Licenciatura em ciências · USP/ Univesp

10Ana Cláudia Kasseboehmer

Daniela Maria Lemos Barbato Jacobovitz

ELETROQUÍMICA: PRIMEIROS CONCEITOS Qu

ímic

a10.1 Introdução10.2 Obtenção de metais na natureza10.3 Oxidação e Redução10.4 Balanceamento de equação de óxido-redução10.5 Espontaneidade das transformações químicas que envolvem transferência de elétrons10.6 Diferença de potencial (ddp)Referências

147

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

10.1 IntroduçãoNo texto Transformações químicas: definição e aspectos macroscópicos, vimos

que é necessário fornecer energia para uma transformação ocorrer. Até o momento, focamos

nosso estudo na energia térmica, estudando a diferença entre transformações endotérmicas

e exotérmicas, calculando a entalpia de reações etc. No entanto, muitos outros processos

químicos - espontâneos ou não - ocorrem com o envolvimento de energia elétrica. As reações

de combustão, que constituem hoje um dos principais meios de obtenção de energia, assim como

a corrosão de metais que é um grande problema da utilização desses materiais, são todas exemplos

de reações com transferência de elétrons. Nesta aula, estudaremos os primeiros conceitos das

reações que envolvem energia elétrica. Bom estudo!

10.2 Obtenção de metais na naturezaVocê viu na disciplina Geologia que a Terra é constituída de diversos elementos químicos,

que se ligam para formar minerais e que estes, quando possuem valor econômico, são denomi-

nados minérios.

a b

Figura 10.1: a. Quadrilátero ferrífero em Minas Gerais, uma das maiores fontes de minério de ferro no Brasil. b. Uma imagem do minério hematita. / Fontes: Via Fanzini, 2012, e Think Wicca, 2012.

148

10 Eletroquímica: primeiros conceitos

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

As substâncias metálicas (Fe, Cu) são muito utilizadas em nosso dia a dia: as latinhas de

refrigerante, as panelas de alumínio, os carros e muitos outros objetos são constituídos por

metais. No entanto, esses metais não são encontrados diretamente na natureza (Figura 10.1).

O ferro, por exemplo, é encontrado no mineral hematita; o cobre, no mineral calcocita, e assim

por diante. O material hematita é constituído da substância óxido de ferro III – na qual o ferro

se encontra ligado ao oxigênio (Fe2O

3) – e de outras substâncias chamadas impurezas por não

terem interesse comercial. No caso da calcocita, o cobre está ligado ao enxofre, formando a

substância sulfeto de cobre (Cu2S).

O “desafio” de separar o ferro do oxigênio, o cobre do enxofre etc. não é trivial para a

indústria e demanda bastante dinheiro e energia. Para exemplificar esse processo, tomemos o

caso da obtenção de ferro metálico.

Inicialmente, realiza-se a prospecção mineral, que é o processo de seleção de áreas para

pesquisa da existência de minerais, seguida da análise de custo, quantificação da necessidade de

pessoal, equipamentos e avaliação do impacto ambiental para extração dos minérios de interesse.

Em seguida, é a etapa de mineração, ou seja, a extração do minério do solo, que compreende os

processos de perfuração, detonação, carregamento e transporte.

O ferro é obtido a partir da hematita em um alto-forno (forno utilizado em metalurgia,

que chega a temperaturas superiores a 1.000 °C). Inicialmente, forma-se monóxido de carbono

(CO) a partir de carvão mineral (C) e oxigênio (O2):

10.1

O monóxido de carbono reage com hematita, formando o ferro:

10.2

Acesse o link http://www.labvirtq.fe.usp.br/applet.asp?lom=10628 do Laboratório Didático Virtual da FE/USP e assista a uma simulação

sobre a produção de ferro.

C(s) + O2(g) → CO2(g)

CO2(g) + C(s) → 2CO(g)

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

149

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

Além disso, o calcário (CaCO3) e a sílica (SiO

2), impurezas do minério de ferro, são trans-

formados em escória:

10.3

10.3 Oxidação e ReduçãoPara compreendermos a química do processo de obtenção de ferro metálico, é importante

conhecer o conceito de nox. Na transformação da substância Fe2O

3 para Fe (ferro metálico),

houve transferência de elétrons. Nox ou número de oxidação indica a quantidade de elétrons

que os átomos do elemento químico perderiam ou ganhariam se todas as ligações fossem iônicas.

Alguns elementos químicos possuem número de oxidação definido. Abaixo estão listadas

algumas regras para a determinação do nox (SantoS; Mól, 2010):

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3(s) (escória)

Pesquise as outras formas de obtenção de metais e também os custos envolvidos. Se soubéssemos o valor da obtenção de substâncias químicas em sua forma metálica, contribuiríamos mais para a redução da utilização e reciclagem dos metais em nosso cotidiano!

