Eletroquímica: pilha de Daniel (teoria e exercícios)

A compreensão de como reações químicas produzem eletricidade e vice-versa é fundamental para fazer uma boa prova do ENEM. Começaremos a falar sobre a Pilha de Daniel.

PILHA DE DANIELL

Vamos relembrar alguns conceitos importantes: oxidação e redução

O oxidante ganha elétrons e se reduz, e o redutor perde elétrons e se oxida. A oxidação, portanto, corresponde à perda de elétrons, e a redução, ao ganho de elétrons.

Essas conclusões são válidas quando estão envolvidos apenas íons simples. É o caso do nosso exemplo. Na maior parte das vezes, a modificação do número de oxidação não se deve a uma transferência de elétrons, mas sim a uma modificação na estrutura das substâncias. Veja, por exemplo, o caso da reação:

Cada manganês, ao ter alterado seu número de oxidação +7 para +2, abandona a estrutura MnO₄^-, passando a Mn²⁺. Cada carbono, ao passar de +3 para +4, deixa a estrutura C₂O₄^2-, passando à estrutura CO2.

Nesse caso, apesar de a variação do número de oxidação ocorrer como conseqüência de modificações estruturais, é prático considerar que houve “ganho” e “perda” de elétrons. O manganês, ao passar de +7 para +2, comportou-se como se tivesse “ganho” cinco elétrons, fato altamente improvável, já que a transferência de mais de três elétrons é muito difícil. O carbono, por sua vez, ao passar de +3 para +4, comportou-se como se tivesse “perdido” um elétron.

Ao adotar a transferência de elétrons, admitindo “ganho” ou “perda”, estamos fazendo uma simplificação útil e prática.

Uma reação de oxirredução é aquela onde ocorre oxidação e redução.

Observe a seguinte reação química de oxirredução:

Esta reação pode ser feita muito facilmente colocando um pedaço de zinco metálico (Zn°) em um copo com uma solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO4), que é um líquido azul translúcido. Após alguns tempo, cerca de 20 minutos, pode-se observar que o pedaço de metal ficou avermelhado. A parte que ficou vermelha é o cobre (Cu°) que se depositou sobre a placa de zinco. E no fundo do copo há a formação de sulfato de zinco (ZnSO4), conforme a reação acima.

A experiência feita pelo meteorologista e químico inglês John Frederic Daniell, em 1836, constitui uma pilha formada apartir de reações de oxirredução.

Pilha – São reações químicas que produzem corrente elétrica espontaneamente.

Daniell montou um sistema com dois eletrodos interligados.
Um eletrodo era constituido de uma placa de zinco imersa em um copo com uma solução com íons de zinco, no caso, sulfato de zinco.
O outro eletrodo era constituído de uma placa de cobre imersa em um copo com uma solução com íons de cobre, no caso, sulfato de cobre.

Chamou o eletrodo de Zinco de ânodo, com carga negativa.
Chamou o eletrodo de Cobre de cátodo, com carga positiva.

Ânodo ou polo negativo é o eletrodo onde saem os elétrons. Ocorre a reação de oxidação.

Cátodo ou polo positivo é o eletrodo para onde vão os elétrons. Ocorre a reação de redução.

Com o passar do tempo, os elétrons da placa de zinco vão para a solução, fazendo com que aumente a concentração da solução e corroendo a placa de zinco.

No outro eletrodo, ocorre o contrário. Os élétrons da solução de sulfato de cobre se depositam na placa de cobre, diminuindo a concentração da solução e aumentando a massa da placa metálica.

Veja como montar as reação que ocorrerem na Pilha de Daniell:

1°) montar a reação do ânodo

2°) montar a reação do cátodo

3°) somar as reações, formando a reação global da pilha.

Daniell colocou uma ponte salina constituída de um tubo de vidro em U contendo solução de KCl aquoso. A sua função é permitir a migração de íons de uma solução para a outra, de modo que o número de íons positivos e negativos na solução de cada eletrodo permaneça em equilíbrio.

ELETRODO	REAÇÃO	POLO	LÃMINA	SOLUÇÃO
ÂNODO	OXIDAÇÃO	POLO NEGATIVO (-)	CORRÓI	CONCENTRA
CÁTODO	REDUÇÃO	POLO POSITIVO (+)	AUMENTA	DILUI

Antes de realizar a montagem de uma pilha, é necessário saber qual metal vai perder e qual metal vai ganhar elétrons. Para conseguir responder à esta questão, devemos conhecer o conceito de potencial de redução e o potencial de oxidação.

O potencial de redução e de oxidação são medidos em volt (V) e é representado pelo símbolo E°.

Onde:
variação de potencial
E° = diferença de potencial (padrão)
E°RED = potencial de redução
E°OX = potencial de oxidação

Padrão: 25°C e 1atm

Pode-se utilizar qualquer uma destas fórmulas, dependendo dos dados que são fornecidos.
A diferença de potencial (d.d.p.) pode ser chamada também de força eletromotriz (fem).

Quanto maior o E°RED mais o metal se reduz.
Quanto maior o E°OX mais o metal se oxida.

Reação Espontânea e Não Espontânea

A reação na pilha (ou célula eletrolítica) pode ser espontânea ou não.
Quando o potencial padrão da célula eletrolítica é positivo, a reação é espontânea.
Quando o potencial padrão da célula eletrolítica é negativo, a reação é não espontânea.

Representação IUPAC

De acordo com a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), a representação de uma pilha deve ser da seguinte maneira:

Exercícios

1. Em uma pilha de zinco e chumbo, a reação que ocorre é a seguinte:

              Pb (aq)2+ + Zn (s) -> Pb (s) + Zn (aq)2+

Assinale a proposição falsa:

a) O pólo negativo é o eletrodo de zinco.

b) O cátodo é o eletrodo de zinco.

c) O eletrodo de zinco sofre corrosão.

d) No circuito externo, os elétrons fluem do eletrodo de zinco para o eletrodo de chumbo.

e) Na solução a corrente elétrica é formada por íons.

2. A d.d.p. da pilha Ca / Ca 2+ // Pb2+/ Pb é igual a:

Sabendo-se que: Ca 2+  +2 e– -> Ca       Eo = – 2,76 V

Pb2+ +2 e– -> Pb        Eo = – 0,13 V

a) + 2,63 V

b) – 2,89 V

c) – 2,63 V

d) + 2,89 V

e) + 2,73 V

3. As pilhas são largamente utilizadas no mundo moderno, e o esquema abaixo mostra uma pilha montada a partir de placas de níquel e zinco. Com base na informação e em seus conhecimentos sobre eletroquímica, pode-se afirmar que

Dados:              Zn2+ (aq) + 2 e–  ->  Zn (s) E0  = – 0,76 V.

                        Ni2+ (aq) + 2 e–  ->  Ni (s) E0 = – 0,25 V.

a) A concentração dos íons Ni 2+ na solução de NiSO4 aumenta.

b) A concentração de íons nas soluções não afeta o funcionamento da pilha.

c) A ponte salina evita a migração de íons do ânodo para o cátodo.

d) A placa de zinco diminui de massa.

e) O potencial de oxidação do níquel é maior que o do zinco.

GABARITO:

1. B

2. A

3. D

Qualquer dúvida sobre a resolução é só postar.