Para o professor...
A - A lâmpada acende porque tem "algo"
circulando no circuito metálico fechado, do qual o filamento de
tungstênio faz parte.
Se a corrente elétrica é invisível,
como se pode perceber a sua presença? Qual a evidência que
tem coisas circulando?
Através de evidências macroscópicas
vamos entender a organização microscópica das substâncias.
Cristal iônico de CuSO4
Solução de CuSO4
Solução de ácido clorídrico
Solução de açúcar (sacarose)
Placa metálica com verniz
Placa de zinco
Placa de cobre acende
Plástico não acende |
não acende
acende
acende
não acende
não acende
acende
acende
acende
|
Para entender a condutividade elétrica vamos analisar
os componentes que a formam.
A. Por que o cristal CuSO4
não conduz corrente elétrica?
O CuSO4 sólido apresenta ligação iônica (composto
iônico) , isto é, contém íons Cu2+ (cátions)
e SO42- (ânions). Seus íons, atraídos por forças
eletrostáticas, formam um agregado gigante e ordenado de partículas,
formando um retículo cristalino (cristal). Não conduz corrente
elétrica porque os íons, por estarem presos ao retículo
cristalino, não podem se movimentar.
B. Por que a solução aquosa
de sulfato de cobre conduz corrente elétrica?
Para liberar a movimentação desses íons, colocamos
esses compostos iônicos em solução aquosa.
Quando se adiciona água a esse retículo, ocorre uma redução
da força de atração das cargas opostas ficando os
íons livres, por isso, podem conduzir corrente elétrica.
A água apenas separa as cargas já existentes e esse processo
denomina-se dissociação iônica, termo cujo significado
é "separação" de íons, portanto,
um fenômeno físico.
A água é uma substância formada por moléculas
polares, cujo pólo negativo está situado no átomo
de O?- e o pólo positivo, nos átomos de H?+. Como as partículas
com cargas de sinais opostos se atraem, parte positiva da molécula
de água (H?+) é atraída pelo íon negativo
SO4 2-(ânion) e a parte negativa (O?-) pelo íon positivo
cátion Cu2+ (cátion).
O resultado dessas interações será a obtenção
de uma solução iônica que recebe a denominação
de solução eletrolítica porque conduz eletricidade.
As moléculas de água, que envolvem os íons são
denominadas água de solvatação. A equação
que representa esse fenômeno:
CuSO4 ? Cu2+(aq) + SO42-(aq)
Portanto, a função da água consiste
na separação dos íons já existentes no aglomerado
iônico (retículo cristalino), ocorrendo uma dissociação
iônica - Teoria da dissociação iônica - Arrhenius
-Prêmio Nobel 1903.
C. Por que solução aquosa
de açúcar não conduz corrente elétrica?
Nessa solução não existem íons. Nesse caso,
o açúcar somente se dissolveu na água.
O C12H22O11 apresenta apenas ligações covalentes (substância
molecular), então, não existem íons em sua composição.
Nesse caso, mesmo na presença de água não há
formação de íons e portanto, a solução
não conduz corrente elétrica. Dizemos que o açúcar
apenas se dissolveu. Esse processo denominado dissolução
pode ser representado pela equação:
C12H22O11(S) ? C12H22O11(aq)
Substâncias moleculares possuem ligação
covalente - os átomos se mantém unidos porque suas eletrosfera
compartilham alguns elétrons, isto é, fazem uso comum da
quantidade de elétrons necessários para que passem a ter
eletrosfera semelhante à de um gás nobre.
Por que os elétrons compartilhados mantêm os átomos
unidos?
Os núcleos dos átomos que se unem para formar uma molécula
se repelem, pois possuem cargas elétricas de mesmo sinal. Um elétron
presente entre esses 2 núcleos, atrairá ambos, pois o núcleo
e elétron possuem cargas de sinais opostos. A presença de
elétrons acarreta uma atração suficientemente alta
para manter os núcleos unidos, apesar da repulsão entre
eles.
Muitos materiais modernos e resistentes são constituídos
por substâncias em que há ligação covalente.
É o caso dos poliésteres e das poliamidas. Materiais que
podem ser empregados na confecção de barracas, pára-quedas
e asas-delta.
A ligação covalente permite, em certos casos, a formação
de longas moléculas tais como as da substância presente no
cabelo, a queratina.
D. Por que solução
aquosa de ácido clorídrico conduz corrente elétrica?
