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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 17, MAIO 2003

1,5 Potencial de Eletrodo:

uma Medida Arbitrária e Relativa

Potencial de Eletrodo:

Recebido em 3/1/01; aceito em 25/2/03

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Potencial de eletrodo

O principal objetivo destetrabalho é demonstrar anatureza relativa e arbitrária

do valor dos potenciais de eletrodo,utilizando para isso um eletrodo dereferência não convencional: um cilindrode grafita (retirado de pilhas descar-regadas) inserido em uma laranja(eletrodo de referência de laranja - ERL).Trata-se de um experimento simples eútil para se construir a série das tensõeseletroquímicas, utilizando metais facil-mente encontrados em nosso cotidiano.

Inicialmente, será necessária a in-trodução de alguns conceitos e de-finições úteis.

A origem dos potenciais de eletrodoQuando uma lâmina ou fio metálico

feito, por exemplo, de zinco é mergu-lhado em uma solução de seus íons,estabelece-se um equilíbrio na inter-face zinco metálico/solução de seusíons, que constitui um sistema quedenominamos de eletrodo (neste caso,eletrodo de zinco):

Zn2+(aq) + 2e– Zn(s) (1)

Este equilíbrio indica que as reaçõesdireta {Zn2+(aq) + 2e– → Zn(s)} e in-versa {Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e–} aconte-cem com a mesma velocidade eenvolvem a transferência de elétrons en-tre o metal e os seus íons em solução.

José Carlos Marconato e Edério Dino Bidóia

Neste experimento, utiliza-se um eletrodo de referência não convencional, de laranja, para medir o potencialde alguns metais na solução de seus íons, enfatizando a natureza arbitrária e relativa dos valores de potenciaisde eletrodo listados na série das tensões eletroquímicas.

potencial de eletrodo, potencial de equilíbrio, eletrodo de referência, ensino de Química alternativo

Desta forma, quando o equilíbrio é atin-gido, o metal, assim como a solução,estarão eletricamente carregados. Por-tanto, existirá uma separação de cargasna interface metal-solução e, comoconseqüência, tem-se uma diferença depotencial entre o metal e a solução, aqual chamamos de potencial de eletrododo metal, ∆φ ou E (Compton e Sanders,1998; Gentil, 1996).

É importante lembrar que o conceitode potencial de eletrodo não se limita ametais. É possível preparar eletrodosnos quais há gases em equilíbrio comíons em solução (Denaro, 1974).

A equação de NernstWalther Hermann Nernst (1864-

1941), um químico alemão, foi o pri-meiro a deduzir uma equação que per-mitiu calcular a diferença de potencialexistente entre um metal e a soluçãode seus íons, ou seja, o potencial deeletrodo. Essa equação é conhecidaatualmente como equação de Nernste, para o caso do eletrodo de zinco,tem a seguinte forma:

E = Eº + RT/2F ln [Zn2+] (2)

onde E é o potencial de eletrodo (a dife-rença entre o potencial do metal, φM, e oda solução, φs), F a constante de Fa-raday (96485 C mol-1), R a constante dos

gases (8,314 J mol-1 K-1), T a temperaturatermodinâmica, [Zn2+] a concentraçãode íons Zn2+ em solução e Eº o potencialpadrão (medido nas condições padrão;neste caso [Zn2+] = 1,0 mol/L, T = 298K). Havendo interesse, a dedução daversão geral e rigorosa dessa equaçãopode ser consultada em livros como osde Denaro (1974), Moore (1976) eCompton e Sanders (1998). Utilizando-se logaritmo decimal e substituindo-seos valores de R e F, a 298 K essaequação é expressa como

E = Eº + 0,059/2 log [Zn2+] (3)

A equação de Nernst indica que adiferença de potencial depende danatureza do metal utilizado, da concen-tração de seus íons em solução e datemperatura.

Medidas de potenciais de eletrodo: anecessidade de sistema de referência

Através de um experimento bastan-te simples, como o ilustrado na Figura1, pode-se observar que é impossívelrealizar uma medida de potencial utili-zando apenas uma interface eletrodo-solução1 (Figura 1a). Assim, surge anecessidade da utilização de umsegundo eletrodo para que a medidatenha sucesso (Figura 1b).

É importante ressaltar também que,de acordo com o arranjo mostrado na

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Figura 1b, mede-se apenas a diferençade potencial (∆φ) entre os eletrodos Ae B utilizados, dada por:

∆φ = (φmetal A - φs) - (φmetal B - φs) (4)

O objetivo da introdução do segun-do eletrodo (Figura 1b) é que ele atuecomo um eletrodo de referência, istoé, um sistema que possua um poten-cial fixo, φ = constante. Assim, a eq. 4pode ser reescrita da seguinte forma:

∆φ = (φmetal A - φs) - (φref. - φs) (5)

Supondo que o eletrodo de referên-cia atue de tal forma que a quantidade(φref. - φs) seja uma constante, tem-se:

∆φ = (φmetal A - φs) + constante (6)

Desta forma, é possível observarque todas as medidas de potenciaisde eletrodo são, por natureza, medidasrelativas e, ao mesmo tempo, arbitrá-rias, pois sempre é necessário um ele-trodo de referência, um sistema quetenha um potencial constante.

