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Universidade Federal do ParanáSetor de Tecnologia
Depto de Engenharia QuímicaCurso de Engenharia Química
Princípios de Eletroquímica
TQ-134 – Turma A
Prof. Dr. Mário J. Dallavalli
Princípios de Eletroquímica
Aula 01
Eletroquímica
Estudo da interconversão entre energia
elétrica e reações químicas
Eletroquímica
• Def.: Eletroquímica é a ciência que trata das relações entre química e eletricidade, descrevendo os fenômenos que ocorrem na interface de um condutor eletrônico, o eletrodo, com um condutor iônico, o eletrólito(1).
• Dois processos complementares ocorrem durante uma reação eletroquímica:– a transferência de carga elétrica na interface eletrodo/eletrólito e,– o transporte de massa das espécies redox dentro do eletrólito, que
pode acontecer por difusão, convecção ou migração.
• O conhecimento desses dois processos é de grande importância, pois permite entender a relação entre estrutura e natureza físico-química das espécies que participam da reação, bem como dos fenômenos eletroquímicos ocorridos1.
(1) Varela, H.; Malta, M.; Torresi, R. M.; Quim. Nova 2000, 23, 664.
Processos Eletroquímicos• A eletroquímica, reações e o fenômeno em si, são utilizados na purificação e
refinação de metais, na produção eletrolítica de comodities químicas, na conversão de energia química em energia elétrica nas pilhas, baterias e células a combustível, na transformação de matérias primas para dispositivos de microeletrônica, e no uso de eletrodos e sensores para controlar e monitoração de espécies químicas e avaliação de danos estruturais.
• Processos eletroquímicos abrangem 1/9 da Indústria Química nos Estados Unidos. A produção eletroquímica de cloro e alumínio em si consome mais de 5 % da energia elétrica gerada nos Estados Unidos.
• A corrosão, também um processo eletroquímico, tem um enorme impacto econômico. Estudos mostram que o custo anual de corrosão para os E.U.A. para a economia é da ordem de US $ 200 bilhões. Exemplos quotidianos incluem a corrosão de barras de reforço em concreto para pontes e estradas, bem como a deterioração das estruturas metálicas em plantas químicas e nucleares.
• Processos corrosivos tem, também, um enorme impacto na geração de energia elétrica, trocadores de calor para refrigeração, indústrias marítimas, transformação de alimentos, transporte, embalagem e montagem de componentes eletrônicos, a exploração do espaço, e a defesa nacional.
Bibliografia recomendada:
• DENARO, A. R., Fundamentos de eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974
• BRETT, A. M. O., Eletroquímica princípios, métodos, e aplicações. Ed. Oxford, 1993.
• PLETCHER, D., Industrial electrochemistry, Ed. Chapman and Hall, 1982.
• GENTIL, V., Corrosão, 5ª ed., Ed. LTC, 2007.
Programa:• Eletroquímica
– Princípios– Células eletroquímicas– Região interfacial– Cinética e reações de eletrodo– Transporte de massa– Reatores
• Engenharia Eletroquímica– Custos de processos eletrolíticos– Parâmetros da eletrólise– Indústrias
• Cloro-alcali• Alumínio
Programa: (cont.)
• Indústrias (cont.)– Extração e refino de metais– Processos eletrolíticos inorgânicos – (eletrólise da água– Eletrosíntese de orgânicos – (hidromerização da acrinonitrila –
Nylon) – Acabamento de metais (Galvanoplastia, Anodização)– Baterias– Células a combustível– Tratamento de água e proteção ao meio ambiente
• Corrosão– Princípios– Formas de corrosão– Proteção contra a corrosão
Nomenclatura Eletroquímica
A seguir está descrita a nomenclatura hoje utilizada no estudo da eletroquímica
a) ELETRODOS: São assim chamadas as partes metálicas que estão em contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica.
b) ÂNODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula ENTRA na solução.
c) CÁTODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula DEIXA a solução.
d) ELETRÓLITOS: São assim chamadas todas as soluções que CONDUZEM a corrente elétrica.
e) ÍONS: São assim chamadas as partículas carregadas que se movimentam na solução.
OBS. Lembrando que o sentido convencionalmente adotado para a corrente elétrica é o sentido oposto ao da movimentação dos elétrons, ânodo e cátodo podem ser redefinidos como segue:
ÂNODO: Eletrodo do qual saem os elétrons para o circuito externo da célula.
CÁTODO: Eletrodo no qual entram os elétrons através do circuito externo da célula.
f) CÉLULA ELETROQUÍMICA: Todo sistema formado por um circuito externo que conduza a corrente elétrica e interligue dois eletrodos que estejam separados e mergulhados num eletrólito.
ELETROQUÍMICA
Tipos de Células Eletroquímicas
• Célula Galvânica – reação ocorre naturalmente - Pilha• - potencial positivo (Ecel = +)
- exotérmica produz energia» Ânodo = (-) e Cátodo = (+)
• Célula Eletrolítica – reação não ocorre naturalmente, requer estimulo externo (energia) para ocorrer – Célula
p/ Cloro-Soda• - potencial negativo (Ecell = -)• - endotérmica requer energia
» Ânodo = (+) e Cátodo = (-)
• Células quimicamente reversíveis – células as quais revertem a direção da corrente simplesmente revertendo-se a reação química – Bateria Pb/Ácido
Célula Galvânica
ELETRODOS:Célula galvânica,
baseada na reação Zinco-Cobre
Célula Galvânica
No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:
No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação:
Reação Global:
Células galvânicas
• “Regras” para células galvânicas:– 1. No ânodo os elétrons são produtos (oxidação).– 2. No cátodo os elétrons são reagentes (redução).– 3. Os elétrons não podem nadar.
• Os elétrons fluem do ânodo para o cátodo.
• Conseqüentemente, o ânodo é negativo e o cátodo é positivo.
• Os elétrons não conseguem fluir através da célula, eles têm que ser transportados por um condutor eletrônico (eletrodo) e um condutor iônico (íons), vide regra 3.
RESUMO:
Célula Eletrolítica - Célula de Membrana Produção de Cloro e Soda
Produção de Cloro e Soda
Células de diafragma
• Catodo perfurado de aço ou ferro, e
• Anodo de titânio recoberto de platina ou óxido de platina.
• Ao catodo se adere um diafragma poroso de fibras de asbesto misturado com outras fibras como o politetrafluoroetileno.