Exercícios: 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. Explica por palavras tuas o que significa essa frase e indica dois aparelhos da tua casa que funcionem a pilhas.

Na feira de ciências, um grupo espeta num limão uma placa de zinco e uma de cobre, liga-as a um LED e este acende-se: 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 razão achas que são necessários dois metais diferentes e que duas placas iguais não serviriam?

A eletrólise é o processo inverso ao da pilha: uma corrente elétrica força a ocorrência de uma reação química que por si só não se produziria. Completa o esquema com as palavras em falta: «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 elétrodos, como se mostra na figura.

1. a) Escreve a equação acertada da decomposição da água.
2. b) Indica os dois gases que se libertam.

Classifica estas pilhas e baterias em «de uso único» ou «recarregáveis»: a pilha alcalina de um comando, a bateria de ião-lítio de um telemóvel, a bateria de chumbo de um carro e a pilha-botão de um relógio. Explica por palavras tuas o que significa uma bateria ser recarregável.

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

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

Explica, a partir dos coeficientes da equação acertada, por que razão isso acontece.

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 numa solução que contém iões do metal (crómio ou prata), que se deposita sobre ele formando uma camada muito fina. Apresenta duas razões pelas quais interessa revestir o aço com esses metais.

A pilha de Daniell tem um elétrodo de zinco mergulhado numa solução de sulfato de zinco e um elétrodo de cobre numa solução de sulfato de cobre, ligados entre si, como se mostra na figura.

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

1. a) Que metal está a passar para a solução sob a forma de iões?
2. b) Que metal se está a depositar e de onde provêm os seus átomos?
3. c) Explica por onde «viajam» os eletrões que fazem acender a lâmpada ligada à pilha.

Queres acender um LED com limões na feira de ciências.

1. a) Indica os três «ingredientes» indispensáveis da tua pilha caseira (dois elétrodos e um eletrólito) e que material usarás para cada um.
2. b) Prevê o que acontecerá se espetares no limão duas placas de cobre iguais em vez de uma de cobre e uma de zinco, e justifica.
3. c) Um único limão fornece uma tensão muito baixa: explica como ligarias vários limões para obter uma tensão maior.

Numa cuba de eletrólise da água recolheram-se $4\ \text{mol}$ de hidrogénio.

1. a) Usando a equação $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, calcula quantas moles de oxigénio se libertaram.
2. b) Quantas moles de água se decompuseram no total?

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

Quando o tubo do hidrogénio contém $20\ \text{mL}$, que volume de oxigénio esperas encontrar no outro tubo, medido nas mesmas condições? Explica a proporção usando os coeficientes da equação acertada.

A bateria do telemóvel funciona «nos dois sentidos».

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

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

1. a) Sobre qual dos dois elétrodos se deposita a prata?
2. b) A solução iria perdendo iões de prata se não fosse o facto de a lâmina se ir dissolvendo: explica que papel desempenha a lâmina ligada ao polo positivo.
3. c) Justifica o que aconteceria à colher se a ligássemos por engano ao polo positivo.

Compara 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?

Apresenta ainda um exemplo real de cada processo.

A bateria de um carro a gasolina tem $6$ células de chumbo ligadas em série, e cada célula fornece cerca de $2\ \text{V}$, como se mostra na figura.

1. a) Que tensão total fornece a bateria?
2. b) Explica por que razão as células são ligadas em série e não em paralelo.
3. c) O motor de arranque necessita de uma corrente de $120\ \text{A}$ durante $2\ \text{s}$. Calcula a carga elétrica que o atravessa ($Q = I \cdot t$).

Um LED necessita 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 necessitas, no mínimo, para acender o LED? Justifica a resposta.
2. b) Desenha no teu caderno a montagem com $3$ limões, indicando que elétrodo (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, que tensão total fornece o conjunto? Justifica se o LED acenderá.

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

Na pilha de Daniell ocorrem estas duas semirreações: no elétrodo de zinco, $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2\ e^-$; no elétrodo de cobre, $Cu^{2+} + 2\ e^- \rightarrow Cu$.

