Petrucci • Harwood • Herring • Madura Edition Ninth ...· para “neutralizar” o H+, criando...

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Transcript of Petrucci • Harwood • Herring • Madura Edition Ninth ...· para “neutralizar” o H+, criando...

  • Philip Dutton University of Windsor, Canada

    Prentice-Hall 2007

    CHEMISTRY Ninth

    Edition GENERAL Principles and Modern Applications

    Petrucci Harwood Herring Madura

    Eletroqumica

  • Contedo

    Reaes eletroqumicas Potenciais de Eletrodo e Sua Determinao Potenciais Padro de Eletrodo Ecel, G, e Keq Ecel em Funo da Concentrao Baterias: Produo de Eletricidade Atravs de Reaes

    Qumicas Corroso: Clulas Voltaicas Indesejadas Eletrlise: Fazendo com Que Reaes No-

    Espontneas Ocorram Processos Industriais de Eletrlise

  • Baterias Corroso Produo industrial

    de insumos como Cl2, NaOH, F2 e Al

    Reaes redox biolgicas

    O grupo HEME

    Por qu Estudar Eletroqumica?

  • Reaes Eletroqumicas

    Nas reaes eletroqumicas, ocorre transferncia de eltrons de uma espcie para outra.

  • Nmeros de Oxidao

    Para saber quem perde eltrons e quem ganha, atribui-se nmeros de oxidao.

  • Oxidao e Reduo

    Uma espcie oxidada quando perde eltrons. Aqui, o zinco perde dois eltrons, passando de zinco

    neutro (metlico) ao on Zn2+.

  • Oxidao e Reduo

    Uma espcie reduzida quando ganha eltrons. Aqui, cada on H+ ganha um eltron, e eles se

    combinam para formar H2.

  • Oxidao e Reduo

    A espcie reduzida o agente oxidante. H+ oxida Zn retirando-lhe eltrons.

    A espcie oxidada o agente redutor. Zn reduz H+ dando-lhe eltrons.

  • Atribuio de Nmeros de Oxidao

    1. Nas substncias elementares, o nmero de oxidao de cada elemento 0.

    H2, O2, C(grafite), He, Xe, etc. 2. O nmero de oxidao de um on monoatmico

    igual sua carga. Ag+, Au3+, Fe3+, Fe2+, Cl, S2, O2, etc.

  • Atribuio de Nmeros de Oxidao

    3. Os no metais tendem a ter nmeros de oxidao negativos, embora alguns sejam positivos em certos compostos ou ons.

    O oxignio tem nmero de oxidao 2, exceto no on perxido, que tem um nmero de oxidao 1.

    O hidrognio tem nox = 1 quando ligado a um metal e +1 quando ligado a um no metal.

  • Atribuio de Nmeros de Oxidao

    3. Os no metais tendem a ter nmeros de oxidao negativos, embora alguns sejam positivos em certos compostos ou ons.

    O flor sempre tem nox = 1. Os outros halognios tm nox = 1 quando so

    negativos; porm, podem ter nmeros de oxidao positivos, especialmente em oxinions.

    ClO4: O = 2; Cl = +7 BrO3: O = 2; Br = +5

  • Atribuio de Nmeros de Oxidao

    4. A soma dos nmeros de oxidao em um composto neutro 0.

    5. A soma dos nmeros de oxidao em um on poliatmico igual carga do on.

  • Balanceamento de Reaes Redox

    Algumas podem ser balanceadas por simples inspeo, tentativa e erro.

    Mas a maioria complicada. O melhor mtodo de se balancear uma reao redox atravs do mtodo das semirreaes.

  • Balanceamento de Reaes Redox

    Isto envolve considerar (apenas no papel) que a reduo e a oxidao so dois processos separados.

    Balanceia-se as reaes para estes processos, combinando-as no final para se obter a equao balanceada da reao global.

  • O Mtodo das Semirreaes

    1. Atribua os nmeros de oxidao para verificar o que oxidado e o que reduzido.

    2. Escreva as semirreaes de oxidao e de reduo.

  • O Mtodo das Semirreaes

    3. Balanceie cada semirreao. a. Balanceie os elementos diferentes de H e O. b. Balanceie O adicionando H2O. c. Balanceie H adicionando H+. d. Balanceie a carga adicionando eltrons.