Nela existem íons livres. Como o HCl é um composto formado
por moléculas, os íons devem ter sido formados mediante
a quebra dessas moléculas pela água. Esse fenômeno
é chamado ionização. No fenômeno de ionização,
a água atua como reagente constituindo-se o fator determinante
para a formação de íons, sendo, portanto, um fenômeno
químico.
O HCl apresenta ligação covalente (composto molecular) ,
o que significa que não existem íons em sua composição.
Assim, se há condução de corrente elétrica
é porque há formação de íons, processo
denominado ionização. A água participa na formação
dos íons como reagente de uma reação que pode ser
representada pela equação:
HCl(s) + H2O(l) ? H3O+(aq) + Cl-(aq)
Observe que o HCl puro é encontrado no estado gasoso
e, como não contém íons livres, não conduz
corrente elétrica. Submetido a uma liquefação, ele
também não conduz corrente elétrica, pois, permanece
puro e, portanto, sem íons.
E. Por que a placa metálica
envernizada não conduz corrente elétrica?
Por que o verniz impede o contato direto com o metal.
F. Por que as placas metálicas
de Zn e Cu conduzem corrente elétrica?
Algumas substâncias possuem a propriedade de conduzir elétrons,
como os metais, a grafite (condutores elétricos). Materiais que
possuem elétrons livres que se movem com facilidade porque estão
fracamente ligados ao núcleo.
Em condições ambientais, com exceção do mercúrio,
que é líquido, todas as substâncias metálicas
são sólidas e formadas por cristais semelhantes aos das
substâncias iônicas. Os cristais metálicos são
formados por um arranjo geométrico tridimensional dos cátions,
denominado retículo cristalino, mergulhados em uma nuvem eletrônica
constituídas por elétrons mais externos, situados na camada
de valência dos átomos metálicos - os elétrons
livres. O arranjo geométrico cristalino dos íons facilita
o movimento dos elétrons livres em sua estrutura. A nuvem eletrônica
pertence a todo cristal e, como seus elétrons possuem alta mobilidade,
uma das propriedades características dos metais é a condução
de corrente elétrica.
G. Por que plástico não
conduz corrente elétrica?
Outras substâncias oferecem muita resistência à condução
de elétrons - são os isolantes ou dielétricos: plástico,
madeira, vidro, borracha, cerâmica, isopor, seda, mica, cortiça.
Materiais com arranjo atômico ou molecular que dificulta a movimentação
dos elétrons porque estão mais fortemente ligados ao núcleo.
Importante - Na lâmpada, a resina de cor preta
isola eletricamente a rosca da base, para que o caminho metálico
fique bem definido e o filamento de tungstênio possa fazer parte
do circuito. O vidro do bulbo que também é isolante envolve
todo caminho metálico e impede o contato com o meio ambiente que
contém oxigênio, impedindo que a lâmpada se queime
com facilidade.
Conclusão
A partir da estrutura microscópica podemos entender as propriedades
macroscópicas das substâncias, pois são decorrentes
do tipo de ligação entre os átomos e da geométrica
molecular, ou seja, da maneira como os átomos estão dispostos
no agregado atômico. E, para a lâmpada acender é preciso
que tenha movimento de cargas (elétrons ou íons).
Substâncias iônicas
Pura
Solução aquosa
|
sólida
líquida
dissociação iônica
|
não conduz
conduz
conduz
|
Substâncias moleculares
Pura
Solução aquosa
|
sólida
dissolução
|
não conduz
não conduz
|
Substância metálica
Pura
|
elétrons livres
|
conduz
|
Soluções que conduzem corrente elétrica
são denominadas soluções eletrolíticas e a
substância dissolvida é chamada eletrólito (substâncias
que ao serem dissolvidas na água, sofrem dissociação
iônica ou ionização)
Solução molecular ou solução não-eletrolítica
é aquela que não contém íons e, portanto,
não é conduz corrente elétrica.
B - Ao se conectar as 2 placas metálicas com um
fio condutor contendo uma lâmpada, , tem-se uma pilha funcionando
como fonte de corrente elétrica, realizando um trabalho: acendendo
uma lâmpada.
O que ocorre dentro de uma pilha? - Como explicar tudo
isso?
Para entender o princípio de funcionamento da pilha é preciso
saber:
- Que tipos de reações químicas acontecem?
- Como aparecem s cargas?
- Por que aparecem as cargas?
- De onde vêm esses elétrons?
- Quando surge a corrente elétrica?
