Atividade de elétrons em reações químicas

Até agora, em nossas discussões sobre eletricidade e circuitos elétricos, não discutimos em detalhes como as baterias funcionam. Em vez disso, simplesmente assumimos que eles produzem voltagem constante por meio de algum tipo de processo misterioso. Aqui, exploraremos esse processo até certo ponto e cobriremos algumas das considerações práticas envolvidas com baterias reais e seu uso em sistemas de energia.

No primeiro capítulo deste livro, o conceito de um átomo foi discutido, como é o bloco de construção básico de todos os objetos materiais. Os átomos, por sua vez, são compostos de pedaços ainda menores de matéria chamados partículas . Elétrons, prótons e nêutrons são os tipos básicos de partículas encontrados nos átomos. Cada um desses tipos de partículas desempenha um papel distinto no comportamento de um átomo. Enquanto a atividade elétrica envolve o movimento de elétrons, a identidade química de um átomo (que determina em grande parte o quão condutivo o material será) é determinada pelo número de prótons no núcleo (centro).



Os prótons no núcleo de um átomo são extremamente difíceis de desalojar e, portanto, a identidade química de um átomo é muito estável. Um dos objetivos dos antigos alquimistas (transformar chumbo em ouro) foi frustrado por essa estabilidade subatômica. Todos os esforços para alterar essa propriedade de um átomo por meio de calor, luz ou fricção fracassaram. Os elétrons de um átomo, entretanto, são desalojados com muito mais facilidade. Como já vimos, o atrito é uma forma pela qual os elétrons podem ser transferidos de um átomo para outro (vidro e seda, cera e lã), bem como o calor (gerando voltagem pelo aquecimento de uma junção de metais diferentes, como no caso de termopares).

Tipos de ligação química

Os elétrons podem fazer muito mais do que apenas se mover entre os átomos:eles também podem servir para ligar diferentes átomos. Esta ligação de átomos por elétrons é chamada de ligação química . Uma representação crua (e simplificada) de tal ligação entre dois átomos pode ter a seguinte aparência:



Existem vários tipos de ligações químicas, a mostrada acima é representativa de um covalente ligação, onde os elétrons são compartilhados entre os átomos. Como as ligações químicas são baseadas em ligações formadas por elétrons, essas ligações são tão fortes quanto a imobilidade dos elétrons que as formam. Ou seja, ligações químicas podem ser criadas ou quebradas pelas mesmas forças que forçam os elétrons a se moverem:calor, luz, fricção, etc.

Quando os átomos são unidos por ligações químicas, eles formam materiais com propriedades exclusivas conhecidas como moléculas . A imagem com dois átomos mostrada acima é um exemplo de uma molécula simples formada por dois átomos do mesmo tipo. A maioria das moléculas são uniões de diferentes tipos de átomos. Mesmo as moléculas formadas por átomos do mesmo tipo podem ter propriedades físicas radicalmente diferentes. Pegue o elemento carbono, por exemplo:em uma forma, grafite , os átomos de carbono se unem para formar “placas” planas que deslizam umas contra as outras com muita facilidade, dando ao grafite suas propriedades lubrificantes naturais. Em outra forma, diamante , os mesmos átomos de carbono se ligam em uma configuração diferente, desta vez na forma de pirâmides interligadas, formando o material de dureza excessiva. Em outra forma, Fulereno, dezenas de átomos de carbono formam cada molécula, que se parece com uma bola de futebol. As moléculas de fulereno são muito frágeis e leves. A fuligem arejada formada pela combustão excessivamente rica de gás acetileno (como na ignição inicial de uma tocha de soldagem / corte de oxiacetileno) contém muitas moléculas de fulereno.

Quando os alquimistas conseguiam mudar as propriedades de uma substância por calor, luz, fricção ou mistura com outras substâncias, eles estavam realmente observando mudanças nos tipos de moléculas formadas pela quebra de átomos e formação de ligações com outros átomos. A química é a contraparte moderna da alquimia e se preocupa principalmente com as propriedades dessas ligações químicas e as reações a elas associadas.