    4. Multiplique as semirreaes por nmeros inteiros de modo que o nmero de eltrons ganhos seja igual ao nmero de eltrons perdidos.

  • O Mtodo das Semirreaes 5. Some as semirreaes, subtraindo as espcies

    que aparecem dos dois lados. 6. Certifique-se de que a equao est balanceada

    em massa. 7. Certifique-se de que a equao est balanceada

    em carga.

  • O Mtodo das Semirreaes

    Considere a reao entre MnO4 e C2O42 :

    MnO4 (aq) + C2O42 (aq) Mn2+ (aq) + CO2 (aq)

  • O Mtodo das Semirreaes

    Primeiro atribui-se os nmeros de oxidao.

    MnO4 + C2O42- Mn2+ + CO2

    +7 +3 +4 +2

    Como o mangans passa de +7 a +2, ele reduzido.

    Como o carbono passa de +3 a +4, ele oxidado.

  • Semirreao de Oxidao

    C2O42 CO2 Para balancear o carbono, coloca-se um

    coeficiente estequiomtrico = 2 direita:

    C2O42 2 CO2

  • Semirreao de Oxidao

    C2O42 2 CO2

    O oxignio tambm est balanceado. Para balancear a carga, devemos adicionar dois eltrons direita:

    C2O42 2 CO2 + 2 e

  • Semirreao de Reduo

    MnO4 Mn2+

    O mangans est balanceado; para balancear o oxignio, devemos adicionar 4 guas ao lado direito:

    MnO4 Mn2+ + 4 H2O

  • Semirreao de Reduo

    MnO4 Mn2+ + 4 H2O

    Para balancear o hidrognio, adicionamos 8 H+ ao lado esquerdo.

    8 H+ + MnO4 Mn2+ + 4 H2O

  • Semirreao de Reduo

    8 H+ + MnO4 Mn2+ + 4 H2O

    Para balancear a carga, adiciona-se 5 e ao lado esquerdo.

    5 e + 8 H+ + MnO4 Mn2+ + 4 H2O

  • Combinando as Semirreaes

    Agora, observamos as duas semirreaes juntas:

    C2O42 2 CO2 + 2 e 5 e + 8 H+ + MnO4 Mn2+ + 4 H2O

    Para que se tenha o mesmo nmero de eltrons de

    cada lado, multiplicamos a primeira reao por 5 e a segunda por 2:

  • Combinando as Semirreaes

    5 C2O42 10 CO2 + 10 e 10 e + 16 H+ + 2 MnO4 2 Mn2+ + 8 H2O

    Somando as semirreaes, chegamos a: 10 e + 16 H+ + 2 MnO4 + 5 C2O42

    2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2 +10 e

  • Combinando as Semirreaes

    10 e + 16 H+ + 2 MnO4 + 5 C2O42 2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2 +10 e

    Somente os eltrons aparecem dos dois lados da equao e

    so cancelados, levando a: 16 H+ + 2 MnO4 + 5 C2O42

    2 Mn2+ + 8 H2O + 10 CO2

  • Balanceamento em Soluo Alcalina

    Se uma reao ocorre em meio alcalino, podemos fazer seu balanceamento como se o meio fosse cido.

    Uma vez balanceada, adiciona-se OH a cada lado para neutralizar o H+, criando gua em seu lugar.

    Se isso levar presena de gua dos dois lados da equao, deve-se fazer o cancelamento.