Princípio de funcionamento da pilha - um reagente
cede elétrons para outro reagente através de uma reação
de óxido-redução e essa transferência de elétrons
se dá através de um fio condutor. Quando esses elétrons
passam pelo filamento de tungstênio da lâmpada ele fica incandescente
emitindo luz (transformação da energia térmica em
radiante).
a. Quando uma barra de zinco é colocada em uma solução
eletrolítica, o Zn metálico apresenta a tendência
de perder elétrons de acordo com a reação:
Zn0 ? Zn2+ + 2 e
b. Similarmente, quando uma barra de cobre é colocada em uma solução
eletrolítica, o cobre metálico também apresenta a
tendência de perder elétrons. Porém observa-se que
a tendência do zinco de perder elétrons é mais forte
do que aquela do cobre (Zn é mais reativo que o Cu).
Cu0 ? Cu2+ + 2 e
c. Portanto, ao fechar externamente o circuito com um fio condutor, verifica-se
um fluxo de elétrons entre as barras de zinco e de cobre, neste
sentido.
Estabelecemos, então, externamente à solução,
a passagem da corrente elétrica!
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
Que tipos de reações químicas acontecem
dentro da pilha para produzir corrente elétrica?
Deve ocorrer um tipo de reação química de óxido-redução,
com transferência de elétrons, muito comum na natureza e
responsável pela oxidação dos metais sob a ação
da atmosfera (por exemplo, a ferrugem).
Como aparecem as cargas?
Apenas o contato entre metais diferentes não é suficiente
para a geração da corrente elétrica, sendo para isso
necessária a presença de um líquido condutor (solução
eletrolítica) onde os metais possam desenvolver as reações
que transformam a energia química em elétrica.
Por que aparecem as cargas? Por que placas de metais diferentes?
As cargas dos átomos
átomos com carga total
neutra negativa positiva
estado fundamental ânion cátion
Estado fundamental - nº de elétrons igual nº
de prótons, o que resulta em carga zero, pois o nº de cargas
negativas é igual ao nº de cargas positivas.
Ânion - átomo possui + elétrons do que próton,
haverá mais cargas negativas do que positivas e ele terá
carga total negativa, pois sobram partículas negativas em relação
às positivas.
Cátion - o átomo possui + prótons do que elétrons,
haverá mais cargas positivas do que negativas e ele terá
carga total positiva, pois sobram partículas positivas em relação
às negativas.
Porque uns perdem outros ganham elétrons? Quem cede?
Quem recebe?
A transformação que escolhemos envolve o elemento Zn e o
elemento Cu. Existe uma tendência do Zn. no estado fundamental,
ceder elétrons para o cátion Cu2+. É uma transformação
de oxirredução pois existe transferência de elétrons
entre Zn e Cu.
Importante - Os átomos que recebem elétrons
devem estar, necessariamente, na forma de cátions.
Fila de Reatividade
A tendência à doação de elétrons diminui
da esquerda para a direita, da mesma forma, que a reatividade. Ou seja,
os elementos situados mais a direita são mais estáveis (ou
menos reativos) que os situados à esquerda.
Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn
Cr Fe Sn Pb H Cu Ag Hg Au
A fila de reatividade é determinada, experimentalmente:
o elemento terá a sua tendência - ou potencial - a doar elétrons,
medida em relação a um padrão. Tem-se, assim, o potencial
de eletrodo simbolizado por E0. Para a medida do potencial de eletrodo,
escolheu-se como padrão o eletrodo de Hidrogênio e como unidade
de medida o Volt (V), que é a unidade convencional para potencial
elétrico. Ao eletrodo-padrão de H, nas condições
padrão (temperatura de 25°, em solução 1 molar
e à pressão de 1 atm), foi atribuído o valor zero
ao seu potencial.
Cada tipo de elemento químico possui um potencial, uma "força"
para perder ou atrair elétrons. Esta força é chamada
Potencial de Oxidação (medida da capacidade de um elemento
perder elétrons) ou Potencial de redução (medida
da capacidade de um elemento receber elétrons).
E0oxid (Zn/Zn2+) = + 0,76 V E0red = - 0,76 V
E0oxid (Cu/Cu2+) = - 0,34 V E0red = + 0,34 V
- Oxidação é perda de elétrons.
- Redução é ganho de elétrons.
Para construir uma pilha podemos usar metais diferentes
do cobre e zinco, basta que tenham potenciais de oxidação
e redução favoráveis para que ocorra uma reação
de óxido-redução. As pilhas atuais são versões
melhoradas da pilha de Volta, os 2 reagentes estão separados para
que troquem elétrons por meio de um circuito externo.
