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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 dalla@ufpr.br. Princípios de Eletroquímica. Aula 01. Eletroquímica

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Universidade Federal do ParanáSetor de TecnologiaDepto de Engenharia QuímicaCurso de Engenharia Química

Princípios de Eletroquímica

TQ-134 – Turma A

Prof. Dr. Mário J. Dallavalli

dalla@ufpr.br

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Eletroquímica

Estudo da interconversão entre energia elétrica e reações químicas

eletroqu mica
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 físico-química das espécies que participam da reação, bem como dos fenômenos eletroquímicos ocorridos1.

(1) Varela, H.; Malta, M.; Torresi, R. M.; Quim. Nova2000, 23, 664.

processos eletroqu micos
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
Bibliografia recomendada:
  • DENARO, A. R., Fundamentos de eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974
  • 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
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
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
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Nomenclatura Eletroquímica

  • A seguir está descrita a nomenclatura hoje utilizada no estudo da eletroquímica
  • ELETRODOS: São assim chamadas as partes metálicas que estão em contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica.
  • ÂNODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula ENTRA na solução.
  • 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.
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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.

tipos de c lulas eletroqu micas
Tipos de Células Eletroquímicas
  • Célula Galvânica – reação ocorre naturalmente - Pilha
  • - potencial positivo (Ecel = +) - exotérmica  produz energia
          • Ânodo = (-) e Cátodo = (+)
  • CélulaEletrolítica – 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
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ELETRODOS:

Célula galvânica, baseada na reação Zinco-Cobre

c lula galv nica15
Célula Galvânica

No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:

No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação:

Reação Global:

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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.
produ o de cloro e soda c lulas de diafragma
Produção de Cloro e SodaCélulas 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.