  • Balanceamento em Soluo Alcalina MnO4 + CN MnO2(s) + OCN

    1. Escrever as semirreaes de oxidao e reduo:

    MnO4 MnO2(s) (reduo) CN OCN (oxidao)

    2. Balancear para O e H: MnO4 + 4 H+ MnO2(s) + 2 H2O

    CN + H2O OCN + 2 H+

    3. Balancear as cargas: MnO4 + 4 H+ + 3 e MnO2(s) + 2 H2O

    CN + H2O OCN + 2 H+ + 2 e

  • Balanceamento em Soluo Alcalina

    4. Acertar o nmero de eltrons 2 MnO4 + 8 H+ + 6 e 2 MnO2(s) + 4 H2O (x2)

    3 CN + 3 H2O 3 OCN + 6 H+ + 6 e (x3)

    5. Somar as semirreaes: 2 MnO4 + 8 H+ + 6 e + 3 CN + 3 H2O

    2 MnO2(s) + 4 H2O + 3 OCN + 6 H+ + 6 e 2 MnO4 + 2 H+ + 3 CN

    2 MnO2(s) + H2O + 3 OCN

  • Balanceamento em Soluo Alcalina 6. Mudar para meio alcalino adicionando 2 OH de

    cada lado 2 MnO4 + 2 H+ + 3 CN + 2OH

    2 MnO2(s) + H2O + 3 OCN + 2OH

    7. Neutralizar: 2 MnO4 + 3 CN + 2 H2O

    2 MnO2(s) + H2O + 3 OCN + 2OH

    8. Cancelar as guas 2 MnO4(aq) + 3 CN(aq) + H2O (l)

    2 MnO2(s) + 3 OCN (aq) + 2OH (aq)

  • Potenciais de Eletrodo e Sua Determinao

    Cu(s) + 2Ag+(aq)

    Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

    Cu(s) + Zn2+(aq)

    No h reao

  • Uma Meia-Clula Eletroqumica

    Anodo

    Catodo

    Oxidao

    Reduo

  • Uma Clula Eletroqumica

    Voltmetro Ponte Salina [KNO3(aq)]

  • Terminologia

    Fora eletromotriz, Ecel. A voltagem da clula ou o potencial da clula.

    Diagrama da clula. Mostra os componentes da clula de maneira simblica. Anodo (onde ocorre a oxidao) na esquerda. Catodo (onde ocorre a reduo) na direita.

    Fronteira entre fases representada por |. Fronteira entre meias-clulas (geralmente a ponte

    salina) representada por ||.

  • Terminologia

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

    Ecel = 1,103 V

    Fluxo de eltrons

    Anodo Catodo Ponte salina Voltmetro

  • Terminologia

    Clulas Galvnicas. Produzem eletricidade como resultado de reaes

    espontneas. Clulas Eletrolticas.

    Mudana qumica no-espontnea movida por eletricidade.

    Par, M|Mn+ Um par de espcies relacionadas por uma variao no

    nmero de eltrons, tambm chamado de par redox.

  • Potenciais Padro de Eletrodo

    A voltagem de clulas, ou seja, as diferenas de potencial entre eletrodos, esto entre as medidas cientficas mais precisas.

    Porm, difcil determinar o potencial de um eletrodo individual.

    Escolhe-se, portanto, um zero arbitrrio.

    O Eletrodo Padro de Hidrognio, (EPH), ou Standard Hydrogen Electrode (SHE)

  • Eletrodo Padro de Hidrognio 2 H+(a = 1) + 2 e- H2(g, 1 bar) E = 0 V

    Pt|H2(g, 1 bar)|H+(a = 1)

    Fio de Pt

    Tubo de vidro para conter H2(g)

    Eletrodo de Pt(s)

    Bolhas de H2(g)

  • Potencial de Eletrodo Padro, E

    E definido por acordo internacional. a tendncia de um processo de reduo ocorrer

    em um eletrodo. Todas as espcies inicas presentes com a = 1

    (aproximadamente 1 mol/L). Todos os gases com presso de 1 bar

    (aproximadamente 1 atm). Quando no houver indicao de substncia metlica, o

    potencial estabelecido sobre um eletrodo metlico inerte (Pt, por exemplo).

  • Pares de Reduo

    Cu2+(1M) + 2 e- Cu(s) ECu2+/Cu = ?

    Pt|H2(g, 1 bar)|H+(a = 1) || Cu2+(1 M)|Cu(s) Ecell = 0,340 V

    Potencial padro de clula: a differena de potencial de um