Célula galvânica e força eletromotriz da célula

A eletroquímica é um campo fascinante que trata da relação entre a energia elétrica e as reações químicas. Um dos componentes importantes no estudo da eletroquímica é a célula galvânica, também conhecida como célula voltaica. Nesta lição, exploraremos o conceito de células galvânicas, seus componentes, como funcionam, o conceito de força eletromotriz (FEM) de uma célula, e forneceremos vários exemplos para melhorar sua compreensão.

Células galvânicas: uma visão geral

Uma célula galvânica é um tipo de célula eletroquímica que converte energia química em energia elétrica através de uma reação redox (redução-oxidação) espontânea. Estas células são amplamente utilizadas em aplicações cotidianas, como as baterias que alimentam nossos dispositivos.

Uma célula galvânica geralmente consiste em duas semi-células, cada uma contendo um eletrodo e um eletrólito. As semi-células são conectadas por uma ponte salina ou uma membrana porosa que permite o fluxo de íons entre elas. Quando os eletrodos são conectados através de um fio, uma corrente elétrica flui através do circuito como resultado da reação redox.

Componentes básicos de uma célula galvânica

Vamos entender os componentes básicos de uma célula galvânica:

1. Ânodo: O ânodo é o eletrodo onde ocorre a oxidação. Em uma célula galvânica, o ânodo é carregado negativamente porque libera elétrons durante o processo de oxidação.
2. Cátodo: O cátodo é o eletrodo onde ocorre a redução. É carregado positivamente em uma célula galvânica porque ganha elétrons durante o processo de redução.
3. Eletrólito: Um eletrólito é uma substância, frequentemente uma solução, que contém íons e pode conduzir eletricidade. O eletrólito facilita o movimento dos íons para manter o equilíbrio de carga nas semi-células.
4. Ponte salina: Ponte salina é um dispositivo usado para conectar duas semi-células e permitir o fluxo de íons, mantendo assim a neutralidade elétrica no sistema.
5. Circuito externo: O circuito externo consiste em fios e outros componentes que conectam o ânodo ao cátodo, formando um circuito elétrico completo.

Como uma célula galvânica funciona

Para entender como uma célula galvânica funciona, vamos analisar um exemplo comum: a célula de zinco-cobre.

Nesta célula:

• O ânodo é feito de metal de zinco (Zn).
• O cátodo é feito de metal de cobre (Cu).
• A semi-célula de zinco contém uma solução de sulfato de zinco (_ZnSO4).
• A semi-célula de cobre contém uma solução de sulfato de cobre (_CuSO4).
• As duas semi-células são conectadas por uma ponte salina ou uma membrana porosa.

As reações em cada eletrodo podem ser representadas da seguinte forma:

Ânodo (Oxidação): Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e- Cátodo (Redução): Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s)

Na semi-célula de zinco, o metal de zinco (Zn) é oxidado a íons de zinco (Zn 2+), liberando elétrons. Esses elétrons viajam por um circuito externo até o cátodo de cobre.

Na semi-célula de cobre, íons de cobre (Cu 2+) ganham elétrons e são reduzidos a metal de cobre, que é depositado no eletrodo de cobre.

Essas reações simultâneas de oxidação-redução são o que geram eletricidade. O fluxo de elétrons através de um circuito externo do ânodo para o cátodo cria corrente elétrica. Enquanto isso, a ponte salina ajuda a equilibrar a carga permitindo o fluxo de íons entre as duas semi-células.

Visualização de uma célula galvânica

Considere a seguinte representação esquemática de uma célula galvânica, onde zinco e cobre são usados como eletrodos:

    ----- Fio -----
    Zn(s)Cu(s)
    ZnSO 4 (aq) CuSO 4 (aq)
    [ponte salina]

Essa configuração resume a função e o fluxo de uma célula galvânica, enfatizando o movimento dos elétrons do ânodo de zinco para o cátodo de cobre e o papel da ponte salina na manutenção do equilíbrio do sistema.

Força eletromotriz (FEM) da célula

A força eletromotriz (FEM) de uma célula, também conhecida como potencial da célula ou voltagem da célula, é uma medida da energia fornecida pela célula para conduzir elétrons do ânodo para o cátodo através de um circuito externo. A FEM é o que alimenta dispositivos elétricos conectados à célula.

