Eletromagnetismo no Ensino Médio

Interpretação básica do experimento:

1. Os eletrodos estão em compartimentos separados: a transferência de elétrons indireta requer que oxidante e redutor fiquem.
2. Do mesmo modo que na pilha de Volta, a reação química [ Zn⁰ Zn²⁺ + 2 e- ] é a fonte de elétrons para a pilha de Daniell. É nessa reação que consiste a "transformação da energia química em energia elétrica". A energia provém da transformação do zinco em sulfato de zinco. O zinco vai sendo consumido.
3. A utilização da superfície porosa ou da ponte salina, que é responsável pelo fechamento do circuito elétrico, põe em contato as duas soluções chamadas de eletrólitos, onde as cargas livres passam de um eletrólito a outro, uma vez que a quantidade ou concentração dessas cargas livres afeta diretamente o fluxo de elétrons no fio do circuito externo.
4. Para que a corrente circule pelo sistema, é necessário que o circuito esteja fechado. Pelo fio metálico movimentam-se os elétrons que unem os eletrodos metálicos e pela ponte salina, os íons, constituindo uma fonte de energia eficiente.

O Zn, mais reativo, tem maior tendência a oxidar-se que o Cu, isto é, Zn tem maior poder redutor, já que tem maior facilidade em perder elétrons.

Obs.:
a. A reatividade de um elemento químico está associada à sua maior ou menor facilidade e ganhar ou perder elétrons.
b. As reatividades comparativas desses elementos foram determinadas experimentalmente e são conhecidas por Filas de reatividade.
c. Através de uma série de experimentos envolvendo vários metais e o hidrogênio, foi estabelecida a Fila e reatividade:

K > Na > Li > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

Os metais menos reativos que o H são considerados metais nobres.


- podemos canalizar aquela tendência espontânea que os átomos de Zn possuem de ceder elétrons para os íons Cu²⁺
Monta-se um eletrodo de Zn (placa de Zn em uma solução de ZnSO₄) e um eletrodo de Cu (placa de Cu em uma solução de CuSO₄) ligados por um fio condutor. Cada tipo de elemento químico possui um potencial, uma "tendência" para perder ou atrair elétrons.
Esta "tendência" é chamada Potencial de oxidação e é medida em Volts ( V ).
Podemos encontrar os valores do potencial de oxidação de alguns elementos em tabelas. No caso da reação entre o Zn e o sulfato de cobre II ( sulfato cúprico - cobre de Nox = 2+ ), temos:
E_Zn/Zn²⁺ = + 0,76 V
E_Cu/Cu²⁺ = - 0,34 V

Pode-se perceber que o potencial de oxidação do Zn é maior que o potencial do Cu. Portanto, somente há reação quando o Zn⁰ (zinco metálico) puder oxidar-se. Ao Cu²⁺ (cátion), de menor potencial, não há opção senão reduzir-se.

Podemos calcular a ddp pela diferença absoluta entre os potenciais de oxidação dos elementos.
ddp = maior - menor
ddp = ( E_Zn/Zn²⁺ ) - ( E_Cu/Cu²⁺ )
ddp = (+ 0, 76 V ) - ( - 0, 34 V )
ddp = + 0,76 V + 0,34 V
ddp = + 1,10 V

- os 2 processos representados:
1. Semi-reação de oxidação - pode ser expressa pela equação:
Zn⁰ Zn²⁺ + 2 e-


2. Semi-reação de redução - pode ser expressa pela equação
Cu²⁺ + 2 e- Cu⁰

- as semi-reações constituem uma análise microscópica, então, podemos justificar cada semi-reação:
Cada átomo de Zn⁰ da placa, ao passar para a solução, deixa 2 elétrons na placa.
Esses elétrons saem espontaneamente para o fio condutor e chegam até a placa de Cu. Isso explica o aparecimento do fluxo de elétrons, acusado pelo amperímetro. É esse fluxo que faz o aparelho funcionar.
Os elétrons que chegam à placa de Cu⁰ atraem os íons Cu²⁺ da solução que, em contato com a placa, recebem esses elétrons e se convertem em átomos Cu⁰ , que se depositam na placa.
O átomo neutro Cu⁰ assim formado fica anexado à placa, ou seja, passa a fazer parte dela.

