17.11: Resumo

17.1 Revisão da Química Redox

As reações redox são definidas por mudanças nos números de oxidação do reagente, e as mais relevantes para a eletroquímica envolvem a transferência real de elétrons. Os processos redox de fase aquosa geralmente envolvem água ou seus íons característicos, H ⁺ e OH ⁻, como reagentes, além do oxidante e do redutor, e as equações que representam essas reações podem ser difíceis de equilibrar. O método de meia reação é uma abordagem sistemática para equilibrar essas equações que envolve o tratamento separado das meias-reações de oxidação e redução.

17.2 Células galvânicas

As células galvânicas são dispositivos nos quais uma reação redox espontânea ocorre indiretamente, com os pares redox oxidante e redutor contidos em meias-células separadas. Os elétrons são transferidos do redutor (na meia-célula do ânodo) para o oxidante (na meia-célula do cátodo) por meio de um circuito externo, e os íons da fase de solução inerte são transferidos entre as meias-células, por meio de uma ponte de sal, para manter a neutralidade da carga. A construção e composição de uma célula galvânica podem ser representadas sucintamente usando fórmulas químicas e outros símbolos na forma de um esquema celular (notação celular).

17.3 Potenciais de eletrodos e células

A propriedade do potencial, E, é a energia associada à separação/transferência de carga. Em eletroquímica, os potenciais das células e meias-células são quantidades termodinâmicas que refletem a força motriz ou a espontaneidade de seus processos redox. O potencial celular de uma célula eletroquímica é a diferença entre o cátodo e o ânodo. Para permitir o fácil compartilhamento de dados de potencial de meia célula, o eletrodo de hidrogênio padrão (SHE) recebe um potencial de exatamente 0 V e é usado para definir um potencial de eletrodo único para qualquer meia-célula. O potencial de eletrodo de uma meia célula, E _X, é o potencial celular dessa meia célula atuando como um cátodo quando conectada a um SHE atuando como um ânodo. Quando a meia célula está operando sob condições de estado padrão, seu potencial é o potencial padrão do eletrodo, E° _X. Os potenciais de eletrodo padrão refletem a força oxidante relativa do reagente da meia-reação, com oxidantes mais fortes exibindo valores de E° _X maiores (mais positivos). Tabulações de potenciais de eletrodo padrão podem ser usadas para calcular potenciais celulares padrão, _célula E°, para muitas reações redox. O sinal aritmético de um potencial celular indica a espontaneidade da reação celular, com valores positivos para reações espontâneas e valores negativos para reações não espontâneas (espontâneas na direção inversa).

17.4 Potencial, energia livre e equilíbrio

O potencial é uma grandeza termodinâmica que reflete a força motriz intrínseca de um processo redox e está diretamente relacionado à mudança de energia livre e à constante de equilíbrio do processo. Para processos redox que ocorrem em células eletroquímicas, o trabalho máximo (elétrico) realizado pelo sistema é facilmente calculado a partir do potencial celular e da estequiometria da reação e é igual à mudança de energia livre do processo. A constante de equilíbrio para uma reação redox está logaritmicamente relacionada ao potencial celular da reação, com potenciais maiores (mais positivos) indicando reações com maior força motriz que se equilibram quando a reação está muito próxima da conclusão (grande valor de K). Finalmente, o potencial de um processo redox varia com a composição da mistura de reação, estando relacionado ao potencial padrão da reação e ao valor de seu quociente de reação, Q, conforme descrito pela equação de Nernst.

17.5 Baterias e células de combustível

As células galvânicas projetadas especificamente para funcionar como fontes de alimentação elétrica são chamadas de baterias. Uma variedade de baterias de uso único (células primárias) e baterias recarregáveis (células secundárias) estão disponíveis comercialmente para atender a uma variedade de aplicações, com especificações importantes, incluindo voltagem, tamanho e vida útil. As células de combustível, às vezes chamadas de baterias de fluxo, são dispositivos que aproveitam a energia das reações redox espontâneas normalmente associadas aos processos de combustão. Como as baterias, as células de combustível permitem a transferência de elétrons da reação por meio de um circuito externo, mas exigem a entrada contínua dos reagentes redox (combustível e oxidante) de um reservatório externo. As células de combustível são normalmente muito mais eficientes na conversão da energia liberada pela reação em trabalho útil em comparação com os motores de combustão interna.

17.6 Corrosão

A oxidação espontânea de metais por processos eletroquímicos naturais é chamada de corrosão, exemplos familiares que incluem a ferrugem do ferro e o embaçamento da prata. O processo de corrosão envolve a criação de uma célula galvânica na qual diferentes locais do objeto metálico funcionam como ânodo e cátodo, com a corrosão ocorrendo no local anódico. As abordagens para prevenir a corrosão de metais incluem o uso de uma camada protetora de zinco (galvanização) e o uso de ânodos sacrificiais conectados ao objeto metálico (proteção catódica).

17.7 Eletrólise

Processos redox não espontâneos podem ser forçados a ocorrer em células eletroquímicas pela aplicação de um potencial apropriado usando uma fonte de energia externa - um processo conhecido como eletrólise. A eletrólise é a base para certos processos de refino de minério, a produção industrial de muitas commodities químicas e a galvanoplastia de revestimentos metálicos em vários produtos. A medição do fluxo de corrente durante a eletrólise permite cálculos estequiométricos.