une as duas meias-pilhas.Ela contém uma solução aquosa saturada de um sal, como o sulfato de potássio na figura acima.Durante o funcionamento da pilha a concentração dos íons de zinco vai aumentando ao passo que a dos íons de cobre vai diminuindo.Assim,para manter a eletro neutralidade de cada solução íons sulfato migram para a solução da direita enquanto íons de potássio migram para a solução da esquerda.O sulfato de potássio faz,portanto, uma ponte entre as soluções das duas meias-pilhas.

Pode-se descrever a Pilha de Daniell(e qualquer outra pilha semelhante) pelo esquema abaixo :

Zn / Zn²⁺ // Cu²⁺ / Cu

Onde à esquerda se representa a meia-pilha de Potencial menor(Ânodo) , a dupla barra representa a Ponte Salina e,em seguida, se representa a outra meia-pilha,de Potencial de Redução mais alto(Cátodo).

A Pilha de Daniell (animação).

Quando colocamos uma lâmina de zinco numa solução de sulfato de cobre ocorre uma reação química de oxido-redução onde a energia liberada NÃO é convertida em energia elétrica porque a doação de elétrons(pelos átomos de zinco) e o recebimento de elétrons(pelos cátions de cobre) aconteceu no contato entre os reagentes.Para se obter energia elétrica,como foi dito acima,a doação deve ocorrer num lugar e o recebimento em outro. Assim,veja a montagem inicial:

Dois recipientes,um contendo solução de sulfato de zinco e o metal zinco mergulhado,e o outro com solução de sulfato de cobre, na qual mergulha parcialmente uma lâmina de cobre.A Ponte Salina(faz uma ponte entre as duas meias-pilhas) contém solução saturada de sulfato de sódio. Os elétrons passam da lâmina de zinco para a de cobre fazendo acender a lâmpada.Desse modo o eletrodo de zinco é o ânodo da pilha enquanto o eletrodo de cobre é o cátodo.À medida que a pilha funciona,aumenta a concentração do cátion de zinco enquanto diminui a concentração do cátion de cobre.Os íons da ponte salina migram em sentidos opostos (ânion sulfato para o compartimento anódico e cátion de sódio para o compartimento catódico).Os íons da ponte procuram manter a eletro neutralidade das soluções dos dois compartimentos.

Confira o Vídeo