- o que ocorre exatamente em cada eletrodo, para que apareça o fluxo de elétrons:
. Eletrodo de Zn
- os átomos da placa de Zn⁰ passam para a solução na forma de cátions (Zn²⁺)
- Zn²⁺ aumenta
- a placa se desgasta

. Eletrodo de Cu
- os íons Cu²⁺ colidem com a placa, recebem elétrons e ficam anexados ( Cu⁰ )
- Cu²⁺ diminui
- a massa da placa aumenta

- análise química: o que acontece com os átomos da placa e os íons da solução:
. a placa de Zn fica corroída
. a massa da placa de cobre aumenta
. a concentração de Zn²⁺ aumenta
. a concentração de Cu²⁺ diminui

- sentido dos elétrons
Os elétrons circulam do eletrodo de maior potencial de oxidação para o de menor potencial de oxidação: os elétrons vão do zinco para o cobre.

- pólos da pilha
Pólo negativo - o de maior potencial de oxidação Zn - onde ocorre oxidação
Pólo positivo - o de menor potencial de oxidação Cu - onde ocorre redução
A placa de zinco cede elétrons é o ânodo ou terminal negativo e a placa de cobre metálico, que recebe elétrons é o cátodo ou terminal positivo. O sentido da corrente elétrica que passa pelo condutor é do ânodo para o cátodo.

- A pilha de Daniell é representada pela seguinte notação:

Zn⁰/Zn²⁺ // Cu²⁺/Cu⁰
Ânodo - Ponte Salina - Cátodo

- Como os elétrons de zinco chegam à placa de cobre

A placa de zinco ao entrar em contato com a solução ZnSO₄ sofre oxidação: perde 2 elétrons e começa a dissolver-se, isto é, íons positivos de zinco Zn²⁺ deixam a placa e entram na solução.
A energia química que é desenvolvida por esta reação é a responsável pela geração da corrente elétrica e pela energia elétrica a ela associada. O estudo químico desta reação mostra que ela é uma reação espontânea. Este é o motivo pelo qual, ao se fechar o circuito externo de uma pilha, a corrente elétrica começa a fluir automaticamente.
Cada Zn²⁺ ao entrar na solução, deixa na placa de zinco, dois elétrons; desse modo, a placa de zinco, por causa dos elétrons ali deixados, ficou com excesso de carga negativa.
Os íons positivos de zinco (Zn²⁺) repelem os íons positivos de cobre (Cu²⁺) para a placa de cobre.
À medida que cada Cu²⁺ chega na placa de cobre, retira dela 2 elétron e torna-se, um átomo neutro.
A placa de cobre, cedendo elétrons, ficou com excesso de carga positiva.
Assim, foi criada uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre as placas de zinco e de cobre.
Quando ligadas a um condutor, dá-se a passagem de elétrons do zinco para o cobre. Os elétrons fluem do eletrodo onde ocorre oxidação (Zn⁰) para o eletrodo onde ocorre redução (Cu⁰).
Se colocarmos nesse fio um aparelho denominado voltímetro, podemos medir a força eletromotriz. O valor indicado pelo voltímetro, em Volts (V), corresponde à força eletromotriz da pilha. Nas pilhas comuns este valor aparece na embalagem externa da pilha.