De onde vêm esses Elétrons? Quem corrói?
Quem deposita?
Na placa de zinco, os átomos de zinco metálico Zn0 ao se
tornarem cátions Zn2+, deixam a placa e migram para a solução
atraídos pelo SO42- . Isso faz com que a placa de zinco seja corroída,
perdendo para a solução parte de seus átomos.
Os cátions Cu2+ ao receber os elétrons tornam-se
cobre metálico Cu0 e depositam-se na placa de cobre. Esse fenômeno
é verificado pela formação de um depósito
vermelho. Exposto ao ar, a coloração vermelho salmão
inicial torna-se vermelho violeta devido à formação
do óxido cuproso ( Cu2O ) para enegrecer-se posteriormente devido
à formação do óxido cúprico ( CuO).
A solução fica azul mais claro - há
indício de que houve diminuição da quantidade íons
Cu2+ porque há uma transferência de elétrons do Zn0
para os íons Cu2+: o Cu2+ ao receber 2 elétrons se transforma
em Cu0.
Relacionamento placa/Solução
Quando a placa de Cobre entra em contato com a solução CuSO4
, há um princípio de ionização, ou seja, átomos
de cobre deixam 2 de seus elétronns na placa e passam para a solução
como Cu2+, estabelecendo-se, então, o equilíbrio, poruqe
os 2 elétrons atraem simultaneamente o Cu2+ da solução
que se transformam em Cu0 metálico.
Cu0 ? oxidação? Cu2+ + 2 é
? redução?
Os átomos de Zinco da placa metálica passam para a solução
na forma de íons Zn2+. Cada íon ao passar para a solução,
deixa 2 elétrons na placa.
Quando surge a corrente elétrica?
Quando surge a diferença de potencial entre a placa de zinco e
a placa de cobre.
O que é diferença de potencial - ddp?
A ddp é a "força" total com que os elétrons
são transferidos de um átomo paea outro. Esses elétrons
livres passam de um metal para outro, mas, dependendo dos metais empregados,
passam com maior facilidade em um sentido. O metal que receber maior número
de elétrons ficará, então, negativo. O outro, por
causa da deficiência dos elétrons, ficará positivo.
Podemos calcular a ddp pela diferença absoluta entre os potenciais
de oxidação dos elementos.
Calculando a voltagem - tensão elétrica
dE0 = E0oxi maior - E0oxi menos
dE0 = E0Zn/Zn2+ - E0Cu//Cu2+
dE0 = + 0,76 V - (- 0,34 V)
dE0 = 1,10 V
Quando se ligam os dois elétrodos por fios condutores
ocorre um movimento de cargas eléctricas para tentar anular essa
diferença. Cria-se um fluxo de corrente no circuito.
Quanto maior for a ddp entre os terminais de uma fonte de energia, maior
será a quantidade de energia eléctrica fornecida a um receptor.
A ddp (U) é uma grandeza física que caracteriza a corrente
eléctrica e a sua unidade no Sistema Internacional é o volt
(V).
Para o funcionamento da pilha é preciso:
1. aparecimento de uma ddp inicial
inicialmente se estabelece uma ddp entre o cobre e o zinco, provocada
pelo fato de esses
2 metais não terem a mesma facilidade para libertar íons
na água.
2. manutenção dessa ddp
Depois, os íons SO42- e Cu2+ permitem que a diferença de
potencial se mantenha.
1. Aparecimento da ddp inicial.
Como acontece isso?
Muitos metais, quando colocados na água, soltam íons seus
na água. Assim, átomos de zinco começam a deixar
a placa e entrar na solução. Cada átomo de zinco,
ao entrar na solução na forma de íons positivos Zn2+
deixa na placa, 2 elétrons. Desse modo, a placa de zinco, por causa
dos elétrons ali deixados, ficou com excesso de carga negativa
e ao redor dessa placa ficam, então, muitos Zn2+.
Os íons positivos Zn2+ repelem os íons positivos Cu2+ para
a placa de cobre. À medida que cada íon positivo Cu2+ chega
à placa de cobre, retira dela 2 elétron e torna-se, dessa
forma, Cu0 (cobre metálico). A placa de cobre, cedendo elétrons,
ficou com excesso de carga positiva.
Assim, foi criada uma ddp ou tensão elétrica entre as tiras
de zinco e de cobre. A ddp entre o cobre e o zinco aparece então
porque esses dois metais não têm a mesma facilidade para
libertar íons na solução. Quando ligadas a um condutor,
dá-se a passagem de elétrons do zinco para o cobre.