O eletrodo de referência mais citadonas tabelas que contêm a série dastensões eletroquímicas é o eletrodopadrão de hidrogênio (EPH), ao qualse atribui, arbitrariamente, o valor iguala zero volt de potencial de eletrodo. OEPH consiste de uma chapa de platina,recoberta com um depósito de negrode platina, mergulhada em soluçãoaquosa de ácido clorídrico, na qual bor-bulha-se gás hidrogênio a pressão de1 atm a 298 K (Compton e Sanders,1998; Peruzzo e Canto, 1997). Para ocaso da medida do potencial do ele-

trodo de zinco, imerso em solução deseus íons, nas condições padrão,utilizando-se o eletrodo padrão dehidrogênio (Figura 2) como referência,o valor obtido é de -0,763 V, isto é:Eº(Zn/Zn2+) = -0,763 V.

Material e métodos• 1 voltímetro digital (R$ 20,00)• grafita (pilhas usadas)• metais [chumbo (casas de bate-

rias), chapas de zinco (pilhas usa-das), fio de cobre (casas de ma-teriais elétricos)]

• soluções de nitrato de cobre (ouchumbo ou zinco) 1,0 mol/L

• béqueres de 50 mL• 1 tubo de vidro ou plástico (diâ-

metro de 1 cm) em forma de “U”para construção da ponte salina

• nitrato de sódio (ponte salina)• lixa fina, para polir os metais. É

importante que a superfície dometal a ser medido esteja bri-lhante, ou seja, livre de óxido ouqualquer outra cobertura oucontaminação.

Construção da ponte salinaA ponte salina é de fundamental

importância para a realização dessasmedidas: sua função é manter a ele-troneutralidade das soluções e fecharo circuito elétrico.

Como prepararUtilizando um tubo em forma de

“U”, completa-se seu volume comsolução aquosa de nitrato de sódio

1,0 mol/L, deixando um espaço vaziode 1 cm no topo, para ser preenchidocom um chumaço de algodão, quepermitirá que a solução interna nãoescoe quando o tubo for invertido.Deve-se tomar cuidado para não deixarbolhas de ar dentro da solução.

Resultados e conclusõesO arranjo experimental para a de-

terminação dos potenciais dos diferen-tes metais em solução de seus íons éapresentado na Figura 3. Os valoresde potenciais medidos em relação aoeletrodo de referência de laranja e aoeletrodo padrão de hidrogênio, paraeletrodos de zinco, cobre e chumbosão apresentados na Tabela 1.

É interessante observar que os va-lores dos potenciais determinados como eletrodo de referência não conven-cional são muito diferentes daquelesobservados em tabelas de livros; po-rém, a seqüência observada na sérieé a mesma. Isto demonstra a naturezarelativa e arbitrária da medida, isto é, adependência do eletrodo de referênciautilizado. Outro ponto importante quemerece ser ressaltado é que, para cadalaranja utilizada, obtém-se diferentesvalores de potencial para o mesmo me-tal2. Isto ocorre em função do suco delaranja ser constituído de uma misturacomplexa de substâncias, que variamde uma laranja para outra. Convémressaltar também que a laranja podeser substituída por outras frutas cítricas(limão, tangerina) e legumes como o

Figura 1: Possibilidades de medidas de potenciais: (a) uma tentativa sem sucesso, utilizandoapenas uma interface eletrodo-solução; (b) medida realizada com êxito, utilizando umsistema de dois eletrodos (adaptado de Compton e Sanders, 1998).

Figura 2: Medida do potencial padrão deeletrodo do sistema Zn/Zn2+, utilizando oeletrodo padrão de hidrogênio.

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tomate, por exemplo.Outros metais também podem ser

incluídos nas medidas, como porexemplo, alumínio e magnésio. Porém,devido à facilidade de oxidação (perdade elétrons), esses metais recobrem-se rapidamente com uma camada finade óxido. Essa tendência manifesta-seatravés da variação contínua do poten-cial, quando da imersão do metal poli-do na solução de seus íons. Nessescasos, recomenda-se que o polimentodo metal seja realizado dentro da pró-pria solução de medida, anotando-sea leitura com maior valor de potencialcomo sendo o potencial de eletrodo.