- Energia transformada na pilha
Agora podemos compreender claramente o que significa a expressão: "a pilha transforma energia química em energia elétrica". Significa que a reação química [Zn⁰ Zn²⁺ + 2 e-] liberta dois elétrons, isto é, liberta carga elétrica.
Com o funcionamento da pilha a reação continua e o zinco vai sendo consumido, e transformado em sulfato de zinco. Podemos então, dizer que a energia elétrica fornecida pela pilha provém da energia química do consumo do zinco. Depois de algum tempo de uso, o zinco desaparece. Para restaurar a pilha precisamos usar nova lâmina de zinco.

Como funciona a pilha?

No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:

1. Ocorre a oxidação do zinco, que perde 2 elétrons e transforma-se num íon Zn²⁺.
2. O eletrodo de cobre atrai estes 2 elétrons que passam pelo fio sob a forma de corrente elétrica.
Potencial de redução (Ered): é a capacidade de atrair elétrons que cada íon metálico em solução apresenta.
3. Assim que o eletrodo de cobre recebe os 2 elétrons, os íons livres Cu²⁺ presentes na solução são, então, atraídos para o eletrodo de cobre carregado. Estes íons são reduzidos ao receber os 2 elétrons, transformando-se em Cu⁰ depositando-se no eletrodo sob a forma de metal, de maneira a igualar as cargas negativas, ou seja, equilibrando as cargas.
4. Os íons positivos Zn²⁺ produzidos pelo eletrodo de zinco passam para a solução de sulfato de zinco.
Por sua vez, para cada íon Cu²⁺ depositado, um íon de Zn²⁺ é libertado do eletrodo de zinco para a solução doando 2 elétrons para o eletrodo de cobre

No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação:

A dissolução de átomos de zinco para sua forma iônica, corresponde ao depósito de íons de cobre em sua forma metálica.

Reação Global:

1. Os 2 elétrons fornecidos pelos átomos de zinco passam pelo fio de interligação, fornecendo corrente elétrica para o dispositivo a ele ligado.
2. Se não houvesse contato entre as duas soluções (chamadas de eletrólitos), através do vaso poroso ou da ponte salina, os elétrons passariam rapidamente para o cobre (que tende a receber elétrons do zinco) e, ao se concentrarem na placa de cobre, as forças de repulsão interromperiam o fluxo de elétrons. O fluxo dessa maneira interrompe-se muito rapidamente e não há como aproveitar a geração de energia elétrica.
3. Banhando-se os eletrodos em eletrólitos, que são soluções condutoras geralmente salinas ou ácidas, e permitindo que essas duas soluções troquem íons, haverá fluxo de cargas em ambas direções, permitindo que o efeito de geração de corrente elétrica perdure até que o eletrodo de zinco se consuma (pois o eletrodo de zinco corrói-se no processo). Ainda, pode haver formação de hidrogênio no eletrodo de cobre e haverá depósito de óxidos no eletrodo de zinco, o que servirá de barreira entre o metal e o eletrólito. Este fenômeno é conhecido como polarização dos eletrodos.
4. Com o tempo, íons Zn²⁺ vindos do eletrodo de zinco, combinados com cargas que passam através da ponte salina, aumentarão a concentração de sulfato de zinco em um recipiente ou meia-célula, enquanto que paralelamente haverá redução de concentração na solução de sulfato de cobre, por perda de íons Cu²⁺. Isso provocará diminuição gradual da corrente elétrica, até que a reação cesse e pilha é considerada esgotada. Os íons Zn²⁺ acabarão por finalmente alcançar o eletrodo de cobre, envolvendo-o e bloqueando qualquer movimento de íons Cu⁺⁺, polarizando este eletrodo.
5. Pela reação global, conforme a pilha vai funcionando, percebe-se que:
a. A placa de Zn sofre corrosão (desgaste) com aumento da concentração de Zn²⁺ em solução.
b. Aumento de massa da placa de cobre, devido a deposição de Cu²⁺ formando Cu⁰ , diminuindo a concentração de Cu²⁺ , com o clareamento da coloração azul da solução.

