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

dalla@ufpr.br

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.