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Pilhas galvânicas e eletrólise – potenciais-padrão de eletrodo

QuímicaEletroquímicaIdades 17–18Laboratório virtual

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Usar com minha turma

Modo pilha galvânica: dois eletrodos metálicos ficam em soluções dos próprios sais, ligados por um fio e por uma ponte salina; os elétrons passam pelo fio do ânodo (o metal de menor E°, que é oxidado e se dissolve) para o cátodo (cujos íons são reduzidos e se depositam), e o voltímetro indica a diferença de potencial padrão E°pilha = E°(+) − E°(−) tirada da tabela de potenciais-padrão de eletrodo. Modo eletrólise: uma fonte de corrente contínua empurra os elétrons para o cátodo; os íons migram para os eletrodos, produzindo Cu, H₂, O₂, Cl₂ ou Na conforme a solução, e a massa de produto segue m = M·I·t/(n·F). A vista ΔG, K e Nernst acrescenta ΔG° = −nFE°pilha e K = e^(nFE°/RT) para cada pilha, controles de concentração para as duas semipilhas para que E siga a equação de Nernst, um gráfico de E em função de log Q e uma pilha de concentração Cu–Cu. A aba Tensão de decomposição varre a tensão de 0 a 4 V, registra a curva corrente–tensão, ajusta uma reta para achar a tensão de decomposição e a compara com o valor teórico a partir de E°; o sobrepotencial muda com o eletrodo (platina, grafite) e o produto.

Aula: Potenciais-padrão de eletrodo, pilhas galvânicas (voltaicas); eletrólise de soluções e de sais fundidos; equação de Nernst e ΔG° = −nFE°; tensão de decomposição e sobrepotencial

O que mostra

Dois processos opostos são colocados lado a lado. Em uma pilha galvânica, uma reação redox espontânea transforma energia química em energia elétrica: o metal com menor potencial-padrão de eletrodo sofre oxidação, e o potencial da pilha é a diferença entre os dois valores de E°. A vista ΔG, K e Nernst relaciona E°pilha com ΔG° = −nFE° e com a constante de equilíbrio K, e mostra como E diminui quando o quociente de reação Q aumenta, até chegar a zero no equilíbrio. A eletrólise funciona ao contrário, usando energia elétrica para forçar uma reação não espontânea; os produtos dependem de quais espécies são reduzidas e oxidadas com mais facilidade. A aba Tensão de decomposição mostra que quase não passa corrente até superar o valor teórico mais o sobrepotencial, que é grande para O₂ e para H₂ sobre grafite, e pequeno para metais depositados e Cl₂.

Como usar

No modo Pilha galvânica, percorra as opções de Par de eletrodos e peça aos alunos que prevejam a leitura do voltímetro a partir dos valores de E°. Clique em ΔG, K e Nernst, mova os dois controles de concentração, clique em Registrar ponto várias vezes e verifique se os pontos ficam em uma reta de inclinação −0,0592/n; depois teste a pilha de concentração Cu–Cu. Clique em Mudar para eletrólise, teste cada Eletrólito e altere a Corrente elétrica para comparar a massa de produto. Na aba Tensão de decomposição, escolha uma solução e um eletrodo, clique em Varrer 0–4 V e depois em Ajustar reta, e compare o valor medido com o teórico.

Parâmetros que você pode mudar

  • Modo Pilha galvânica, Eletrólise, Tensão de decomposição
  • Par de eletrodos (pilha galvânica) Zn–Cu, Mg–Cu, Fe–Cu, Zn–Ag, Cu–Ag, Zn–Fe, Al–Cu, Cu–Cu (pilha de concentração)
  • Eletrólito (eletrólise) Solução de CuSO₄, eletrodos inertes, Solução de CuSO₄, ânodo de Cu (refino/galvanoplastia), Solução de NaCl, com diafragma, NaCl fundido
  • Corrente elétrica 0,5–5 A
  • Velocidade da animação 0,5–3 ×
  • Vista da pilha Pilha padrão (E°), ΔG, K e equação de Nernst
  • Concentração do íon metálico, semipilha esquerda (Nernst) 0,0001–2 mol/L
  • Concentração do íon metálico, semipilha direita (Nernst) 0,0001–2 mol/L
  • Solução (tensão de decomposição) HCl 1 mol/L, H₂SO₄, [H⁺] = 1 mol/L, CuSO₄ 1 mol/L, [H⁺] = 1 mol/L, ZnCl₂ 1 mol/L
  • Eletrodo (tensão de decomposição) Platina, Grafite
  • Tensão aplicada 0–4 V

Perguntas para explorar

  1. Qual par de eletrodos fornece o maior potencial da pilha, e como você pode prever isso pelos potenciais-padrão de eletrodo?
  2. No eletrodo negativo de uma pilha galvânica ocorre oxidação ou redução, e o que acontece com a massa dele?
  3. Por que se obtém sódio na eletrólise do NaCl fundido, mas não na eletrólise da solução de NaCl?
  4. Para H₂SO₄ sobre platina, quanto a tensão de decomposição medida supera o valor teórico, e o que muda com grafite?

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