Processos eletroquímicos simples

Uma pilha é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica graças a uma reação química que ocorre no seu interior. Explique com suas próprias palavras o que significa essa frase e indique dois aparelhos da sua casa que funcionem a pilha.

Na feira de ciências, um grupo espeta num limão uma placa de zinco e uma de cobre, liga-as a um LED e ele se acende: construíram uma «pilha de limão», como se mostra na figura.

1. a) O que desempenha o papel de eletrólito (o meio que conduz a corrente dentro da pilha) nesta montagem?
2. b) Por que você acha que são necessários dois metais diferentes e que duas placas iguais não serviriam?

Você quer acender um LED com limões na feira de ciências.

1. a) Indique os três «ingredientes» indispensáveis da sua pilha caseira (dois eletrodos e um eletrólito) e que material você usará para cada um.
2. b) Preveja o que acontecerá se você espetar no limão duas placas de cobre iguais em vez de uma de cobre e uma de zinco, e justifique.
3. c) Um único limão fornece uma tensão muito baixa: explique como você ligaria vários limões para obter uma tensão maior.

Um LED precisa de pelo menos $1,8\ \text{V}$ para acender e cada pilha de limão fornece cerca de $0,9\ \text{V}$.

1. a) De quantas pilhas de limão ligadas em série você precisa, no mínimo, para acender o LED? Justifique a resposta.
2. b) Desenhe no seu caderno a montagem com $3$ limões, indicando qual eletrodo (cobre ou zinco) de cada limão se liga a qual do seguinte.
3. c) Se um dos três limões for ligado com a polaridade invertida em relação aos restantes, qual tensão total o conjunto fornece? Justifique se o LED acenderá.

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

A eletrólise é o processo inverso ao da pilha: uma corrente elétrica força a ocorrência de uma reação química que por si só não aconteceria. Complete o esquema com as palavras que faltam: «Na pilha, uma reação química $\dots$ corrente elétrica; na eletrólise, a corrente elétrica $\dots$ uma reação química».

Ao fazer passar corrente contínua pela água (com algumas gotas de ácido para conduzir a corrente), surgem bolhas de dois gases diferentes nos eletrodos, como mostra a figura.

1. a) Escreva a equação balanceada da decomposição da água.
2. b) Indique os dois gases que são liberados.

Compare a pilha e a eletrólise respondendo a estas três perguntas para cada processo:

1. a) Que processo produz corrente elétrica e qual a consome?
2. b) Em qual a reação química é espontânea e em qual é forçada pela corrente?
3. c) Que conversão de energia ocorre em cada um?

Apresente ainda um exemplo real de cada processo.

Para eletrolisar água no laboratório é necessário adicionar algumas gotas de ácido sulfúrico ou uma pitada de sulfato de sódio.

1. a) Explique que papel os íons dissolvidos desempenham na condução da corrente pela água.
2. b) Preveja o que você observaria se tentasse eletrolisar água destilada completamente pura com uma pilha de $9\ \text{V}$, e justifique.
3. c) Proponha dois testes para identificar o gás de cada tubo, sabendo que o oxigênio reativa um palito de fósforo em brasa e que o hidrogênio queima com um pequeno estalo («pop») ao se aproximar uma chama.

A pilha de Daniell tem um eletrodo de zinco mergulhado em uma solução de sulfato de zinco e um eletrodo de cobre em uma solução de sulfato de cobre, ligados entre si, como mostra a figura.

Enquanto a pilha funciona, o eletrodo de zinco perde massa e o de cobre ganha massa.

1. a) Que metal está passando para a solução na forma de íons?
2. b) Que metal está se depositando e de onde vêm os seus átomos?
3. c) Explique por onde "viajam" os elétrons que fazem acender a lâmpada ligada à pilha.

Para pratear uma colher, liga-se a colher ao polo negativo de uma fonte e uma lâmina de prata ao polo positivo, ambas mergulhadas em uma solução de nitrato de prata ($AgNO_3$), como mostra a figura.