1. a) Soma as duas semirreações e escreve a reação global da pilha.
2. b) Que elétrodo atua como polo negativo, isto é, o que cede eletrões ao circuito?
3. c) Explica, a partir das semirreações, por que razão o elétrodo de zinco perde massa e o de cobre ganha massa enquanto a pilha funciona.

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

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

Numa cuba eletrolítica decompõe-se água e, entre os dois elétrodos, recolhem-se no total $72\ \text{mL}$ de gás, medidos nas mesmas condições.

1. a) Que volume de hidrogénio e que volume de oxigénio foram recolhidos?
2. b) Nessas condições, $1\ \text{mol}$ de qualquer gás ocupa $24\ \text{L}$: calcula a quantidade de substância de cada gás.
3. c) Com a massa molar da água, $18\ \text{g/mol}$, calcula que massa de água se decompôs.

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

1. a) Explica que papel desempenham os iões dissolvidos na condução da corrente pela água.
2. b) Prevê o que observarias se tentasses eletrolisar água destilada completamente pura com uma pilha de $9\ \text{V}$, e justifica.
3. c) Propõe dois testes para identificar o gás de cada tubo, sabendo que o oxigénio reaviva uma estilheta em brasa e que o hidrogénio arde com um pequeno estalido («pop») ao aproximar-se uma chama.

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

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

O casco de aço dos navios tem soldados blocos de zinco chamados «ânodos de sacrifício»: é o zinco que se corrói em vez do ferro, como se mostra na figura.

1. a) Tendo em conta o que acontece na pilha de Daniell, onde o zinco se desgasta cedendo eletrões com mais facilidade do que o cobre, explica por que razão um bloco de zinco protege o ferro do casco.
2. b) Justifica o que aconteceria se os blocos fossem de cobre em vez de zinco.
3. c) Por que razão é necessário verificar esses blocos e substituí-los de tempos a tempos?

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

1. a) Calcula quanto custam $500$ utilizações com pilhas alcalinas e quanto custam com a pilha recarregável.
2. b) Além da poupança económica, justifica que vantagem ambiental tem a pilha recarregável, pensando nos resíduos que são gerados.
3. c) As pilhas gastas não devem ser colocadas no caixote do lixo comum: explica porquê do ponto de vista da química que contêm.

Desafio do tema. Como auditor ambiental da tua casa, deves avaliar o impacto de três processos químicos do quotidiano e propor alternativas sustentáveis num breve relatório técnico.

1. Combustão: Consulta no site da REN (Redes Energéticas Nacionais) a percentagem de produção elétrica através de ciclo combinado (gás natural) de ontem e calcula o dióxido de carbono emitido pelo consumo elétrico diário da tua habitação.

2. Neutralização e medição: Com uma seringa de cozinha ($\pm 0,5\text{ mL}$), mede o volume de vinagre necessário para neutralizar diferentes massas de bicarbonato de sódio ($1,0$; $2,0$ e $3,0\text{ g}$, com incerteza $\pm 0,1\text{ g}$) até que cesse a efervescência de $CO_2$. Constrói uma tabela com as tuas medições e incertezas e elabora um gráfico de volume em função da massa para determinar a relação de neutralização.

3. Eletroquímica e proposta: Desenha o esquema de uma pilha galvânica caseira (tipo Volta com moedas de cobre, papel embebido em vinagre e folha de alumínio) para substituir pilhas alcalinas descartáveis. Redige uma proposta fundamentada que priorize processos eletroquímicos face aos de combustão em casa.

Será valorizado:

• Rigor na obtenção de dados da REN e no acerto estequiométrico das reações.

• Qualidade do tratamento de dados experimentais (tabela, gráfico com barras de incerteza e interpretação).

• Explicação científica adequada dos três tipos de processos (redox, ácido-base e combustão).

• Coerência e viabilidade da proposta de sustentabilidade doméstica.