Células galvânicas

Princípio de funcionamento e diferença em relação a reações comuns

O funcionamento de qualquer pilha galvânica é baseado em uma reação de oxirredução (REDOX). No entanto, ela ocorre em condições especiais.

Se simplesmente misturarmos um agente oxidante e um redutor em um único recipiente, o contato direto entre eles resultará em uma troca caótica de elétrons. Não há movimento direcionado de partículas carregadas em tal sistema, portanto, nenhuma corrente elétrica é gerada, e toda a energia química liberada é convertida em energia térmica e dissipada no espaço.

Em uma pilha galvânica, o agente oxidante e o redutor são espacialmente separados. O contato direto entre eles é excluído. Por causa disso, os elétrons não podem passar de uma substância para a outra diretamente. O único caminho para eles é passar por um condutor metálico externo (o circuito elétrico) que conecta os dois polos da pilha. É exatamente esse fluxo direcionado de elétrons que constitui a corrente elétrica. A energia das ligações químicas realiza-se na forma de energia elétrica.

Estrutura da pilha de zinco-manganês (pilha de Leclanché)

Vejamos a estrutura clássica de uma pilha galvânica seca usando o exemplo de um sistema que utiliza zinco e manganês. Esta pilha consiste em vários componentes principais, cada um desempenhando sua função:

• Ânodo (redutor, polo negativo «−»): É representado por um invólucro externo de zinco (Zn). A superfície deste invólucro acumula carga negativa durante o funcionamento.
• Cátodo (oxidante, polo positivo «+»): O papel do cátodo é desempenhado por uma haste central de grafite (C). Em torno dela, há uma mistura compactada de pó de carvão e óxido de manganês(IV) (MnO_2).
• Eletrólito (meio condutor): O espaço interno entre os eletrodos é preenchido com uma pasta espessa. Ela consiste em água, amônia (NH_3), cloreto de amônio (NH_4Cl) e amido, que atua como espessante, impedindo que o líquido vazem.
• Vedação: Na parte superior, todo o sistema é hermeticamente fechado com betume, o que evita que o the eletrólito seque e que o ar entre.

Química de funcionamento: processos nos eletrodos

Quando fechamos o circuito externo (por exemplo, conectamos uma lâmpada com um fio ao invólucro de zinco e à haste de grafite), saltos de potencial ocorrem nas interfaces de contato de fase (solução/metal e solução/óxido), e o movimento direcionado de elétrons do zinco para o grafite começa. O processo pode ser dividido em duas semirreações.

1. Processo no ânodo (oxidação do zinco) Os átomos de zinco na superfície do invólucro liberam seus elétrons, que vão para o circuito elétrico externo. Os cátions de zinco formados passam para a camada de eletrólito. Lá, eles se ligam instantaneamente às moléculas de amônia, formando um íon complexo. A equação da semirreação é a seguinte: Zn + 4NH_3 → [Zn(NH_3)_4]^{2+} + 2e^-

2. Processo no cátodo (redução do manganês) Pelo circuito externo, os elétrons chegam à haste de grafite e são transferidos para a camada de óxido de manganês(IV). Os átomos de manganês aceitam esses elétrons, diminuindo seu estado de oxidação de +4 para +3. Ao mesmo tempo, o oxigênio é liberado na forma de um íon O^{2-}, que passa para a pasta de eletrólito e se liga aos prótons cedidos pelos íons de amônio. A equação da semirreação catódica é: 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2e^- → Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O

Equação global da reação Somando ambas as semirreações, obtemos a equação final do processo químico que garante o funcionamento da pilha galvânica de zinco-manganês. Durante esta reação, formam-se um íon complexo de zinco, óxido de manganês(III) e água: Zn + 2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2NH_3 = [Zn(NH_3)_4]^{2+} + Mn_2O_3 + H_2O

Resumo: perguntas e respostas sobre o tema

O que mais estudar sobre o tema

• Mecanismo de surgimento do salto de potencial na interface de fases
• Complexação de íons de zinco em solução de amônia
• Termodinâmica das reações de oxirredução
• O papel do cloreto de amônio no eletrólito

Outros tópicos da seção "Capítulo 7. Classificação das reações químicas por processos eletrônicos"

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