Regras para determinação do nox

1. O nox de qualquer átomo de uma substância simples é zero;2. O nox do hidrogênio é +1, mas quando o hidrogênio estiver ligado a um metal é −1;3. O nox do oxigênio é −2, mas em peróxidos (H

2O

2) é −1;

4. O nox dos halogênios (Família 7A ou 17) é −1;5. O nox dos metais alcalinos (Família 1A ou 1) é +1;6. O nox dos metais alcalinos terrosos (Família 2A ou 2) é +2;7. A soma dos nox de todos os átomos de qualquer espécie química neutra é zero;8. A soma dos nox de todos os átomos de qualquer espécie química iônica é a carga

total do íon.

150

10 Eletroquímica: primeiros conceitos

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

Assim, vamos calcular o nox dos átomos envolvidos na obtenção de ferro metálico:

Fe2O3

Nox O = −2

Nox Fe = ?

Como há 3 átomos de oxigênio, o nox total de carga negativa é −2 ⋅ 3 = −6;

Se a espécie é neutra, o nox total deve ser zero e, portanto, o nox total de carga positiva é +6.

Como existem dois átomos de ferro, então, o nox de cada átomo de ferro será +3.

Tabela 10.1: Nox dos átomos envolvidos na obtenção de ferro metálico.

Átomo Fe2O3 Fe

nox +3 -2 0

Observe, portanto, que, enquanto é um cátion, o ferro na forma Fe3+ permanece ligado com

oxigênio. Todo o processo de obtenção de ferro pode ser resumido no fornecimento de três

elétrons para que ele se torne Fe0 e, então, o ferro metálico.

Os metais são substâncias bastante reativas e, por isso, naturalmente, são encontrados combinados com outros elementos químicos.

Podemos pegar a Equação 10. 2 para calcular o nox de todos os elementos químicos:

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

Fe2O3 CO Fe CO2

+3 −2 +2 −2 0 +4 −2

Observe que o nox do ferro e do carbono se alteraram.

O ferro recebeu três elétrons, pois passou do cátion Fe+3 para Fe0. Dizemos que ele reduziu.

Já o carbono passou de C+2 para C+4 e, portanto, perdeu outros dois elétrons, tornando-se mais

positivo. Dizemos que ele oxidou.

151

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

A partir dessas definições podemos escrever semirreações para essas transformações:

Fe2O3(s) + 3e− → Fe(s) (semirreação de redução)

CO(g) → CO2(g) + 2e− (semirreação de oxidação)

Observe que cada átomo de ferro deve receber três elétrons para se transformar em ferro

metálico (Fe), mas que cada átomo de carbono, ao se oxidar, libera apenas 2 elétrons. Como os

elétrons que o ferro recebe são os que o carbono perde, então, a equação precisa ser balanceada

para que fique coerente quimicamente.

10.4 Balanceamento de equação de óxido-redução

Algumas equações de óxido-redução são difíceis de serem balanceadas pelo método de

tentativa e erro que estudamos anteriormente. Vejamos como balancear equações considerando

a oxidação e a redução.

Fe2O3(s)+ 3e− → Fe(s) (semirreação de redução)

CO(g) → CO2(g) + 2e− (semirreação de oxidação)

Oxidação e reduçãoOxidação: processo de perda de elétrons em uma transformação química. É o agente redutor do processo.No exemplo, o Fe+3 oxidou e Fe

2O

3 é o agente redutor.

Redução: processo de ganho de elétrons em uma transformação química. É o agente oxidante do processo.No exemplo, C+2 oxidou e CO é o agente oxidante.

152

10 Eletroquímica: primeiros conceitos

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

Inicialmente, é necessário igualar o número de elétrons perdidos/recebidos. Para tanto,

multiplicamos a semirreação de redução por 2 e a semirreação de oxidação por 3:

2Fe2O3(s) + 6e− → 2 Fe(s)

3CO(g) → 3CO2(g) + 6e−

Ao somar as equações, eliminamos a quantidade de elétrons envolvidos na reação, pois eles

aparecem nos reagentes e nos produtos. Também efetuamos eventuais ajustes como alguma

substância que não tenha recebido coeficiente estequiométrico por não conter espécie que

oxida/reduz (não é este caso). Nesta equação, vamos retirar o coeficiente do Fe2O

3 e, assim,

temos a equação balanceada (Equação 10.1):

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

10.5 Espontaneidade das transformações químicas que envolvem transferência de elétrons

Com esse exemplo da obtenção de ferro, aprendemos um novo tipo de reação química:

as reações de óxido-redução. O processo de transferência de elétrons entre espécies pode ser

espontâneo ou forçado pelo homem.

As reações de óxido-redução espontâneas são denominadas pilhas ou baterias e as não espon-

tâneas, eletrólise. Estudaremos essas reações em maiores detalhes na próxima aula. Para tanto,

vamos discutir um último conceito importante para compreender essas reações: a diferença de

potencial (ddp).

153

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

10.6 Diferença de potencial (ddp)Como você já estudou na disciplina Dinâmica, uma partícula dotada de massa ou carga

produz um potencial ao seu redor. Uma criança de massa m no topo de um escorregador

adquire energia potencial devido ao potencial gravitacional naquele local. Ao escorregar,

a criança passa de um ponto com potencial maior para um ponto com potencial menor.