Parede porosa (de porcelana, por exemplo)
Tem por função manter constante a concentração de íons positivos e negativos, durante o funcionamento da pilha. Ela permite a passagem de cátions em excesso em direção ao cátodo e também a passagem dos ânions em direção ao ânodo. Atravessando a parede porosa, os íons em constante migração estabelecem o circuito interno da pilha.

Ponte salina - solução eletrolítica que não participa diretamente das reações nos eletrodos.

Qual é o papel da ponte salina?
À medida que o Zn⁰ se oxida, como a solução vai ficando mais rica em íons Zn²⁺, para que a neutralidade de carga seja mantida, cátions devem se mover no sentido da solução CuSO₄ e (ou) ânions devem chegar à solução de Zn²⁺.
Além disso, cátions K⁺ dirigem-se à semi-cela do cobre e o ânion Cl^- à do zinco.
Tudo isso ocorre, ao mesmo tempo, que os elétrons fluem no fio graças à reação da pilha.

Para manter a neutralidade elétrica (equilíbrio elétrico) íons migram através da ponte salina: cargas positivas e negativas na solução, íons Zn²⁺ migram para o eletrodo de Cu e íons SO₄^2- migram para o eletrodo de Zn, através da ponte salina.

Importante
1. Aparecimento da ddp inicial, entre cobre e zinco.
Inicialmente aparece uma diferença de potencial inicial: o zinco liberta íons positivos de zinco na solução de sulfato de zinco, e retém elétrons, ficando negativo em relação à solução. O cobre liberta íons positivos de cobre, na solução de sulfato de cobre, e retém elétrons, ficando negativo em relação à essa solução. Mas, o zinco liberta mais íons do que o cobre, retendo mais elétrons. Por isso, o zinco fica mais negativo que o cobre.

2. Manutenção da ddp através da superfície porosa ou ponte salina.
É devida à ação dos sulfatos de cobre e de zinco.
a. Sulfato de cobre
Este sal se dissocia em íon de Cu²⁺ e íon SO₄^2-: CuSO₄ Cu²⁺ + SO₄^2-
O íon Cu²⁺ se dirige para a placa de cobre; aí recebe elétrons que estão chegando pelo condutor e se transforma em cobre metálico Cu0, depositando no eletrodo de cobre. Este eletrodo vai crescendo à medida que a pilha funciona.
O íon SO₄^2- atravessa a parede porosa ou ponte salina e se dirige para a placa de zinco. Aí reage com o Zn⁰ e produz sulfato de zinco, libertando-se 2 elétrons na reação: [Zn⁰ + SO₄^2- ZnSO₄^2- + 2 e-]
Esses 2 elétrons, o zinco os cede ao condutor , que os transporta para a placa de cobre. O sulfato de zinco se dissolve. Do mesmo modo que na pilha de Volta esta reação química é a fonte de elétrons para a pilha de Daniell. É nessa reação que consiste a "transformação da energia química em energia elétrica". A energia provém da transformação do zinco em sulfato de zinco. O zinco vai sendo consumido.

b. Sulfato de zinco
Este sal se dissocia em íon de Zn²⁺ e íon SO₄^2- : ZnSO4 Zn²⁺ + SO₄^2-
O íon SO₄^2- se dirige para a placa de zinco e reage com ele de acordo com a equação:
Zn⁰ + SO₄^2- ZnSO₄^2- + 2 e- forma-se mais sulfato de zinco, que se dissolve e libertam mais 2 elétrons.
Quanto aos íons Zn²⁺, alguns se unem novamente com íons SO₄^2- e reconstituem moléculas de sulfato de zinco. Mas, a maioria deles permanece na solução sob a forma de íons. A medida que a pilha funciona, o número de íons Zn²⁺ ao redor do eletrodo de zinco vai aumentando. Como esse eletrodo é negativo e os íons Zn²⁺ são positivos, o aumento da quantidade desses íons faz diminuir a ddp entre o cobre e o zinco. À medida que funciona, a pilha de Daniell piora.