SugestãoOs valores de potenciais obtidos

com o eletrodo de referência alternativo(ERL) podem ser utilizados para ocálculo do potencial desenvolvido emuma pilha cobre e zinco, representadapela reação global abaixo:

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

O potencial desta pilha em relação

ao eletrodo não convencional pode sercalculado através de (Peruzzo e Canto,1997):

E*(pilha) = E*(Cu2+/Cu) - E*(Zn2+/Zn)= 0,062 V - (-1,003 V) = 1,065 V

Como o valor de potencial medidoé positivo, a reação envolve um pro-cesso espontâneo, da forma comoestá escrita.

Recomenda-se também a realiza-ção de medidas de potenciais de ele-trodo dos metais zinco, cobre e chum-bo, utilizando agora, como eletrodo dereferência, a lâmina ou fio de cobreimerso em solução de sulfato ou nitratode cobre 1,0 mol/L, já utilizadosanteriormente. Novamente, percebe-seque, com a mudança no sistema dereferência, outros valores de potenciaissão obtidos, mas a seqüência da sériepermanece inalterada.

Recomendações1. Os sais de cobre, zinco e chum-

bo utilizados nesses experimentos sãosubstâncias tóxicas e representam

Figura 4: Desenho esquemático de umapilha comum.

sérios riscos à saúde, assim como parao meio ambiente. Portanto, é recomen-dável que as suas soluções sejamreaproveitadas, e não descartadas empias ou no solo. Esses sais podem seradquiridos em casas especializadasem produtos químicos.

2. O eletrodo de grafita e a chapade zinco podem ser obtidos de pilhascomuns exauridas (vide Figura 4). Obs:Recomenda-se a não utilização depilhas alcalinas, pois o sistema é outroe não devem ser abertas, pois existe orisco de acidentes.

Notas1. A determinação do valor do

potencial de um eletrodo necessita deum outro eletrodo de referência, analo-gamente à determinação de uma posi-ção sobre a superfície da Terra (longi-tude e latitude). No caso da longitude,a posição de referência é a de Green-wich (na Inglaterra), à qual é atribuída,arbitrariamente, longitude de 0°. Paraa latitude, a posição de referência é ado Equador, à qual é atribuída, arbitra-riamente, latitude de 0°.

2. Este fato mostra que, na realida-de, o eletrodo de referência de laranjanão é, rigorosamente, um eletrodo dereferência no sentido estrito. Um ele-trodo de referência verdadeiro tem seupotencial invariável.

José Carlos Marconato (marconat@rc.unesp.br),bacharel em Química e doutor em Ciências (Físico-Química) pela Universidade Federal de São Carlos(UFSCar), é docente do Instituto de Biociências daUniversidade Estadual Paulista em Rio Claro (IB/UNESP). Edério Dino Bidóia (ederio@rc.unesp.br),bacharel em Química e doutor em Ciências (Físico-Química) pela UFSCar, é docente do IB/UNESP.

Tabela 1: Valores de potenciais de eletrodo obtidos usando um eletrodo de referência delaranja (E*) e usando o eletrodo padrão de hidrogênio (E0) (Compton e Sanders, 1998).

Eletrodo E*/V (x ERL) E0/V (x EPH)

Zn2+(aq) + 2e– Zn(s) -1,003 -0,763

Pb2+(aq) + 2e– Pb(s) -0,414 -0,126

Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) 0,062 0,340

Figura 3: Medida do potencial do eletrodo do cobre, em solução de nitrato de cobre 1,0 mol/L,utilizando um eletrodo de referência não convencional: 62 mV.

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MOORE, W.J. Físico-química. 4ª ed.Trad. H.L. Chun, I. Jordan e M.C. Ferreroni.São Paulo: Edgard Blücher, 1976. v. 1,cap. 6 e 7.

PERUZZO, T.M. e CANTO, E.L. Química

Abstract: Electrode Potential: an Arbitrary and Relative Measurement – In this experiment, a non-conventional reference electrode, an orange, was used to measure the electrode potential of some metalsimmersed in a solution of their ions, emphasizing the arbitrary and relative nature of the electrode potential values listed in the electrochemical series.Keywords: electrode potential, equilibrium potential, reference electrode, alternative chemistry teaching

na abordagem do cotidiano. São Paulo: Edi-tora Moderna, 1997. p. 283.

Para saber maisBOCCHI, N.; FERRACIN, L.C. e BIAG-

GIO, S.R. Pilhas e baterias: funcionamentoe impacto ambiental. Química Nova naEscola, n. 11, p. 3-9, 2000.

HIOKA, N.; MAIONCHI, F.; RUBIO, D.AR.; GOTO, P.A. e FERREIRA, O.P. Experi-mentos sobre pilhas e a composição dossolos. Química Nova na Escola, n. 8, p. 36-38, 1998.

HIOKA, N.; FILHO, O.S.; MENEZES, A J.;YONEHARA, F.S.; BERGAMASKI, K. e

PEREIRA, R.V. Pilhas de Cu/Mg cons-truídas com materiais de fácil obtenção.Química Nova na Escola, n. 11, p. 40-44,2000.

