As Células Eletroquímicas

CÉLULAS ELETROQUÍMICAS

Por: Denner Cássio de Albuquerque Costa

A eletricidade está completamente conectada na sociedade atual. Celulares, computadores, televisores, rádios. Todos esses aparelhos, e diversos outros não citados, têm algo em comum, a pilha. Por outro lado, a fabricação de metais e diversos tipos de substâncias são produzidos por um tipo de processo chamado de eletrólise. Neste trabalho, o funcionamento teórico das pilhas e a teoria por trás da eletrólise serão explicados.

Em 1836 um químico e meteorologista nascido em Londres, John Daniell acabara por inventar a célula Galvânica (célula Voltaica), mais conhecida como pilha. Que através de conceitos de óxido-redução, seria capaz de transformar energia química em energia elétrica.

Hoje sabemos do importante papel da pilha. A eletroquímica é um dos ramos de estudos da química responsável por estudar esse aparelho. As pilhas podem ser definidas como:

“Dispositivos capazes de transformar energia química em energia elétrica por meio de reações espontâneas de oxirredução (em que há transferência de elétrons).”

Pilha de Daniell

A pilha de Daniell é composta de dois reservatórios: um contendo sulfato de zinco (ZnSO4) e o outro contendo sulfato de cobre (CuSO4). Dentro dos reservatórios, há barras metálicas chamadas de eletrodos. No reservatório de sulfato de zinco, possui um eletrodo de zinco (Zn) e no outro reservatório, um eletrodo de cobre (Cu). Os eletrodos são conectados por um fio metálico que será responsável pela transferência de elétrons entre os líquidos. Essa transferência ocorre pois, de forma espontânea, o zinco do eletrodo cede elétrons que migram para o eletrodo de cobre. Esse processo de perda de elétrons é chamado de oxidação e o de ganho de elétrons, como o que acontece com o cobre, é chamado de redução. O eletrodo de zinco é chamado de ânodo, ou seja, eletrodo onde ocorre oxidação e o eletrodo de cobre, de cátodo, ou seja, eletrodo onde ocorre redução. O ânodo, por provocar a redução dos íons de cobre, é também chamado de agente redutor, e o cátodo, responsável por provocar a oxidação dos íons de zinco, é também chamado de agente oxidante.

Após a transferência de elétrons, há a formação de íons Zn2+ e do Cu2-. O Zn2+ acaba por dissolver na solução de sulfato de zinco e o cátodo, com o recebimento dos elétrons provenientes do zinco, acaba por ser atraído pelos íons Cu2+ dissociados na solução de sulfato de cobre formando assim, cobre metálico. Processo chamado de eletrodeposição.

Consequências e Ponte salina

O ânodo sofre desgastes na sua superfície por conta das constantes perdas de elétrons e a solução de ZnSO4 acaba por ficar cada vez mais positiva, pois, cada vez mais há o depósito de íons Zn2+ na solução, por outro lado, o cátodo acaba tendo sua massa aumentada pois cada vez mais há a formação de cobre metálico.

Mas há um problema, com o passar do tempo, a solução do reservatório contendo o ânodo ficará cada vez mais positiva porque a proporção de cátions Zn2+ em relação aos ânions SO42- ficará cada vez maior e o outro reservatório ficará cada vez mais negativo, pois a proporção de cátions Cu2+ em relação aos ânions SO42- será cada vez menor. Por conta disso, a pilha de Daniell possui um interconector entre os reservatórios: a ponte salina, composta por um sal, é responsável por manter o equilíbrio entre os íons dissolvidos nas soluções, permitindo assim, que a pilha dure muito mais tempo, evitando sua interrupção precoce.

Observe que a energia química proveniente dos átomos de zinco e de cobre, é transformada em corrente elétrica que através do fio metálico, pode ser conectada a circuitos para o fornecimento de energia elétrica.

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Representações

As semirreações que ocorrerão em cada eletrodo são dadas por:

Semirreação no eletrodo de zinco:  Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-  (oxidação)

Semirreação no eletrodo de cobre: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)   (redução)

Reação global: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Podemos representar a pilha do seguinte modo:

Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu

Eletrólise

A eletrólise é um processo contrário às pilhas. É extremamente importante na indústria, pois, com a sua utilização, é possível a produção de substâncias, tais como: alumínio metálico, proveniente da bauxita (formada principalmente por óxido de alumínio, Al2O3), gás cloro (Cl2), hidróxido de sódio (NaOH), etc. Além de ser usado na indústria para o recobrimento de materiais com metais, processo chamado de galvanoplastia.

              A eletrólise é um processo não espontâneo, causado por corrente elétrica fornecido por um gerador (uma pilha por exemplo) para a produção de alguns compostos. Essas reações ocorrem na cuba eletrolítica, que possui duas barras compostas de elementos que não participam das reações, conhecidas como eletrodos inertes (geralmente compostas de platina (Pl) e grafite. A corrente deve ser obrigatoriamente contínua, pois, se for alternada, os eletrodos ficarão positivos e negativos alternadamente, estado que não deverá ocorrer.

Dentro da cuba eletrolítica há a presença, ou de uma substância fundida, ou de uma solução aquosa, capazes de dissociar a substância e formar íons. Os eletrodos possuem polaridade oposta causada pelo gerador. Por esse motivo, existe a atração de ânions ao eletrodo positivo (chamado de ânodo), local onde esses ânions oxidam, pois a tensão provocada pelo gerador retira os seus elétrons. Do outro lado, existe a atração de cátions ao eletrodo negativo (chamado de cátodo), local onde esses cátions reduzem, pois recebem os elétrons provenientes dos ânions. A migração dos cátions em direção ao cátodo e de ânions em direção ao ânodo é denominada corrente iônica e deve ser distinguida da corrente eletrônica que se da nos condutores metálicos.

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REPRESENTAÇÕES

1ª Semirreação: o gerador atrai os ânions A- para o polo positivo e os força a perder elétrons:

A- → A0 + e-

2ª Semirreação: o gerador faz com que os cátions C+ recebam os elétrons:

         C+ + e- → C0

Eletrólise ígnea e Eletrólise Aquosa

Existem dois tipos de eletrólise: Eletrólise Ígnea e Eletrólise Aquosa.  

Eletrólise Ígnea

Na eletrólise ígnea, a substância presente na cuba eletrolítica está fundida (líquida) e por ela que irá passar a corrente iônica. Muito utilizada na indústria para a produção de metais.