Sentido do movimento dos elétrons
Como o zinco possui mais elétrons que o cobre, quando eles são
reunidos pelo condutor há passagem de elétrons (carga negativa)
do zinco para o cobre.
Nessa reação o zinco liberta 2 elétrons
que manda para o condutor. Essa reação química é
a fonte de elétrons para o zinco, isto é, é a origem
dos elétrons que a pilha fornece para constituírem a corrente
elétrica no circuito externo
O voltímetro acusará a passagem de uma corrente elétrica,
mais especificamente, elétrons do zinco para o cobre. Entre dois
condutores de materiais distintos, mergulhados em um eletrólito,
aparece uma tensão elétrica.
Os elétrons que chegam à placa e cobre, provenientes da
placa de zinco, atraem os íons Cu2+ da solução. Os
íons Cu2+ uma vez em contato com a placa de cobre, recebem esses
elétrons e se convertem em Cu0 (cobre metálico), que se
deposita na placa. Isso explica porque a solução de cobre
fica mais diluída, ou seja, mais pobre em íons Cu2+ , enquanto
a placa de cobre aumenta. Esse processo é chamado de semi-reação
de redução e pode ser expresso pela equação:
Cu2+ + 2 é ? Cu0
da da fica na
solução placa placa
Para que isso ocorra, é preciso uma transferência
de elétrons:
Zn(s) ? Zn2+(aq) + 2e? Reação no anodo. Perda
de elétrons. Oxidação
2Cu2+(aq) + 2e? ? Cu0(s) Reação no catodo. Ganho de elétrons.
Redução
2. A manutenção da ddp.
As moléculas de sulfato de cobre se dissociam em íons Cu2+
e SO42-, segundo a equação:
CuSO4 (s) ? Cu2+ (aq + SO42-(aq)
O íon SO42- se dirige para o zinco, aí reage
com Zn2+, formando-se sulfato de zinco, segundo a equação:
Zn2+ + SO42- =>ZnSO4
O íon de cobre Cu2+ se dirige para o cobre; aí
recebe 2 elétrons e se transforma em Cu0 (cobre metálico).
Por que o fio condutor? Que estrutura permite a condução
de corrente elétrica?
Sem fio condutor - ocorre transferência direta de
elétrons sem que a energia química seja aproveitada.Nem
todas reações de oxirredução produzem energia
elétrica. Na formação da ferrugem, os 2 reagentes
envolvidos trocam elétrons diretamente, sem que esses elétrons
passem por um condutor: os átomos de Fe doam os elétrons
(oxidação) e os átomos de O recebem (redução)
- os elétrons não passam pó um fio condutor,; não
há como se obter dessa forma, energia elétrica.
Com fio condutor - Aproveita-se a transferência de
elétrons, da reação de óxido-redução,
para propiciar, assim, o aparecimento de uma corrente elétrica
através de um condutor. Dessa maneira, a pilha converte energia
química em energia elétrica, disponibilizando energia química
na produção de trabalho elétrico, por isso, ao se
conectar as 2 placas metálicas com um fio condutor contendo uma
lâmpada, , tem-se uma pilha funcionando como fonte de corrente elétrica,
realizando um trabalho: acendendo uma lâmpada.
Algumas substâncias possuem a propriedade de conduzir
elétrons, como os metais (ligação metálica),
a grafite são condutores elétricos. Outras oferecem muita
resistência à condução de elétrons -
são os isolantes: madeira, vidro, plástico.
Resistência elétrica - Dentre os materiais
condutores, alguns oferecem maior e outros menor oposição
à passagem da corrente eléctrica. A grandeza física
que mede essa oposição, denomina-se resistência elétrica
(R) e a sua unidade no Sistema Internacional é o ohm (símbolo
). Todos os componentes de um circuito, desde as pilhas e lâmpadas
aos fios de ligação, têm resistência elétrica.
A resistência de um condutor eléctrico varia com a sua natureza,
forma e temperatura.
INTENSIDADE DA CORRENTE
A intensidade da corrente (I) é outra grandeza física que
caracteriza a corrente eléctrica. A sua unidade de medida no Sistema
Internacional é o ampère (A). Esta grandeza representa a
quantidade de cargas eléctrica que atravessa uma dada secção
de um condutor por segundo.
Se a intensidade da corrente for superior ao valor máximo suportado
por um determinado aparelho, este pode ficar danificado.
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