Calculando a FEM de uma célula

A FEM de uma célula galvânica pode ser calculada usando os potenciais padrão dos eletrodos das duas semi-células envolvidas na reação. O potencial padrão do eletrodo (E 0) é a diferença de potencial entre o eletrodo e sua solução em condições padrão (298K, concentração de 1M e pressão de 1 atm).

O potencial total da célula pode ser determinado subtraindo o potencial padrão do eletrodo do ânodo do potencial do cátodo:

E célula 0 = E cátodo 0 - E ânodo 0

Para o exemplo da célula de zinco-cobre, se os potenciais padrão dos eletrodos forem:

E Cu 2+/Cu 0 = +0,34 V E Zn 2+/Zn 0 = -0,76 V

Então, a FEM da célula é calculada como:

E célula 0 = 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V

Essa FEM de 1,10 volts representa a capacidade da célula de conduzir corrente elétrica.

Fatores que afetam a FEM

Muitos fatores podem afetar a FEM de uma célula galvânica, incluindo:

• Concentração: Alterar a concentração dos eletrólitos pode afetar o potencial da célula. De acordo com o princípio de Le Chatelier, aumentar a concentração dos reagentes geralmente aumenta o potencial da célula, enquanto aumentar a concentração dos produtos o diminui.
• Temperatura: Enquanto as condições padrão assumem uma temperatura de 25°C (298 K), qualquer desvio disso pode afetar a FEM devido a mudanças na cinética e na termodinâmica da reação.
• Pressão: Para gases envolvidos em uma reação eletroquímica, mudanças na pressão podem afetar o potencial da célula. Isso é particularmente relevante em células com eletrodos gasosos, como as células a combustível de hidrogênio.

Medindo a FEM: Potenciômetro

Um potenciômetro é um dispositivo usado para medir com precisão a FEM de uma célula. Ao contrário de um voltímetro simples, o potenciômetro não consome corrente da célula que está sendo medida, resultando em uma medição mais precisa.

Essa configuração envolve ajustar a fonte de tensão conhecida para equilibrar a FEM da célula até que nenhuma corrente flua pelo circuito. A tensão da fonte conhecida é então igual à FEM da célula que está sendo medida.

Problema de exemplo

Vamos aplicar nossa compreensão de células galvânicas e FEM com um problema de exemplo:

Considere uma célula galvânica com as seguintes semirreações:

Ânodo: Mg (s) → Mg2+ (aq) + 2e- (E 0 = -2,37 V) Cátodo: Ag+ (aq) + e- → Ag (s) (E 0 = +0,80 V)

Calcule a FEM padrão da célula.

Solução:

A FEM da célula pode ser calculada usando a seguinte fórmula:

E célula 0 = E cátodo 0 - E ânodo 0

Substitua os valores:

E célula 0 = 0,80 V - (-2,37 V) = 3,17 V

Assim, a FEM padrão da célula é 3,17 volts.

Aplicações de células galvânicas

As células galvânicas são de grande importância em várias aplicações e servem como um componente vital do mundo moderno:

• Baterias: As células galvânicas são os blocos de construção das baterias, que fornecem energia para inúmeros dispositivos, desde pequenos eletrônicos como smartphones até grandes veículos elétricos.
• Células a combustível: Embora ligeiramente diferentes no design, as células a combustível baseiam-se nos princípios das células galvânicas para converter energia química de hidrogênio ou outros combustíveis em energia elétrica, fornecendo uma fonte de energia limpa e eficiente.
• Prevenção de corrosão: Entender as reações redox em células galvânicas ajuda no projeto de métodos para prevenir a corrosão, que é essencialmente um processo galvânico.

Conclusão

As células galvânicas são uma pedra angular da compreensão eletroquímica, demonstrando como reações químicas podem ser usadas para gerar energia elétrica. Através de conceitos como FEM, componentes como ânodo e cátodo, e a aplicação dessas células em baterias e outras tecnologias, as células galvânicas permanecem uma área importante de estudo e inovação na química. Dominar esses tópicos abre caminho para avanços em energia sustentável, dispositivos eletrônicos e processos industriais.

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