Conceito de Células Electroquímicas
A eletroquímica é a parte da química que
estuda a relação entre a corrente elétrica e as reações de transferência
de eletrões (reações de oxirredução).
As células eletroquímicas, também
designadas por pilhas, são definidas como dispositivos capazes de
transformar energia química em energia elétrica por meio de reações
espontâneas de oxirredução.
As baterias também realizam este mesmo
processo, no entanto existem diferenças entre as pilhas e as baterias.
As pilhas possuem apenas um eletrólito
(solução condutora de iões, também denominada por ponte salina) e dois
elétrodos enquanto que as baterias são compostas por várias pilhas
agrupadas em série ou em paralelo. Por outras palavras, o termo bateria
é reservado para a associação de duas ou mais pilhas. É o caso, por
exemplo, da bateria de um automóvel, que corresponde à associação de
várias pilhas iguais, que fornece uma voltagem maior do que aquela que
uma só das pilhas presentes no seu interior seria capaz de fornecer.
Numa pilha ocorrem sempre reações de
oxirredução.
Os componentes presentes numa pilha são:
- Dois elétrodos: o ânodo e o cátodo
O ânodo é o polo negativo, sofre oxidação
porque perde eletrões e é o agente oxidante.
O cátodo é o polo positivo, sofre redução
uma vez que ganha eletrões e é o agente redutor.
Numa pilha, os agentes oxidante e redutor
são mantidos em compartimentos separados. Cada compartimento é
denominado por semicélula eletroquímica.
-Uma solução eletrolítica
A solução eletrolítica presente numa pilha
também é chamada de ponte salina e tem a finalidade de manter as duas
semicélulas eletricamente neutras através da migração de iões.
- Um fio metálico externo
Por meio do fio metálico, os elétrodos são
ligados e ocorre a transferência de eletrões.
Uma maneira prática de representar o
esquema de uma pilha é através de um diagrama:
Ânodo // Cátodo
Oxidação // Redução
A
à Ax+
+ xe- // Bx+ + xe-
à
B
O símbolo // representa a ponte salina.
Considerando um exemplo prático: A pilha
de Daniell.
Através da conhecida pilha de Daniell
obtém-se corrente elétrica a partir da reação de oxidação do zinco e
redução dos iões cobre (II), em solução aquosa.
Para montar a pilha coloca-se uma solução
de sulfato de cobre (CuSO4) num copo e mergulha-se, nessa
solução, uma placa de cobre.
Num outro copo, coloca-se uma solução de
sulfato de zinco (ZnSO4) e mergulha-se uma placa de zinco.
Depois ligam-se as soluções por meio de
uma ponte salina que pode ser um tubo contendo uma solução eletrolítica
com iões K+(aq) e SO42-(aq)
ou uma placa de porcelana porosa.
Por fim, ligam-se as placas metálicas por
meio de um fio de cobre com um voltímetro que irá indicar a passagem de
corrente elétrica.
Com o tempo, o zinco metálico (Zn(s))
oxida-se, perdendo os seus eletrões que serão transferidos para a placa
de cobre. Consequentemente, o cobre reduz-se recebendo os eletrões.
Portanto, o zinco é o ânodo e o cobre é o
cátodo.
As semirreações que ocorrem em cada
semicélula podem ser representadas da seguinte maneira:
Ânodo (-):
Zn (s) à
Zn2+(aq) + 2e- (semirreação de
oxidação)
Cátodo (+):
Cu2+(aq) + 2e-
à
Cu(s) (semirreação de redução)
A soma das duas reações de semirredução
resulta na reação global, sendo esta:
Reação
Global: Zn(s)
+ Cu2+(aq)
à
Zn2+(aq) + Cu(s)
É de notar que todos os eletrões
provenientes da oxidação estão envolvidos na redução, havendo
conservação dos eletrões e, consequentemente, da carga elétrica total do
sistema.
Representando a pilha de Daniell através
do diagrama de uma pilha obtém-se:
Zn(s) | Zn2+(aq)
// Cu2+(aq) | Cu(s)
Fazendo uma explicação do esquema tem-se
que primeiro representa-se o ânodo separando por uma barra a espécie que
se oxida da espécie resultante da oxidação. Depois tem-se o símbolo //
que representa a ponte salina. Seguidamente, representa-se o cátodo
separando por uma barra a espécie que se reduz da espécie resultante da
redução.
Como curiosidade, a primeira pilha
elétrica foi desenvolvida por Giuseppe Antonio Anastasio Volta
(1745-1827), a partir da divulgação de resultados da pesquisa de Luigi
Galvani (1737-1798).
Galvani observou contrações musculares nas
pernas de rãs mortas, quando o metal onde estavam penduradas (cobre)
entrava em contacto com um suporte de ferro.
Ele interpretou o fenómeno como
“eletricidade de origem animal”, isto é, os músculos armazenavam
eletricidade e os nervos conduziam-na.
Volta, inicialmente, repetiu e confirmou
as experiências de Galvani. Contudo, com o avanço das suas investigações
sobre o tema, acabou propondo outra interpretação para os fenómenos
observados.
Segundo ele, a origem da eletricidade era
externa, resultando do contacto entre os dois metais distintos. A rã
reagia a essa eletricidade metálica como reagiria a outras formas de
eletricidade externa.
Para provar a sua hipótese, Volta
construiu a primeira pilha elétrica, um dispositivo contendo discos de
dois metais distintos, zinco e prata, intercalados e separados por um
papelão humedecido com solução salina, capaz de gerar corrente elétrica,
a qual era conduzida por fios metálicos ligados às extremidades da
“pilha” de discos.
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