LOPES, A.R.C. Potencial de redução eeletronegatividade, obstáculo verbal. Quí-mica Nova na Escola, n. 4, p. 21-23, 1996.

TOLENTINO, M. e ROCHA-FILHO, R.C.O bicentenário da invenção da pilha elé-trica. Química Nova na Escola, n. 11, p.35-39, maio, 2000.

Na internethttp://www.funsci.com/fun3_en/electro/

electro.htm.

Uma nova obra para o ensino deCiências da Natureza

Em um contexto demudanças na edu-cação brasileira,principalmente pe-las novas propos-tas curriculares epelas diretrizes pa-ra a formação deprofessores daeducação básica, o

livro Ensino de Ciências: fundamentos emétodos, elaborado pelos professoresDemétrio Delizoicov, José André Angottie Marta Pernambuco, recentemente lan-çado pela Editora Cortez, e que integraa coleção Docência em Formação,constitui uma obra singular e inédita. Osautores são licenciados em Física e dou-tores em Educação. Dedicam-se hámuitos anos a pesquisar o ensino deCiências e a formação de professores.

O livro reúne e integra diversos eimportantes aspectos dos conhecimen-tos específicos da área de ensino deCiências Naturais com o fazer peda-gógico e didático, em sintonia com resul-tados de pesquisas da área de Educa-ção em Ciências. Destina-se, portanto,aos cursos de formação de professores,aos alunos e futuros professores deCiências e àqueles das áreas de Quí-mica, Física e Biologia que atuarão noEnsino Médio.

Os autores procuram tratar os fun-damentos e métodos do ensino de Ciên-cias, principalmente no contexto escolar.Os temas discutidos e a metodologia

adotada na elaboração da obra permi-tirão ao professor do Ensino Fundamen-tal e ao seu docente formador, no EnsinoSuperior, usar este livro como instrumen-to pedagógico, de forma crítica e criativa.O livro aborda, de forma prazerosa eculta, temas e fenômenos do nosso coti-diano, de que geralmente a Física, a Quí-mica, a Biologia e a Geologia se ocu-pam e procuram explicar. Estes são tra-tados de forma didática, interligando-sea outras questões do saber, da tecno-logia e das outras atividades humanas,determinadas sócio-historicamente. Talabordagem interdisciplinar visa auxiliara formação dos estudantes de formaque a Ciência sirva como um conteúdocultural relevante para viver, compreen-der e atuar no mundo contemporâneo.

A estrutura do livro permite ao leitor,ao se defrontar com a proposta de te-mas científicos significativos, ir discutin-do com os autores os diferentes aspec-tos conceituais e implicações práticasem situações de ensino-aprendizagem.Organizado em seis partes, busca emcada uma delas construir, explicitar edestacar as várias dimensões envolvi-das na produção do conhecimentocientífico e da tecnologia e uma concep-ção para o ensino de Ciências, atravésdo uso e da interpretação de situaçõessignificativas para os alunos. Cada parteé dividida em dois capítulos: o primeirobusca, através de um texto, dissertar eargumentar sobre pontos fundamentaisde eixos estruturantes da formação eatuação docente, problematizando-os.A ênfase deste primeiro capítulo de cadauma das partes é a apresentação de

aspectos teóricos que, ao aprofundar adiscussão das questões contemporâ-neas relativas à Educação em Ciências,fundamentam uma proposta de ensino.No segundo capítulo de cada uma daspartes, que tem o sugestivo título Instru-mentação para o ensino, são apresen-tadas atividades, articuladas ao texto,solicitando o trabalho de professores ealunos, que podem ser desenvolvidasem sala de aula e são orientadas poratividades de pesquisa. Essas são desti-nadas a subsidiar as práticas docente ediscente na apropriação e implementa-ção das proposições lançadas pelosautores e são organizadas em três itens:Aprofundamentos para estudos, Desa-fios e Exemplares – situações típicas quematerializam as considerações efetua-das e com as quais docentes e licen-ciandos podem ter padrões para criar epropor outras atividades de ensino eaprendizagem. Além disso, os capítulose suas partes fazem amplo uso de vín-culos (impressos e digitais).

Enfim, a obra constitui-se num ver-dadeiro programa de ensino, fundamen-tado conceitualmente e ligado ao con-texto social e tecnológico contempo-râneo. Sua qualidade inegável contribui-rá para que as mudanças na Educação,particularmente no ensino de Ciências,possam efetivamente se concretizar.

(Carlos Alberto Marques - UFSC)

Ensino de Ciências: fundamentos emétodos. Demétrio Delizoicov, JoséAndré Angotti e Marta Maria Pernam-buco. São Paulo: Editora Cortez, 2003.366 p. ISBN 8524908580.

Resenha