Eletroquímica

A eletroquímica é a parte da química que estuda transferências de elétrons entre substâncias. Reações onde alguns reagentes perdem elétrons enquanto outros ganham para formar produtos são chamadas reações de oxirredução ou redox. O comportamento dessas reações é o principal tópico da eletroquímica.

Numa reação de oxirredução ocorrem dois processos básicos: a perda de elétrons chamada de oxidação e o ganho de elétrons chamado de redução. Se uma substância sofre redução ela causa, consequentemente, a oxidação de outra substância, portanto ela atua como um agente oxidante. Da mesma forma uma substância que foi oxidada atuou como agente redutor. Temos que:

Agente oxidante ⇔ Sofre redução ⇔ Ganha elétrons

Agente redutor ⇔ Sofre oxidação ⇔ Perde elétrons

A identificação de reações redox nem sempre é óbvia. Em geral associamos reações de transferência de elétrons com reações dentro de pilhas e baterias, entretanto reações redox são mais comuns do que imaginamos. A combustão, respiração, ferrugem são alguns exemplos de processos de oxirredução. Para identificar se uma reação é de oxirredução é necessário avaliar a variação do número de oxidação (Nox) dos produtos e reagentes. Em geral atribui-se um número de oxidação para cada átomo nos reagentes e cada átomo dos produtos. Caso ocorra variação concluímos que houve transferência de elétrons e portanto a reação é de oxirredução. Por exemplo considere as seguintes reações:

Zn_{(s)} + 2H^{+}_{(aq)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)}

HCl_{(aq)} + NaOH_{(aq)} \longrightarrow NaCl_{(aq)} + H_{2}O_{(l)}

No primeiro caso o número de oxidação de substância simples é zero, para íons mononucleares o Nox é igual a carga. Temos que o Nox do zinco variou de 0 para +2 enquanto que o Nox do hidrogênio variou de 0 para +1. Portanto trata-se de uma reação redox. Já no segundo todos os átomos mantiveram seus números de oxidação constante, logo não trata-se de uma reação redox.

As reações redox estão associadas com uma energia potencial relacionada ao deslocamento dos elétrons de uma espécie para outra. Podemos calcular a força eletromotriz ou diferença de potencial de uma reação redox da seguinte forma:

E = E_{red} - E_{oxi}

Ou seja, a diferença potencial é igual a diferença dos potenciais padrão de redução do agente redutor e do agente oxidante. Os potenciais padrão de redução são obtidas a partir de uma referência, em geral o eletrodo padrão de hidrogênio. Com os valores tabulados é possível prever a espontaneidade de reações de oxirredução onde uma diferença de potencial positiva indica um processo espontâneo e uma diferença de potencial negativa indica um processo forçado ou não espontâneo. Por exemplo:

Ag^{+}_{(aq)} + Zn_{(s)} \longrightarrow Ag_{(s)} + Zn^{2+}_{(aq)} \qquad E = +1,56V

2Na^{+}_{(aq)} + F_{2(g)} \longrightarrow 2Na_{(s)} + 2F^{-}_{(aq)} \qquad E = -5,58V

A primeira reação ocorre espontaneamente uma vez que o potencial é positivo, podendo ser uma pilha ou célula voltaica. A segunda reação por outro lado tem um potencial negativa, logo não ocorre naturalmente, para realizá-la é necessário fornecer corrente elétrica num processo chamado eletrólise.

Referência:

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005.