EletroquimicaAula01 - GEA

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Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Depto de Engenharia Química
Curso de Engenharia Química
Princípios de Eletroquímica
TQ-134 – Turma A
Prof. Dr. Mário J. Dallavalli
[email protected]
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 físicoquímica 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
eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974
de
• 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
RESUMO:
• “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.
Célula Eletrolítica
Produção de Cloro e Soda
- Célula de Membrana
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.
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