Universidade Federal do Paran Setor de Tecnologia Depto

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 Estudo da interconversão entre energia elétrica e reações químicas

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 físicoquímica das espécies que participam da reação, bem como dos fenômenos eletroquímicos ocorridos 1. (1) Varela, H. ; Malta, M. ; Torresi, R. M. ; Quim. Nova 2000, 23, 664.

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: • DENARO, A. R. , Fundamentos eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974 de • 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: • 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. ) • 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

Nomenclatura Eletroquímica A seguir está descrita a nomenclatura hoje utilizada no estudo da eletroquímica a) ELETRODOS: São assim chamadas as partes metálicas que estão em contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica. b) NODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula ENTRA na solução. c) CÁTODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula DEIXA a solução. d) d) ELETRÓLITOS: São assim chamadas todas as soluções que CONDUZEM a corrente elétrica. e) e) ÍONS: São assim chamadas as partículas carregadas que se movimentam na solução.

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: NODO: 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.

ELETROQUÍMICA

Tipos de Células Eletroquímicas • Célula Galvânica – reação ocorre naturalmente - Pilha • - potencial positivo (Ecel = +) - exotérmica produz energia » nodo = (-) e Cátodo = (+) • • • Célula Eletrolítica – reação não ocorre naturalmente, requer estimulo externo (energia) para ocorrer – Célula p/ Cloro-Soda - potencial negativo (Ecell = -) - endotérmica requer energia » nodo = (+) e Cátodo = (-) • Células quimicamente reversíveis – células as quais revertem a direção da corrente simplesmente revertendo-se a reação química – Bateria Pb/Ácido

Célula Galvânica

ELETRODOS: Célula galvânica, baseada na reação Zinco-Cobre

Célula Galvânica No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação: No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação: Reação Global:

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.

Célula Eletrolítica Produção de Cloro e Soda - Célula de Membrana

Produção de Cloro e Soda Células 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.