1. a) Sobre qual dos dois eletrodos a prata se deposita?
2. b) A solução iria perdendo íons de prata se não fosse o fato de a lâmina ir se dissolvendo: explique que papel a lâmina ligada ao polo positivo desempenha.
3. c) Justifique o que aconteceria com a colher se a ligássemos por engano ao polo positivo.

Classifique estas pilhas e baterias em «de uso único» ou «recarregáveis»: a pilha alcalina de um controle remoto, a bateria de íon-lítio de um celular, a bateria de chumbo de um carro e a pilha-botão de um relógio. Explique com suas palavras o que significa uma bateria ser recarregável.

Quando você liga o celular ao carregador, a reação química da bateria ocorre «no sentido inverso». Explique, usando a ideia de processo inverso, o que o carregador faz com a corrente elétrica e em que o recarregamento de uma bateria se assemelha a uma eletrólise.

A bateria do celular funciona «nos dois sentidos».

1. a) Descreva a conversão de energia que ocorre quando o celular está em uso (descarga) e a que ocorre quando está ligado ao carregador (carga).
2. b) Justifique por que razão dizemos que o recarregamento da bateria é, no fundo, um processo de eletrólise.

Uma casa isolada tem painéis solares que durante o dia carregam uma bateria, e à noite a bateria alimenta as luzes.

1. a) Descreva a cadeia completa de transformações de energia desde que a luz atinge o painel até que uma lâmpada acende à noite.
2. b) Identifique nessa cadeia um processo que funcione como uma pilha e outro que funcione como uma eletrólise, e explique cada um.
3. c) Em cada etapa perde-se alguma energia sob a forma de calor: justifique por que razão nenhum trecho da cadeia tem um rendimento de $100\ \%$ e que princípio geral sobre a energia é sempre cumprido.

Uma pilha alcalina custa $\text{R\$}\ 0,50$ e serve para uma única utilização. Uma pilha recarregável custa $\text{R\$}\ 4$ e admite $500$ recargas; o carregador e a eletricidade de todas essas recargas custam no total cerca de $\text{R\$}\ 6$.

1. a) Calcule quanto custam $500$ utilizações com pilhas alcalinas e quanto custam com a pilha recarregável.
2. b) Além da economia financeira, justifique que vantagem ambiental tem a pilha recarregável, pensando nos resíduos que são gerados.
3. c) As pilhas usadas não devem ser colocadas no lixo comum: explique por quê, do ponto de vista da química que elas contêm.

Na eletrólise da água, $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, o volume de hidrogênio coletado é sempre o dobro do de oxigênio, como se mostra na figura.

Explique, a partir dos coeficientes da equação balanceada, por que isso acontece.

No laboratório, eletrolisa-se água recolhendo os gases em dois tubos graduados invertidos sobre os eletrodos, como mostra a figura.

Quando o tubo do hidrogênio contém $20\ \text{mL}$, que volume de oxigênio você espera encontrar no outro tubo, medido nas mesmas condições? Explique a proporção usando os coeficientes da equação balanceada.

As torneiras cromadas ou os talheres prateados são fabricados por eletrodeposição: o objeto de aço é ligado ao polo negativo de uma fonte e mergulhado em uma solução que contém íons do metal (cromo ou prata), que se deposita sobre ele formando uma camada muito fina. Apresente duas razões pelas quais interessa revestir o aço com esses metais.

O alumínio é obtido por eletrólise do seu óxido fundido (a alumina), um processo que consome enormes quantidades de eletricidade.

1. a) Explique, com a ideia de «reação forçada pela corrente», por que produzir alumínio é tão dispendioso em termos de energia.
2. b) Reciclar uma lata consome apenas $5\ \%$ da energia necessária para produzir alumínio novo. Para cada $100\ \text{kWh}$ que custaria produzir alumínio primário, calcule quanta energia se poupa se esse alumínio for obtido por reciclagem.
3. c) Apresente argumentos, usando esse dado, para explicar por que a reciclagem de latas é uma medida importante tanto do ponto de vista da química quanto do ambiente.