Eletroquímica

Definição

A Eletroquímica é o estudo da eletricidade e como ela se relaciona com reações químicas. Na eletroquímica, a eletricidade pode ser gerada por movimentos de elétrons de um elemento para outro em uma reação conhecida como reação redox, ou reação de oxidação-redução. A ciência eletroquímica tem uma infinidade de aplicações, variando de tecnologia solar a inovações biomédicas.

O que é a Eletroquímica?

A Eletroquímica, ramo da química preocupado com a relação entre eletricidade e mudança química.

Muitas reações químicas que ocorrem espontaneamente liberam energia elétrica, e algumas dessas reações são usadas em baterias e células de combustível para produzir energia elétrica.

Por outro lado, a corrente elétrica pode ser utilizada para provocar muitas reações químicas que não ocorrem espontaneamente. No processo chamado eletrólise, a energia elétrica é convertida diretamente em energia química, que é armazenada nos produtos da reação. Este processo é aplicado no refino de metais, na galvanoplastia e na produção de hidrogênio e oxigênio a partir da água. A passagem da eletricidade através de um gás geralmente causa mudanças químicas, e esse assunto forma um ramo separado da eletroquímica.

Eletroquímica – Reações Químicas e Eletricidade

A Eletroquímica lida com as ligações entre reações químicas e eletricidade. Isso inclui o estudo de alterações químicas causadas pela passagem de uma corrente elétrica através de um meio, bem como a produção de energia elétrica por reações químicas.

A Eletroquímica também abrange o estudo de soluções de eletrólitos e os equilíbrios químicos que ocorrem neles.

 

Eletroquímica

Muitas reações químicas exigem a entrada de energia.

Tais reações podem ser realizadas nas superfícies de eletrodos em células conectadas a fontes de alimentação externas.

Essas reações fornecem informações sobre a natureza e as propriedades das espécies químicas contidas nas células e também podem ser usadas para sintetizar novos produtos químicos. A produção de cloro e alumínio e a eletrodeposição e eletropuração de metais são exemplos de processos eletroquímicos industriais.

Células eletroquímicas que produzem energia elétrica a partir de energia química são a base de baterias primárias e secundárias (armazenamento) e células de combustível.

Outros fenômenos elétricos de interesse em sistemas químicos incluem o comportamento de soluções iônicas e a condução de corrente através destas soluções, a separação de íons por um campo elétrico (eletroforese), a corrosão e passivação de metais, efeitos elétricos em sistemas biológicos (bioeletroquímica). e o efeito da luz sobre as células eletroquímicas (fotoeletroquímica).

O processo eletroquímico

As interações da matéria associadas à passagem de uma corrente elétrica dependem das características do elétron carregado negativamente. Como a partícula básica de eletricidade, o elétron tem uma afinidade por partículas de matéria carregadas positivamente, prótons, seja em átomos, grupos de átomos ou moléculas.

Essa afinidade é análoga à afinidade química que as partículas exibem entre si. De fato, todas as reações químicas resultam de uma mudança na estrutura eletrônica dos átomos, e os elétrons livres podem se combinar com partículas de matéria (redução) ou serem liberados por eles (oxidação). A relação quantitativa entre os elétrons livres de uma corrente elétrica e as partículas de uma substância na qual causam uma reação é definida pelas leis de Faraday.

Os elétrons estão disponíveis em grandes quantidades em um estado relativamente livre (móvel) apenas em substâncias chamadas de condutores eletrônicos, dentre os quais os metais são os mais importantes. Assim, um condutor de elétrons deve estar presente como um componente básico de qualquer sistema no qual as reações eletroquímicas devem ocorrer.

Além disso, a disponibilidade de elétrons em um condutor é limitada pela distribuição de energia a tal ponto que as reações eletroquímicas ocorrem apenas na vizinhança imediata da superfície do condutor eletrônico – isto é, alguns angstroms do condutor na solução. Essas reações são, portanto, normalmente consideradas como ocorrendo na interface, ou limite comum, entre um condutor eletrônico, como um eletrodo, e um condutor iônico de eletricidade, como uma solução eletrolítica.

A reação eletroquímica ocorrerá, no entanto, somente na medida em que a eletricidade possa fluir através de tal sistema como um todo. Para conseguir isso, é necessário que o sistema forme um circuito fechado, eletronicamente falando.

Para resumir, se em uma interface de metal-solução elétrons estão saindo do metal, reduzindo um componente da solução, deve existir uma segunda interface de metal-solução onde os elétrons estão entrando no metal no processo de oxidação.