Um tipo de ligação química de particular interesse para o nosso estudo de baterias é a chamada iônica vínculo, e difere do covalente ligação naquele átomo da molécula possui um excesso de elétrons enquanto outro átomo carece de elétrons, as ligações entre eles sendo o resultado da atração eletrostática entre as duas cargas diferentes.

Quando as ligações iônicas são formadas a partir de átomos neutros, há uma transferência de elétrons entre os átomos carregados positivamente e negativamente. Um átomo que ganha um excesso de elétrons é considerado reduzido ; um átomo com deficiência de elétrons é considerado oxidado . Um mnemônico para ajudar a lembrar as definições é OIL RIG (oxidado é menos; reduzido é ganho). É importante observar que as moléculas geralmente contêm ligações iônicas e covalentes. O hidróxido de sódio (soda cáustica, NaOH) possui uma ligação iônica entre o átomo de sódio (positivo) e o íon hidroxila (negativo). O íon hidroxila tem uma ligação covalente (mostrada como uma barra) entre os átomos de hidrogênio e oxigênio:

Na + O — H- O sódio perde apenas um elétron, então sua carga é +1 no exemplo acima. Se um átomo perder mais de um elétron, a carga resultante pode ser indicada como +2, +3, +4, etc. ou por um algarismo romano entre parênteses mostrando o estado de oxidação, como (I), (II), ( IV), etc. Alguns átomos podem ter vários estados de oxidação e às vezes é importante incluir o estado de oxidação na fórmula molecular para evitar ambigüidade.

Como funciona uma célula voltaica?

A formação de íons e ligações iônicas a partir de átomos ou moléculas neutras (ou vice-versa ) envolve a transferência de elétrons. Essa transferência de elétrons pode ser aproveitada para gerar uma corrente elétrica. Um dispositivo construído para fazer exatamente isso é chamado de célula voltaica , ou célula para breve, geralmente consistindo de dois eletrodos de metal imersos em uma mistura química (chamada de eletrólito ) projetado para facilitar tal reação eletroquímica (oxidação / redução):



Na célula comum “chumbo-ácido” (o tipo comumente usado em automóveis), o eletrodo negativo é feito de chumbo (Pb) e o positivo é feito de dióxido de chumbo (IV) (PbO2), ambas substâncias metálicas. É importante notar que o dióxido de chumbo é metálico e é um condutor elétrico, ao contrário de outros óxidos de metal que geralmente são isolantes. (nota:Tabela abaixo) A solução eletrolítica é um ácido sulfúrico diluído (H2SO4 + H2O). Se os eletrodos da célula estiverem conectados a um circuito externo, de forma que os elétrons tenham um lugar para fluir de um para o outro, os átomos de chumbo (IV) no eletrodo positivo (PbO2) ganharão dois elétrons cada para produzir Pb (II) O. Os átomos de oxigênio que são "sobras" combinam-se com íons de hidrogênio carregados positivamente (H) + para formar água (H2O). Esse fluxo de elétrons no eletrodo de dióxido de chumbo (PbO2) fornece uma carga elétrica positiva. Consequentemente, os átomos de chumbo no eletrodo negativo dão dois elétrons cada para produzir chumbo Pb (II), que se combina com os íons sulfato (SO4-2) produzidos a partir da dissociação dos íons hidrogênio (H +) do ácido sulfúrico (H2SO4) para formam sulfato de chumbo (PbSO4). O fluxo de elétrons para fora do eletrodo de chumbo fornece uma carga elétrica negativa. Essas reações são mostradas em diagrama abaixo:



Nota sobre a nomenclatura do óxido de chumbo: A nomenclatura para óxidos de chumbo pode ser confusa. O termo óxido de chumbo pode se referir a Pb (II) O ou Pb (IV) O2, e o composto correto pode ser determinado geralmente a partir do contexto. Outros sinônimos para Pb (IV) O2 são:dióxido de chumbo, peróxido de chumbo, óxido plumbico, óxido de chumbo marrom e superóxido de chumbo. O termo peróxido de chumbo é particularmente confuso, pois implica um composto de chumbo (II) com dois átomos de oxigênio, Pb (II) O2, que aparentemente não existe. Infelizmente, o termo peróxido de chumbo persistiu na literatura industrial. Nesta seção, o dióxido de chumbo será usado para se referir ao Pb (IV) O2, e o óxido de chumbo, para se referir ao Pb (II) O. Os estados de oxidação não serão mostrados normalmente.

