Células Eletroquímicas
Hoje, contamos com nossos laptops, celulares e aparelhos auditivos para tornar nossa vida mais fácil e agradável. Mas de onde vem a energia para essas coisas? Eletroquímica! As células eletroquímicas usam reações químicas para gerar eletricidade ou, inversamente, usam eletricidade para energizar reações químicas. Vamos examinar os dois tipos principais de células eletroquímicas: eletrolíticas e galvânicas.
Células eletrolíticas vs. galvânicas
As células eletrolíticas conduzem reações químicas quando a energia elétrica é aplicada a elas. Eles consistem em dois eletrodos que são imersos em um líquido condutor, geralmente uma solução aquosa ou um sal fundido. Um suprimento elétrico é conectado aos eletrodos e fornece a energia para conduzir uma reação na solução.
Este processo é conhecido como eletrólise . Um exemplo de eletrólise é o isolamento de sódio (Na) e cloro (Cl) do cloreto de sódio (NaCl). Dois eletrodos são imersos em NaCl fundido e reações químicas ocorrem em cada eletrodo conforme os elétrons são bombeados pela fonte de energia de um eletrodo para o outro.
O eletrodo no qual os elétrons são perdidos é conhecido como ânodo , e aquele no qual os elétrons são ganhos é o cátodo . Oxidação , ou perda de elétrons, é o processo que ocorre no ânodo, e a redução ou ganho de elétrons ocorre no cátodo. A reação geral de redução-oxidação, ou reação redox , para o nosso exemplo de eletrólise é:
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Deste processo, são obtidos sódio elementar e cloro gasoso. Da mesma forma, a maioria dos metais que formam íons positivos podem ser obtidos por eletrólise de uma solução de seus sais fundidos.
As células galvânicas (também conhecidas como células voltaicas) usam reações químicas para gerar energia elétrica. Em uma célula galvânica, a energia elétrica é produzida por uma reação redox química, em vez de uma reação química produzida pela eletricidade. O exemplo clássico de uma reação redox para uma célula galvânica é a reação entre soluções aquosas de zinco (Zn) e cobre (Cu):
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Nessa célula, o zinco é oxidado e o cobre é reduzido. Inicialmente, isso produz um fluxo de elétrons através de um fio conectado às duas soluções de eletrodos separadas, mas como a solução de zinco torna-se positivamente carregada por perder elétrons e a solução de cobre torna-se negativamente carregada ao ganhá-los, esse fluxo para. Não há mais elétrons com carga negativa que desejam fluir em direção à solução de cobre com carga negativa!
Para resolver este problema e fornecer um fluxo contínuo de elétrons (o que significa uma fonte de eletricidade), as soluções de eletrodo devem permanecer eletricamente neutras. Isso pode ser feito com uma ponte de sal , um tubo em forma de U preenchido com uma solução salina concentrada. A solução neste tubo fornece uma maneira para os íons viajarem entre as duas soluções de eletrodo para que possam permanecer eletricamente neutros em carga. Isso permite o fluxo contínuo de elétrons.
Resistencia interna
Mesmo no mundo da eletroquímica, nada de bom dura para sempre.
As células eletroquímicas são construídas com vários materiais, como o fio, as próprias soluções e os recipientes. Todos esses materiais fazem com que a célula tenha uma propriedade chamada resistência interna . Conforme a corrente flui na célula ao longo do tempo, essa resistência faz com que a célula perca um pouco de seu potencial, ou voltagem. O que resta da tensão da célula depois de subtrair a tensão perdida devido à resistência interna é chamado de diferença de potencial terminal. Isso é expresso como:
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Nesta equação, V t.pd é a diferença de potencial terminal; emf é a força eletromotriz, ou quantidade ideal de energia (em volts) fornecida pela célula antes que haja resistência; I é a corrente em amperes; e r é a resistência interna em ohms.
Conectando em série e em paralelo
No mundo real, a energia para aparelhos, telefones celulares e outras tecnologias úteis não é fornecida por uma célula eletroquímica simples. Em vez disso, as células são habilmente organizadas em várias configurações para aumentar a saída de energia (voltagem) e a corrente.
Colocar células voltaicas em série significa conectar as células em uma fileira, com a extremidade positiva de um terminal ou eletrodo conectado ao eletrodo negativo da próxima célula na fileira. Nesta configuração, a tensão é sempre aumentada. Assim, por exemplo, se uma bateria contém várias células em série, ela pode fornecer a tensão das somas das tensões de todas essas células. Se mais energia for desejada da bateria, esta é uma vantagem sobre conter apenas uma única célula.
No entanto, uma desvantagem é que a resistência de cada célula se soma para fazer uma resistência total maior para a bateria. Além disso, a voltagem da bateria depende da voltagem de cada célula. Portanto, se uma célula diminuir a voltagem por algum motivo, isso afetará a produção de energia de toda a bateria.
Colocar células galvânicas em paralelo significa conectar os terminais positivos e os terminais negativos juntos. Nessa configuração, a voltagem é de apenas uma célula, mas é a mesma em todas as células da bateria. Não depende das células individuais. A corrente fornecida, entretanto, é aumentada e a resistência da bateria diminui. Os aparelhos domésticos são conectados em paralelo para que todos os aparelhos não precisem ser ligados ao mesmo tempo para que nenhum deles funcione. Cada aparelho obtém a voltagem total de uma célula paralela e extrai sua própria corrente individual.
Usos
As aplicações para células eletroquímicas são virtualmente ilimitadas. Um uso importante para células eletrolíticas é a eletrodeposição, que é o processo de revestir uma substância condutora com uma fina camada de metal usando uma corrente elétrica. Isso é útil para melhorar a resistência à corrosão e à abrasão de vários materiais. As células eletrolíticas também são utilizadas na purificação e produção de metais para uso industrial.
O uso mais comum da célula galvânica é em vários tipos de baterias, como bateria de carro, bateria de lítio em uma câmera digital ou bateria de óxido de prata em um aparelho auditivo. Observe que nem todas as células galvânicas usam metais em um sal para produzir energia elétrica. As células a combustível, por exemplo, convertem a energia da oxidação de combustíveis para produzir eletricidade.
Resumo da lição
As células eletroquímicas usam reações químicas para gerar eletricidade ou eletricidade para energizar as reações químicas. Existem dois tipos: as células eletroquímicas usam uma fonte aplicada de energia para produzir uma reação química; as células galvânicas usam uma reação química, geralmente uma reação redox , para produzir eletricidade.
As células eletrolíticas consistem em dois eletrodos que são imersos em um líquido condutor, que geralmente é uma solução aquosa ou sal fundido. As células galvânicas têm dois eletrodos, cada um em sua própria solução separada, que são conectados por uma ponte de sal que permite que os íons fluam entre as soluções. Isso os mantém eletricamente neutros e permite o fluxo contínuo de elétrons.
Todas as células eletroquímicas têm resistência interna , que vem das soluções das células e dos materiais de que são feitas. Essa resistência reduz a quantidade de voltagem fornecida pela célula conforme a corrente é consumida.
Para otimizar a saída de energia ou corrente de uma aplicação de célula eletroquímica, as células dentro dela podem ser configuradas em série (terminal positivo para terminal negativo) ou em paralelo (positivos juntos, negativos juntos). Por exemplo, em uma bateria, organizar as células em série aumenta sua voltagem total. Organizar as células em paralelo, entretanto, aumenta a corrente e diminui a resistência interna.