Os dois eletrodos e o condutor iônico entre eles (por exemplo, uma solução aquosa de algum sal ionizado) representam uma célula eletroquímica. O processo que ocorre na célula como um todo é um processo redox com a redução de uma espécie espacialmente separada da oxidação de outra. Como consequência da lei de Faraday, as taxas de reações eletroquímicas nos eletrodos (expressas em gramas de mols por segundo por centímetro quadrado da superfície do eletrodo) são diretamente proporcionais à densidade de corrente (expressa em amperes por centímetro quadrado). através da célula dividida pela área de superfície do eletrodo.

Reação eletroquímica

Reação eletroquímica, é qualquer processo causado ou acompanhado pela passagem de uma corrente elétrica e envolvendo, na maioria dos casos, a transferência de elétrons entre duas substâncias – uma sólida e a outra líquida.

Em condições normais, a ocorrência de uma reação química é acompanhada pela liberação ou absorção de calor e não de qualquer outra forma de energia; mas há muitas reações químicas que – quando permitidas de entrar em contato com dois condutores eletrônicos, separadas por fios condutores – liberam o que é chamado de energia elétrica, e uma corrente elétrica é gerada.

Por outro lado, a energia de uma corrente elétrica pode ser usada para provocar muitas reações químicas que não ocorrem espontaneamente.

Um processo que envolve a conversão direta de energia química, quando adequadamente organizado, constitui uma célula elétrica. Um processo pelo qual a energia elétrica é convertida diretamente em energia química é o da eletrólise; isto é, um processo eletrolítico. Em virtude de sua energia química combinada, os produtos de um processo eletrolítico tendem a reagir espontaneamente entre si, reproduzindo as substâncias que eram reagentes e, portanto, consumidas durante a eletrólise. Se esta reação reversa for permitida em condições adequadas, uma grande proporção da energia elétrica usada na eletrólise pode ser regenerada.

Essa possibilidade é usada em acumuladores ou células de armazenamento, cujos conjuntos são conhecidos como baterias de armazenamento. O carregamento de um acumulador é um processo de eletrólise. Uma mudança química é produzida pela corrente elétrica que passa por ela. Na descarga da célula, ocorre a mudança química reversa, o acumulador atuando como uma célula que produz uma corrente elétrica.

Finalmente, a passagem da eletricidade pelos gases geralmente causa mudanças químicas.

Princípios gerais

Substâncias que são razoavelmente boas condutores de eletricidade podem ser divididas em dois grupos: o metálico, ou eletrônico, os condutores e os condutores eletrolíticos.

Os metais e muitas substâncias não metálicas, como grafite, dióxido de manganês e sulfeto de chumbo, exibem condutividade metálica; a passagem de uma corrente elétrica através deles produz aquecimento e efeitos magnéticos, mas sem alterações químicas.

Condutores eletrolíticos, ou eletrólitos, compreendem a maioria dos ácidos, bases e sais, tanto na condição fundida como na solução em água ou outros solventes.

Placas ou hastes compostas de um condutor metálico adequado mergulhando no eletrólito fluido são empregadas para conduzir a corrente para dentro e para fora do líquido; isto é, para atuar como eletrodos. Quando uma corrente é passada entre os eletrodos através de um eletrólito, não apenas o aquecimento e os efeitos magnéticos são produzidos, mas também mudanças químicas definidas ocorrem. Na vizinhança do eletrodo negativo, chamado cátodo, a mudança química pode ser a deposição de um metal ou a liberação de hidrogênio e a formação de uma substância básica ou algum outro processo de redução química; no eletrodo positivo, ou ânodo, pode ser a dissolução do próprio ânodo, a liberação de um não-metal, a produção de oxigênio e uma substância ácida, ou algum outro processo de oxidação química.

Um eletrólito, preparado pela fusão de uma substância adequada ou pela sua dissolução em água ou outro líquido, deve suas propriedades características à presença de átomos eletricamente carregados ou grupos de átomos produzidos pela separação espontânea ou dissociação de as moléculas da substância.

Nas soluções dos chamados eletrólitos fortes, a maior parte da substância original, ou em algumas soluções, talvez toda ela, passou por esse processo de dissociação eletrolítica em partículas carregadas, ou íons.

