Preparação de uma pilha baseada na oxidação em meio ácido

Preparação de uma pilha
baseada na
oxidação em meio ácido
Química – 12º Ano
Unidade 1
Metais e ligas metálicas
Actividades de Projecto Laboratorial
Outubro 2005
Jorge R. Frade, Ana Teresa Paiva
Dep. Eng. Cerâmica e do Vidro
Universidade de Aveiro
Preparação de uma pilha baseada na oxidação em meio ácido
1. Objectivos:
i)
Verificar a co-existência de duas semi-reacções de oxidação (perda de
massa) e de redução (libertação de hidrogénio) na corrosão de uma placa de
zinco em meio ácido.
ii)
Verificar que é possível dissociar as semi-reacções de oxidação e de redução,
deslocando-as para diferentes placas.
iii)
Preparar pilhas com placas de cobre e de zinco em meios ácidos, incluindo
ácidos inorgânicos (HCl) e ácidos orgânicos naturais tal como o ácido
acético do vinagre ou o ácido cítrico dos limões.
iv)
Relacionar a força electromotriz da pilha (em circuito aberto) com as semireacções de eléctrodo.
v)
Verificar que a tensão da pilha diminui com o aumento da corrente.
2. Fundamentos
A corrosão do zinco (Zn) em meio ácido manifesta-se por dois efeitos facilmente
observáveis, isto é, a libertação de bolhas de hidrogénio (H2) e a perda de massa. Estes
dois efeitos relacionam-se com as duas semi-reacções que constituem o processo global
de corrosão, isto é:
2H+ + 2e- → H2
(1)
Zn → Zn2+(aq) + 2e-
(2)
A primeira semi-reacção é responsável pela libertação do gás e a segunda semireacção traduz-se na perda de massa, por transferência de iões Zn2+ para a solução. As
duas semi-reacções são interdependentes, isto é, a primeira reacção cede electrões que
são consumidos na segunda reacção. A reacção 1 será tanto mais intensa quanto menor
for o valor do pH do meio. Note-se que a corrosão em meio ácido é geralmente
controlada pela libertação do hidrogénio, sendo esta dependente da acidez do meio
(Eq.1).
É possível separar as semi-reacções 1 e 2 quando se liga a placa de zinco a um
dos pólos de uma pilha, enquanto se liga uma placa de cobre ao outro pólo. A ligação do
zinco ao pólo negativo promove a reacção 1, dando origem a uma libertação de
hidrogénio mais intensa, e inibe a semi-reacção 2. Pelo contrário, a ligação ao pólo
positivo inibe a libertação de hidrogénio e acentua a dissolução do zinco. Esta separação
das reacções de oxidação e de redução também permite a preparação de uma pilha com
eléctrodos de zinco e cobre, em meio ácido.
A força electromotriz de uma pilha é a diferença entre os valores das tensões de
redução das semi-reacções de eléctrodo. Por exemplo, a tensão de redução padrão da
reacção 1 (a pH=0) é 0 volts e a tensão de redução padrão da reacção 2 (numa solução
com concentração 1M de iões Zn2+) é -0,763 volts. Por isso, a força electromotriz da
correspondente pilha será cerca de 0,763 volts.
Em circuito fechado, a tensão da pilha diminui com o aumento de corrente. Este
decréscimo deve-se à resistência interna da pilha: Esta resistência relaciona-se com a
resistência do meio (electrólito) que separa os dois eléctrodos e com a cinética das
reacções de eléctrodo.
3. Equipamento, materiais e reagentes
- Chapas de zinco com dimensões aproximadas de 1,5x10 cm2 cada.
- Chapas de cobre com dimensões aproximadas de 2x9 cm2 cada.
- Lixa
- Solução de HCl 1M
- Solução de NaOH 1M
- Limões
- Papel indicador de pH (para meio ácido)
- Material de vidro
- Balança com precisão até ±1 cg.
- Multímetro.
4. Realização experimental
1. Efectue o polimento de chapas de zinco e cobre, com lixa, lave-as e deixe secar.
2. Prepare um balão contendo 150 ml de solução 1M de HCl.
3. Verta cerca de 50 ml de solução 1M de HCl para um copo de vidro de 50 ml.
Meça o pH com papel indicador. Pese uma das chapas de zinco, introduza-a na
solução, deixando-a parcialmente imersa e registe o tempo (hora e minutos).