Este processo da célula fornecendo energia elétrica para fornecer uma carga é chamado de descarga uma vez que está esgotando suas reservas químicas internas. Teoricamente, depois de esgotado todo o ácido sulfúrico, o resultado serão dois eletrodos de sulfato de chumbo (PbSO4) e uma solução eletrolítica de água pura (H2O), não deixando mais capacidade de ligação iônica adicional. Neste estado, diz-se que a célula está totalmente descarregada . Em uma célula de chumbo-ácido, o estado de carga pode ser determinado por uma análise da força do ácido. Isso é facilmente realizado com um dispositivo chamado hidrômetro , que mede a gravidade específica (densidade) do eletrólito. O ácido sulfúrico é mais denso que a água, portanto, quanto maior a carga de uma célula, maior a concentração de ácido e, portanto, uma solução eletrolítica mais densa.

Não há uma única reação química representativa de todas as células voltaicas, portanto, qualquer discussão detalhada sobre química tem aplicação limitada. O importante a entender é que os elétrons são motivados para e / ou dos eletrodos da célula por meio de reações iônicas entre as moléculas do eletrodo e as moléculas do eletrólito. A reação é ativada quando existe um caminho externo para a corrente elétrica e cessa quando esse caminho é interrompido.

Sendo que a motivação para os elétrons se moverem através de uma célula é de natureza química, a quantidade de voltagem (força eletromotriz) gerada por qualquer célula será específica para a reação química particular para aquele tipo de célula. Por exemplo, a célula de chumbo-ácido que acabamos de descrever tem uma voltagem nominal de 2,04 volts por célula, com base em uma célula totalmente “carregada” (forte concentração de ácido) em boas condições físicas. Existem outros tipos de células com diferentes saídas de voltagem específicas. A célula Edison , por exemplo, com um eletrodo positivo feito de óxido de níquel, um eletrodo negativo feito de ferro e uma solução eletrolítica de hidróxido de potássio (uma substância cáustica, não ácida) gera uma voltagem nominal de apenas 1,2 volts, devido às diferenças específicas na reação química com essas substâncias eletrodo e eletrólito.

As reações químicas de alguns tipos de células podem ser revertidas forçando a corrente elétrica para trás através da célula ( em o eletrodo negativo e fora o eletrodo positivo). Este processo é chamado de cobrança . Qualquer uma dessas células (recarregáveis) é chamada de célula secundária . Uma célula cuja química não pode ser revertida por uma corrente reversa é chamada de célula primária .

Quando uma célula de chumbo-ácido é carregada por uma fonte de corrente externa, as reações químicas experimentadas durante a descarga são revertidas:



REVER:

• Átomos unidos por elétrons são chamados de moléculas .
• Ligações iônicas são uniões moleculares formadas quando um átomo deficiente em elétrons (um íon positivo) se junta a um átomo com excesso de elétrons (um íon negativo).
• As reações eletroquímicas envolvem a transferência de elétrons entre átomos. Esta transferência pode ser aproveitada para formar uma corrente elétrica.
• Uma célula é um dispositivo construído para aproveitar essas reações químicas para gerar corrente elétrica.
• Diz-se que uma célula está descarregada quando suas reservas químicas internas forem esgotadas pelo uso.
• Um secundário a química da célula pode ser revertida (recarregada) forçando a corrente para trás através dela.
• Um primário o celular não pode ser praticamente recarregado.
• A carga da célula de chumbo-ácido pode ser avaliada com um instrumento chamado hidrômetro , que mede a densidade do eletrólito líquido. Quanto mais denso o eletrólito, mais forte é a concentração de ácido e maior o estado de carga da célula.

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