Aula 1.1 - Departamento de Química

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
CQ 049
FÍSICO QUÍMICA IV
Aula 1.1
Apresentação do curso.
Revisão de conceitos básicos de eletricidade
Profa. Regina Maria Queiroz de Mello
www.quimica.ufpr.br/rmqm
CRONOGRAMA – 1º SEMESTRE DE 2017
Turmas: EQA: 4a feira 15:30h; EQB: 6a feira 13:30h
EQA
22/02
EQB
24/02
Aula
01
01/03
08/03
03/03
02
15/03
10/03
03
22/03
17/03
04
29/03
24/03
05
05/04
31/03
06
12/04
07/04
07
14/04
21/04
19/04
28/04
Local: EQ12
Apresentação do curso. Revisão de conceitos básicos de eletricidade (condução metálica):
campo elétrico, lei de Ohm, resistência, resistividade, condutividade e condutância. Condução
eletrolítica. Condutivímetro.
Feriado
Condutividade molar, Lei da Migração independente dos íons, Eletrólitos fortes (Lei de
Kohlrausch) e fracos – Determinação condutométrica de pKa, pKw e Kps. Titulação
condutométrica.
Mobilidade iônica. Eletrólise: Lei de Faraday. Números de transporte. Métodos de medida dos
números de transporte: Método de Hittorf e Método da fronteira móvel.
Aula de exercícios
1ª prova
Propriedades termodinâmicas dos íons em solução. Atividades dos íons. Lei Limite de Debye
Huckel e Lei de Debye Huckel generalizada.
Células eletroquímicas: tipos de eletrodos, tipos de células, notação das pilhas, potenciais
padrão, identificação do sentido espontâneo de uma reação e eletrodos de referência.
Equação de Nernst e sua aplicação a célula galvânica no equilíbrio e células de concentração.
Potenciais de junção líquida.
Feriado
Feriado
08
Aplicação da Equação de Nernst nas medidas de: coeficiente de atividade, pH, pKa e pKb.
26/04
05/05
09
Funções Termodinâmicas medidas a partir de potenciais de pilhas.
Aula de exercícios
03/05
12/05
10
2ª prova
2/17
10/05
19/05
11
17/05
26/05
12
24/05
02/06
13
31/05
09/06
14
Eletrólise ígnea e aquosa, sobrepotencial e galvanoplastia. Estrutura da dupla camada elétrica
(apresentação qualitativa dos modelos de Helmholts, Guoy-Chapman, Stern, Grahame e atual:
Bockris, Devanathan e Muller).
Fundamentos da cinética eletroquímica: transporte de massa, polarização eletródica (por
transporte de massa, por ativação e por queda ôhmica), Equação de Butler Volmer e casos
limites (regiões de baixo e alto sobrepotencial)
Corrosão e tipos de pilhas de corrosão (galvânica, ação local, ativa-passiva, concentração
iônica diferencial, aeração diferencial). Fatores que influenciam a velocidade de corrosão.
Determinação experimental da corrente de corrosão. Inibição da corrosão. Atualidades: células
a combustível, baterias, pilhas recarregáveis e células solares.
Aula de exercícios
Recesso
16/06
23/06
28/06
30/06
Semana de Estudos e 2ª Chamada
05/07
07/07
Exame Final
Média 
15
3ª prova
07/06
P1  0,2xE1  P2  0,2xE2  P3  0,2xE3
3
3/17
Referências Bibliográficas
Atkins, P. W. Físico-Química, Oxford, 8ª ed.
vol. 2 - Cap. 21 (itens 21.6 a 21.8) (Condutividade e mobilidade iônica)
vol. 1 - Cap. 7 (itens 7.5 a 7.9) (Equilíbrio eletroquímico e Pilhas)
vol. 2 - Cap.25 (itens 25.8 a 25.13) (Processos nos eletrodos)
PILLA, Luiz. Físico-química. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.: Rio de
Janeiro: 1980. Caps.: 16, 22, 23, 25 e 26
Castellan, G. W. Fundamentos de Físico-Química, LTC, vol. 1
Moore, W. J. Físico-Química, Edgard Blücher, tradução da 4ª ed. americana, vol.
1e2
Maron, S. H. & Prutton, C. F. Principles of physical chemistry, Collier McMillan, 4ª
edição
Antropov, L. I. Theoretical eletrochemistry, Editora MIR, Moscow, 1972.
Damaskin, B. B. & Petri, O. A. Fundamentos de la electroquímica teórica, Ed.
MIR, Moscow, 1980.
Levine, I. N. Physical chemistry, McGraw-Hill, 3ª ou 4ª edição.
Ticianelli, E A, Gonzalez, E. R. Eletroquímica: Princípios e Aplicações, São
Paulo, EDUSP, 2005.-M.A.
Brett, Electroquimica: Principios, Metodos e Aplicações, São Paulo, ALMEDINA,
2000.
4/17
• Estudos do Eletrólito:
Em condições de equilíbrio (i = 0)  termodinâmica dos eletrólitos,
teorias de dissociação eletrolítica, equilíbrios iônicos em solução,
etc
Em condições fora de equilíbrio (i ≠ 0) 
de massa
fenônemos de transporte
• Estudos da Interface Eletrodo / Solução
Em condições de equilíbrio (i = 0)  dupla camada elétrica
Em condições fora de equilíbrio (i ≠ 0)  cinética eletroquímica,
eletrodeposição, corrosão.
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Breve histórico
1836
1859
1868
1888
1899
Célula de Daniell: cobre e zinco
Planté: bateria recarregável chumbo – ácido sulfúrico
Leclanché: pilha de carbono e zinco e eletrólito líquido
Gassner: pilha seca de carbono e zinco
Junger: bateria de níquel e cádmio
Alessandro Giuseppe Volta
(1745 - 1827)
Construiu um estranho aparelho com
moedas de cobre, discos de zinco e
discos de feltro banhados com uma
solução ácida, que servia para
produzir com continuidade um
movimento de cargas elétricas
através de um condutor.
6/17
Disco de Cu
Tecido
sol. salina
Disco de Znn
7/17
Condução Metálica
Lei de Ohm:
E = i.R
E = tensão em potencial (Volts = V)
i = corrente (Ampère = A)
R = resistência (Ohms = )
Nos metais, a corrente é devido inteiramente aos elétrons, que transportam
carga negativa (velocidade  campo elétrico).
8/17
Grandezas importantes
símbolo
Grandeza
Fórmula
Unidade (SI)