Observe cuidadosamente os efeitos (p.e. escurecimento da superfície da amostra
de zinco, libertação de gases, etc.) e registe essas observações.
4. Prepare solução 0.1M de HCl, diluindo 10 ml de solução 1M, e verta 50 ml para
outro copo de vidro de 50 ml. Repita os restantes passos da alínea 3.
5. Introduza uma placa de cobre na solução 1M de HCl e verifique que não ocorre
libertação de hidrogénio nem qualquer evidência de corrosão do cobre.
6. Ligue uma placa de cobre a uma placa de zinco, introduza o conjunto num copo
de 50 ml contendo solução 0.1M de HCl e verifique que ocorre libertação de
hidrogénio. Ligue a placa de zinco ao pólo positivo de uma pilha e a placa de
cobre ao pólo negativo e verifique que a libertação de hidrogénio se torna mais
intensa na placa de cobre e é inibida na placa de zinco. Inverta a polaridade e
verifique que a libertação de hidrogénio se volta a acentuar na placa de zinco.
7. Ao fim de 1 hora retire cada uma das placas de zinco usadas nos passos 3, 4 e 5,
lave-as, seque-as e depois pese-as.
8. Relacione as observações efectuadas com a coexistência das semi-reacções de
redução e de oxidação.
9. Prepare uma solução aquosa de cloreto de sódio (5,844 g por 100ml), adicione
farinha de trigo (1 g de farinha por cada 10 ml de solução) e aqueça em banhomaria para preparar uma cola bastante espessa.
10. Prepare uma pilha com eléctrodos de zinco e cobre em solução de HCl 1M
conforme se descreve seguidamente:
- Corte um pedaço de tecido com área de cerca de 4x10 cm2.
- Deposite, sobre esse tecido, uma camada da cola preparada na alínea 9.
- Pulverize abundantemente com sal de cozinha.
- Coloque uma chapa de zinco sobre a camada de sal e envolva-a com o tecido.
(Nota: O tecido e a cola actuam como barreiras, atenuando a acidez e a
libertação de hidrogénio junto do eléctrodo de zinco.)
- Aperte o conjunto entre 2 placas de cobre, tendo o cuidado de dobrar uma das
extremidades de uma das placas de cobre, e amarre com arame de cobre.
- Introduza o conjunto num copo de 50 ml contendo 50 ml de solução HCl 1M.
- Meça a tensão produzida por esta pilha e compare-a com os valores da tensão
de redução das semi-reacções de eléctrodo.
11. Prepara uma segunda pilha equivalente à descrita no passo 10.
12. Ligue as pilhas em série e verifique que é possível alimentar um relógio digital,
substituindo a sua pilha comercial.
13. Meça diversas resistências eléctricas e seleccione uma série com valores
próximos de 10Ω, 33Ω, 47Ω, 68Ω, 100Ω e 220Ω, respectivamente. Ligue uma
dessas resistências aos pólos da pilha preparada no passo 10, seguindo o
esquema da Fig.1, e determine a tensão da pilha em circuito fechado. Calcule a
corrente tendo em conta a lei de Ohm (I=Vaux/Raux). Repita estas medidas e
cálculos para cada uma das resistências e represente a variação da corrente em
função da tensão da pilha.
14. Repita o ponto anterior utilizando, desta vez, uma pilha comercial de 1,5V e
analise as diferenças.
15. Neutralize a solução ácida de HCl adicionando quantidades de solução de NaOH
até que se obtenha um pH próximo de 6/7.
16. Prepare uma pilha espetando uma placa de zinco e uma placa de cobre num
limão, assegurando-se de que estas não se contactam e de que a distância entre
elas não excede 1 cm. Meça a tensão desta pilha.
17. Prepare uma segunda pilha idêntica à da alínea 14 e faça uma associação em
série das duas pilhas. Verifique que esta associação em série também é
suficiente para alimentar o relógio digital.
Raux
Vaux
.
Cobre
Zinco
Fig.1: Representação de uma montagem experimental para verificar a variação da tensão de uma
pilha com a corrente.