A energia potencial é convertida em energia cinética.

Uma partícula carregada produz um campo elétrico ao qual está associado um potencial

elétrico. Se, em uma região, houver uma distribuição de cargas positivas, haverá um potencial

positivo associado a essa distribuição. Em uma pilha simples, devido a reações químicas, podemos

ter uma região com acúmulo de cargas positivas e uma região neutra em que não houve

reação química. A primeira região está num potencial V1 e a segunda está num potencial V2.

Se conectarmos esses pontos por um fio condutor, poderá haver corrente elétrica. Os elétrons

do fio, na presença do campo elétrico gerado por essa distribuição de cargas, migram da região

de menor potencial para a região de maior potencial, ou seja, os elétrons do fio adquirem

Ferrugem: uma reação de óxido-redução espontânea

Observe a Figura 10.2: a primeira imagem mostra um portão de ferro “enferru-jado”, em que é possível verificar que o material se desgasta, formando “buracos”. A representação submicroscópica desse processo ilustra o que ocorre. Nas condições adequadas, a interação de água, oxigênio e ferro faz com que o ferro metálico (Fe°) perca elétrons, tornando-se um cátion Fe2+. O íon é solúvel em água e, portanto, é levado, formando os buracos observáveis macroscopicamente.

Figura 10.2: a. Representação macroscópica e b. submicroscópica da corrosão do ferro. / Fonte: a. Thinkstock; b. modificado de Banco de Imagens LENAQ/UFSCar.

a b

154

10 Eletroquímica: primeiros conceitos

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

energia passando de um lado para outro. Veja na Figura 10.3 um

exemplo de pilha simples.

A unidade de potencial elétrico é o volt (V), nome recebido em

homenagem a Alessandro Volta, físico italiano que desenvolveu a

primeira pilha voltaica. Um volt é a diferença de energia potencial

por carga transportada entre dois pontos.

Numa pilha ou bateria, o campo elétrico é produzido através de reações químicas, onde há libe-

ração de cargas elétricas e, consequentemente, há uma diferença de potencial ou DDP entre dois

pontos (solução e placa metálica). Na próxima aula, estudaremos pilhas e como elas funcionam.

É possível gerar campo elétrico, mesmo na ausência de cargas. Na Figura 10.4, temos uma

bobina feita por um fio condutor ligado a uma lâmpada. Quando variamos a posição do ímã a

lâmpada acende. Na disciplina

Eletromagnetismo, você verá que a

variação de um campo magnético gera

campo elétrico (Figura 10.4).

É possível encontrar os termos dife-

rença de potencial e força eletromotriz

quando tratamos do assunto eletroquí-

mica. Enquanto a origem da diferença

de potencial é a existência de cargas

positivas de um lado e de outro uma

Acesse o link http://www.youtube.com/watch?v=FylUp4RvR8I e veja a história da eletricidade, começando com a invenção da pilha por Alessandro Volta.

Veja na simulação o movimento das cargas elétricas num circuito:http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/battery-resistor-circuit

Figura 10.4: Geração dinâmica de campo elétrico. Quando o magneto vermelho-azul se aproxima do arco condutor, a variação do campo mag-nético dentro do arco cria um campo elétrico ao longo do arco, como mostra a lâmpada acesa. O campo elétrico é proporcional à velocidade com que cresce (ou diminui) o campo magnético no interior do arco. / Fonte: modificado de USPSC.

Figura 10.3: Pilha de magnésio em uma solução de sulfato de cobre. A solução apresenta acúmulo de cargas positivas e a placa metálica está neutra.

155

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

região neutra, ou cargas positivas de um lado e negativas de outro, a força eletromotriz é a

responsável por manter a diferença de potencial constante entre os terminais de um gerador.

ReferênciasBraathen, P.C. Química Geral. 3. ed. Viçosa-MG: CRQ-MG, 2011.

MarqueS, G. C. Dinâmica do movimento dos corpos. In: GREF Física 3: Eletromagnetismo.

2. ed. São Paulo: Edus, 1995.

oliveira, L.N. Luz. In: GREF Física 3: Eletromagnetismo. 2. ed. São Paulo: Edus, 1995.

SantoS, W. l. P.; Mól, G.S. Química cidadã. (Coleção química para a nova geração).

1. ed. São Paulo: Nova Geração, 2010.

think Wicca. Hematita. Blogspot, 2012. Disponível em: <http://thinkwicca.blogspot.com.

br/2012/10/hematita.html>. Acesso em: 18 set. 2013.

tiPler, P.A. Física. 4. ed. São Paulo: LTC, v. 3, 2000.

ufScar. Banco de Imagens LENAQ/UFSCar. Departamento de Química. Universidade

Federal de São Carlos.

via fanzini. Mineração. Belo Horizonte, 2012. Disponível em: <http://www.viafanzine.jor.

br/site_vf/pag/3/mineracao2.htm>. Acesso em: 18 set. 2013.

Portanto, a diferença de potencial ou ddp pode ser gerada por:• reações químicas;• movimento relativo entre um magneto e um circuito.