Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Depto de Engenharia Química Curso de Engenharia Química

1. Universidade Federal do ParanáSetor de TecnologiaDepto de Engenharia QuímicaCurso de Engenharia Química Princípios de Eletroquímica TQ-134 – Turma A Prof. Dr. Mário J. Dallavalli dalla@ufpr.br

2. Princípios de Eletroquímica Aula 01

3. Eletroquímica Estudo da interconversão entre energia elétrica e reações químicas

4. 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 físico-química das espécies que participam da reação, bem como dos fenômenos eletroquímicos ocorridos1. (1) Varela, H.; Malta, M.; Torresi, R. M.; Quim. Nova2000, 23, 664.

5. 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.

6. Bibliografia recomendada: • DENARO, A. R., Fundamentos de eletroquímica, Ed. Edgar Blücher, 1974 • 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.

7. 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

8. 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

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

10. 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: ÂNODO: 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.

11. ELETROQUÍMICA

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

13. Célula Galvânica

14. ELETRODOS: Célula galvânica, baseada na reação Zinco-Cobre

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

16. 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.

17. Célula Eletrolítica - Célula de Membrana Produção de Cloro e Soda

18. Produção de Cloro e SodaCélulas 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.