17.2: Células Galvânicas

células Galvânicas, também conhecido como voltaica células são células eletroquímicas em que espontânea de oxidação-redução reacções de produzir energia elétrica. Por escrito as equações, é frequentemente conveniente separar as reações de oxidação-redução em meias-reações para facilitar o equilíbrio da equação global e enfatizar as transformações químicas reais.considere o que acontece quando um pedaço limpo de metal de cobre é colocado numa solução de nitrato de prata (figura \(\PageIndex{1}\)). Assim que o metal de cobre é adicionado, o metal de prata começa a se formar e íons de cobre passam para a solução. A cor Azul da solução à direita indica a presença de íons de cobre. A reacção pode ser dividida em duas meias-reacções. Half-reactions separate the oxidation from the reduction, so each can be considered individually.

a equação para A redução da meia-reação tinha que ser dobrado para que o número de elétrons “ganhou” na redução da meia-reação de igualar o número de elétrons “perdido” na oxidação de meia-reação.

células galvânicas ou voltaicas envolvem reações eletroquímicas espontâneas nas quais as meias-reações são separadas (figura \(\PageIndex{2}\)) de modo que a corrente possa fluir através de um fio externo. O copo do lado esquerdo da figura é chamado de meia célula, e contém uma solução de 1 M de nitrato de cobre(II) com um pedaço de metal de cobre parcialmente submerso na solução. O metal de cobre é um eletrodo. O cobre está passando por oxidação; portanto, o eletrodo de cobre é o ânodo. O ânodo é conectado a um voltímetro com um fio e o outro terminal do voltímetro é conectado a um eletrodo de prata por um fio. O Prata está passando por uma redução; portanto, o eletrodo de prata é o cátodo. A meia célula do lado direito da figura consiste no eléctrodo de prata numa solução de 1 M de nitrato de prata (AgNO3). Neste ponto, nenhum fluxo de corrente-ou seja, nenhum movimento significativo de elétrons através do fio ocorre porque o circuito está aberto. O circuito é fechado usando uma ponte de sal, que transmite a corrente com íons em movimento. A ponte salina consiste de uma solução eletrolítica concentrada, não reativa, como a solução de nitrato de sódio (NaNO3) utilizada neste exemplo. À medida que os electrões fluem da esquerda para a direita através do eléctrodo e do fio, os iões nitrato (aniões) passam através do tampão poroso da esquerda para a solução de nitrato de cobre(II). Isso mantém o copo à esquerda eletricamente neutro, neutralizando a carga sobre os íons de cobre (II) que são produzidos na solução como o metal de cobre é oxidado. Ao mesmo tempo, os íons de nitrato estão se movendo para a esquerda, íons de sódio (catiões) se movem para a direita, através do plug poroso, e para a solução de nitrato de prata à direita. Estes catiões adicionados “substituir” os iões de prata que são removidos da solução como eles foram reduzidos a metal de prata, mantendo o copo na direita eletricamente neutro. Sem a ponte de sal, os compartimentos não permaneceriam eletricamente neutros e nenhuma corrente significativa fluiria. No entanto, se os dois compartimentos estiverem em contacto directo, não é necessária uma ponte de sal. No instante em que o circuito é completado, o voltímetro lê +0,46 V, isto é chamado de potencial celular. O potencial celular é criado quando os dois metais diferentes são conectados, e é uma medida da energia por unidade de carga disponível a partir da reação de oxidação-redução. A volt é a unidade SI derivada para Potencial elétrico

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nesta equação, A é a corrente em amperes e C a carga em coulombs. Note que os volts devem ser multiplicados pela carga em coulombs (C) para obter a energia em joules (J).

quando a célula electroquímica é construída desta forma, um potencial celular positivo indica uma reação espontânea e que os elétrons estão fluindo da esquerda para a direita. Há muita coisa acontecendo na figura \(\PageIndex{2}\), por isso é útil resumir as coisas para este sistema:

• os electrões fluem do ânodo para o cátodo: da esquerda para a direita na célula galvânica padrão na figura.
• o eletrodo na meia-célula esquerda é o ânodo porque a oxidação ocorre aqui. O nome refere-se ao fluxo de aniões na ponte de sal em direção a ele.
• o eletrodo na meia-célula direita é o cátodo porque a redução ocorre aqui. O nome refere-se ao fluxo de catiões na ponte de sal em direção a ela.
• oxidação ocorre no ânodo (a meia-célula esquerda na figura).
• ocorre redução no cátodo (a meia-célula direita na figura).
• o potencial celular, + 0,46 V, neste caso, resulta das diferenças inerentes na natureza dos materiais utilizados para fazer as duas meias-células.a ponte salina deve estar presente para fechar (completar) o circuito e tanto a oxidação como a redução devem ocorrer para a corrente fluir.

Existem muitas células galvânicas possíveis, por isso uma notação estenográfica é geralmente usada para descrevê-las. A notação celular (às vezes chamada de diagrama celular) fornece informações sobre as várias espécies envolvidas na reação. Esta notação também funciona para outros tipos de células. Uma linha vertical,│, denota um limite de fase e uma linha dupla,‖, a ponte de sal. Informações sobre o ânodo são escritas à esquerda, seguido pela solução do ânodo, em seguida, a ponte de sal (quando presente), em seguida, a solução do cátodo, e, finalmente, informações sobre o cátodo à direita. A notação celular para a célula galvânica na figura \(\PageIndex{2}\) é então

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Note que os íons espectadores não estão incluídos e que a forma mais simples de cada meia-reacção foi usada. Quando conhecidas, as concentrações iniciais dos vários íons são geralmente incluídas.

uma das células mais simples é a célula de Daniell. É possível construir esta bateria colocando um eletrodo de cobre no fundo de um jarro e cobrindo o metal com uma solução de sulfato de cobre. Uma solução de sulfato de zinco é flutuada sobre a solução de sulfato de cobre; em seguida, um eletrodo de zinco é colocado na solução de sulfato de zinco. Conectando o eletrodo de cobre ao eletrodo de zinco permite que uma corrente elétrica flua. Este é um exemplo de uma célula sem uma ponte de sal, e íons podem fluir através da interface entre as duas soluções.algumas reações de oxidação-redução envolvem espécies que são condutores pobres de eletricidade, e assim um eletrodo é usado que não participa das reações. Frequentemente, o eletrodo é platina, ouro ou grafite, todos inertes a muitas reações químicas. Um desses sistemas é mostrado na figura \(\PageIndex{3}\). O magnésio sofre oxidação no ânodo à esquerda na figura e os íons de hidrogênio sofrem redução no cátodo à direita. A reação pode ser resumida como

a célula usou um fio de platina inerte para o cátodo, de modo que a notação celular é

o eletrodo de magnésio é um eletrodo ativo porque participa na reação de oxidação-redução. Eléctrodos inertes, como o eléctrodo de platina na figura \(\PageIndex{3}\), não participam na reacção de oxidação-redução e estão presentes para que a corrente possa fluir através da célula. Platinum or gold generally make good inert electrodes because they are chemically unreactive.