Celulas Galvanicas

Bendize, ó minha alma ao Senhor; e tudo o que há em mim bendiga ao seu santo nome. UNIDADE I – ELETROQUÍMICA: PILHAS GALVÂNICAS

Um par de eletrodos imersos numa solução iônica e ligados por um condutor metálico externo constitui uma célula eletroquímica típica. Uma célula na qual um suprimento externo de energia elétrica é usado para realizar uma transformação física ou química, é denominada célula eletrolítica. Quando a célula é usada para fornecer energia elétrica, isto é, quando converte a energia livre de uma transformação física ou química em energia elétrica, é chamada célula galvânica ou pilha.

Seja por exemplo a reação de óxido-redução que ocorre espontaneamente:

Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s) Esquematicamente temos:

Fig. I.1 – Esquema da reação direta entre zinco metálico e íons cobre.

Para esta reação, ∆G° é igual a –212 kJ/mol. Indicando, portanto uma forte tendência dos e- em se transferirem do Zn metálico para os íons Cu2+ em seus estados padrões.

Podemos separar fisicamente a barra de Zn da solução de sulfato de Cu, e mesmo assim ocorrer reação. Isto acontece da seguinte maneira: A barra de Zn é imersa numa solução de sulfato de Zn, a barra de Cu encontra-se imersa numa solução de sulfato de Cu, e as duas encontram-se interligadas eletricamente mediante um fio.

Este dispositivo forma uma célula galvânica (Fig. I.2). As duas metades da célula são chamadas compartimentos e são separadas por um material poroso ou uma ponte salina. As barras metálicas são denominadas eletrodos e fornecem a superfície onde ocorre a reação de oxido-redução. Cada eletrodo e o meio onde está imerso forma uma semipilha. O circuito elétrico que conectamos os dois eletrodos fora da célula é denominado circuito externo.

O eletrodo de cobre é denominado cátodo, ou seja, é o eletrodo onde ocorre a redução a semireação no cátodo é: Cu2+ + 2e- → Cu (s)

O eletrodo de Zn é denominado ânodo, isto é, o eletrodo onde ocorre a oxidação. A semi-reação é: Zn (s) → Zn2+ + 2e-.

UEPB/CCT/DQ/Físico-Química I/Profª. Conceição Machado 56

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Fig. I.2 – Esquema de uma Célula Galvânica

A separação mediante o material poroso ou pela ponte salina tem por finalidade manter os íons cúpricos afastados do ânodo de Zn. Isto evita a transferência direta de e- do Zn para o Cu, e conseqüentemente permite o escoamento de e- pelo circuito externo. O material poroso também permite a migração dos íons entre dois compartimentos.

O exemplo explorado acima constitui apenas um tipo de pilha, será visto na seção 13 outros tipos de pilhas galvânicas.

A reação que tende a processar-se espontaneamente numa célula é a soma de uma reação espontânea de oxidação no anodo (terminal negativo) e de uma reação espontânea de redução no cátodo (terminal positivo).

Assim para a célula descrita no exemplo acima se tem a seguinte reação:

Cu2+ + 2e- → Cu (s) Zn (s) → Zn2+ + 2e-.

Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s)

Esta é a reação espontânea da célula e a queda de energia livre que lhe corresponde gera uma fem (tensão) positiva.

Se a reação da célula for invertida, Zn2+ (aq) + Cu (s) → Zn (s) + Cu2+ (aq), para a qual ∆G > 0 a fem correspondente terá um sinal negativo.

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Esta situação corresponde à recarga da célula durante a qual se verifica um acréscimo de energia livre, igual ao trabalho elétrico recebido pela célula que funciona assim como uma célula eletrolítica.

3. FORÇA ELETROMOTRIZ (FEM) OU POTENCIAL DA CÉLULA, ε

A fem de uma célula é definida como a diferença de potencial elétrico entre os dois eletrodos quando a célula está em equilíbrio termodinâmico, isto é, em determinadas condições de temperatura, pressão e composição. Por isso, mede-se a fem em regime quase –estático (reversível), de modo que o débito de corrente seja reduzido ao mínimo. Se a célula descarrega, sua composição se altera e com ela a fem.

Uma forma de se medir a fem de uma célula é acoplador um voltímetro ao circuito externo, Fig. I.2. Se este voltímetro tiver uma alta resistência elétrica interna, a passagem de e- pelo circuito externo praticamente para, acontecendo o mesmo com as semi-reações no cátodo e no ânodo, ou seja as reações se processam de modo reversível. Então, voltímetro lê a diferença de potencial elétrico ou tensão,