j
campo elétrico
 V /l
V.m-1
densidade de
corrente
j i/ A
A.m-2
R
resistência
G
condutância

resistividade
k
condutividade
R V /i
G  1/ R
  R. A / l
k  1/ 

S (siemens)
.m
S.m-1
9/17
Transporte de carga em materiais
Um material apresenta condutividade elétrica quando possuir partículas
carregadas que podem se mover livremente através do material.
 Sólidos:
condutores (elétrons)
semicondutores (elétrons e buracos)
isolantes (não há transporte)
Soluções eletróliticas: Soluções condutoras iônicas (cátions
e ânions)
10/17
Medidas de condutividade
11/17
Ex.: Foi aplicado um potencial de 100V num fio condutor de 2m de
comprimento e 0,05cm de diâmetro. Se a corrente foi de 25 A, calcule:
(i) a resistência e a condutância do fio; (ii) a intensidade do campo;
(iii) a densidade de corrente
(iv) a resistividade
(v) a condutividade.
(i ) R  V / i
R  100V / 25 A  4,0
G  1 / R  0,25S
(ii )   V / l
  100V / 2m
(iii ) j  i / A
(iv)   R. A / l
j  25 A /  (0,025)
j  1,3 x10 A.cm
4
2
2
  50V .m 1
  4,0.1,96 x10 3 cm 2 / 200cm
  3,9 x10 5 ..cm 1
(v) k  
k  2,5 x10 4 S.cm1
12/17
Condução Eletrolítica
• Fenômeno mais complexo que a passagem de corrente
através de um metal mas ela também segue a lei de Ohm.
• Como cátions e ânions possuem MASSA considerável, o
fenômeno envolve também transporte de massa.
• Além disso, cátions e ânions transportam frações diferentes de
corrente.
Medida da resistência elétrica da solução
condutívímetro
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k

R
1 d
k
R Aefetiva
constante
da célula ()


d
Aefetiva
d
Aefetiva
k

R
  k.R
14/17
Instrumentação – Ponte de Wheatstone
+
-
15/17
• Para medidas
num condutor
eletrônico, é
usada corrente
contínua.
• Para medidas de
soluções, é
usada corrente
alternada e a
resistência R2 é
variável.
16/17
•
A célula de condutividade é composta por:
– 2 eletrodos de platina platinizados (  área efetiva)
– corrente alternada da ordem de kHz: evita a polarização dos eletrodos e
eletrólise
•
A constante da célula () é determinada pela medida da resistência da célula
quando imersa em solução de condutividade conhecida.
– Ex.: solução 0,02000 mol.L-1 de KCl possui condutividade de 2,768 mS.cm-1 a
25 oC.
Ex.: A condutividade do KCL a 0,1 mol.L-1 é de 1,1639 S.m-1. Numa célula de
condutividade, a resistência da solução foi de 32,0 . Nessa mesma célula,
uma solução de NaOH a 0,0200 mol.L-1 apresentou resistência de 38,0 .
Calcule a condutividade desta solução.
  k .R
  k .R  1,1639S .m .32,0
1
  37,2448m

1
37,2448m 1
k 
 0,980S .m 1
R
38,0
OU
k1 R1  k 2 R2
1,1639S .m 1.32,0  k 2 .38,0
k2 

R
 0,980S .m 1
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