Quando uma diferença de potencial eléctrico (isto é, uma diferença no grau de eletrificação) é estabelecida entre os eléctrodos mergulhados em um eletrólito, os iões carregados positivamente se mover para o cátodo e iões de rolamento cargas negativas se mover para o ânodo

A corrente elétrica é transportada através do eletrólito por essa migração dos íons. Quando um íon atinge o eletrodo de polaridade oposta, sua carga elétrica é doada ao metal, ou uma carga elétrica é recebida do metal. O íon é assim convertido em um átomo neutro comum ou grupo de átomos. É essa descarga de íons que dá origem a um dos tipos de alterações químicas que ocorrem nos eletrodos.

História

O estudo da eletroquímica começou no século 18, floresceu até o início do século 20, e então desapareceu, devido ao uso excessivo de princípios termodinâmicos na análise dos processos que acontecem em pontos do sistema onde as várias partes formam interfaces. Desde 1950, a eletroquímica sofreu uma mudança. O estudo de processos em soluções tem sido menos estressado, mas o estudo da transferência de elétrons entre metais e solução aumentou de forma explosiva. Com essa nova ênfase, a eletroquímica está se tornando uma ciência central. Ele promete ser uma parte importante da fundação da sociedade voltada para a ecologia do futuro, porque a eletricidade não é um poluente. A poluição associada a alguns métodos de geração de eletricidade deve, no entanto, ser reduzida.

As primeiras reações eletroquímicas estudadas, em 1796, foram aquelas na célula de placas de prata e zinco com papel absorvente molhado por solução salina aquosa entre elas. Estas células foram construídas pelo cientista italiano Alessandro Volta, para quem o termo volt foi nomeado. Esta célula foi a primeira bateria primária usada para a produção de eletricidade.

Michael Faraday formulou as leis da estequiometria eletroquímica, que lida com a aplicação de leis de proporções definidas e da conservação de matéria e energia para atividade química.

Estes afirmam que um coulomb de eletricidade, uma unidade de carga, reage com quantidades fixas de uma substância (por exemplo, com 1.11800 miligramas de íons de prata) ou então que 1 grama equivalente de qualquer substância reage com 96.485 coulombs. Este último número representa uma quantidade fundamental conhecida como um faraday de eletricidade.

A relação entre a afinidade química dos reagentes na célula e a tensão da célula quando ela está em funcionamento foi definida precisamente pelo químico norte-americano Josiah Willard Gibbs em 1875, enquanto a relação dessa afinidade com o potencial da célula eletroquímica foi inicialmente formulado pelo químico físico alemão Walther Hermann Nernst em 1889.

O período de 1910 a 1950 foi de declínio na eletroquímica, até se limitar principalmente ao estudo de soluções. Não houve quase nenhum progresso no entendimento das reações eletroquímicas fora das condições de equilíbrio e reversibilidade, e o conhecimento destas reações foi aplicado de forma inválida a reações ocorrendo a uma taxa líquida – ou seja, reações não em equilíbrio e não totalmente reversíveis.

A partir de 1950, o estudo de interfaces eletrificadas, com especial referência ao estudo da transferência de elétrons (chamados eletrodicos), ganhou importância e tornou-se o principal aspecto da eletroquímica.

A partir de 1960, a eletrodese começou a se desenvolver como uma área interdisciplinar na busca de soluções para problemas como a fonte de energia nos vôos espaciais de células a combustível, a estabilidade de metais em ambientes úmidos, os aspectos eletroquímicos de funções biológicas, extrações de misturas e a substituição de combustíveis fósseis, como o carvão e o petróleo e seus subprodutos, pela eletricidade produzida ou armazenada eletroquimicamente no transporte.

Resumo

A eletroquímica é o ramo da química e física que estuda a relação entre a eletricidade, como um fenômeno mensurável e quantitativo, e a mudança química identificável, com a eletricidade considerada um resultado de uma mudança química específica ou vice-versa. Essas reações envolvem cargas elétricas que se movem entre eletrodos e um eletrólito (ou espécies iônicas em uma solução).

Assim a eletroquímica lida com a interação entre energia elétrica e mudança química.

Quando uma reação química é causada por uma corrente fornecida externamente, como na eletrólise, ou se uma corrente elétrica é produzida por uma reação química espontânea, como em uma bateria, ela é chamada de reação eletroquímica.

Reações químicas onde elétrons são transferidos diretamente entre moléculas e / ou átomos são chamados de reações de oxidação-redução ou (redox).

Em geral, a eletroquímica descreve as reações globais quando as reações redox individuais são separadas, mas conectadas por um circuito elétrico externo e um eletrólito intermediário.

Fonte: www.chemistryexplained.com/www.britannica.com/chem.libretexts.org/www.electrochem.org