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Eletroquímica

Eletroquímica é um ramo da química que estuda os fenômenos físico-químicos que dependem de transferência de elétrons, como oxidação, redução, corrosão e eletrólise.
Mãos seguram um punhado de pilhas, ferramentas estudadas na eletroquímica.
O desenvolvimento das pilhas ocorreu graças à compreensão do processo de oxirredução, fenômeno estudado na eletroquímica.

A eletroquímica é um ramo da Química que descreve duas importantes áreas de estudo: a oxirredução e a eletrólise. A oxirredução, também conhecida como reações de óxido-redução, engloba os processos em que há transferência de elétrons entre as espécies químicas envolvidas, resultando na mudança de seus estados de oxidação. Por sua vez, a eletrólise estuda as reações químicas provocadas pela passagem de corrente elétrica através de um eletrólito.

A eletroquímica é de extrema importância para a compreensão dos princípios fundamentais das células eletroquímicas, como as células galvânicas e as células eletrolíticas, que são a base para o funcionamento de diversas tecnologias, incluindo aplicações na indústria, medicina e meio ambiente.

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Leia também: O que estuda a Físico-Química?

Resumo sobre eletroquímica

  • A eletroquímica estuda as interações entre reações químicas e corrente elétrica.
  • Envolve processos de oxidação e redução (reações redox) que ocorrem em sistemas eletroquímicos.
  • Pilhas eletroquímicas convertem energia química em energia elétrica por meio de reações redox.
  • Eletrólise é o processo inverso, no qual uma corrente elétrica é usada para impulsionar reações não espontâneas.
  • A eletroquímica é aplicada em tecnologias de armazenamento de energia, como baterias recarregáveis.
  • Desempenha um papel importante na transição para fontes de energia sustentáveis, como células a combustível.
  • Contribui para o tratamento de água e remoção de poluentes por meio de processos eletroquímicos.
  • Técnicas eletroquímicas são utilizadas em análise química e detecção de substâncias em diversas amostras.
  • A indústria eletroquímica emprega processos como eletrodeposição, eletrossíntese e eletrólise industrial.
  • Aplicações médicas incluem biossensores eletroquímicos para diagnóstico e monitoramento de saúde.

O que a eletroquímica estuda?

A eletroquímica estuda os fenômenos químicos que envolvem a transferência de elétrons, como oxidação, redução, corrosão e eletrólise, ou seja, reações químicas que geram corrente elétrica ou dependem dela para ocorrerem.

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Conceitos importantes da eletroquímica

Para compreender melhor as reações que envolvem a eletroquímica, é necessário compreender alguns conceitos importantes:

  • Oxidação: processo em que uma espécie química (átomo, íon ou molécula) cede um elétron para outra. Isso ocorre devido à diferença no número de oxidação (NOX) das espécies participantes. Como consequência, quando um átomo ou molécula oxida, seu NOX aumenta.
  • Redução: é o inverso da oxidação. Nesse caso, a espécie química recebe o elétron cedido no processo de transferência, fazendo com o que seu NOX seja reduzido. Quando isso ocorre, dizemos que ela foi reduzida.
Exemplo de reação de oxirredução do zinco e cobre.
Reação de oxidorredução em que o zinco (Zn) sofre oxidação enquanto o cobre (Cu) sofre redução.

Ponto importante: Vale ressaltar que os processos de oxidação e redução ocorrem simultaneamente. Logo, para que um ocorra, necessariamente o outro ocorrerá, pois, quando um elétron é doado, é preciso que haja um recebedor desse elétron.

  • Número de oxidação: é o valor numérico que indica a capacidade que determinada espécie química tem de atrair os elétrons em uma reação química (receber). Sendo assim, quanto maior for o NOX, mais facilmente o átomo, íon ou molécula receberá elétrons, ou seja, será reduzido. O mesmo vale para NOX muito baixo, indicando que a espécie em questão é suscetível a ser oxidada (perder elétrons). Para saber mais sobre o número de oxidação, clique aqui.
  • Número de redução: refere-se à capacidade que a substância tem de ser reduzida. Sendo assim, quanto maior o número redução, mais facilmente essa substância receberá elétrons.
  • Agente oxidante: espécie química que recebe elétrons nas reações de oxidorredução, pois, ao receber, ela está sendo reduzida e, consequentemente, está oxidando a espécie doadora.
  • Agente redutor: é a espécie que perde elétrons. Isso porque, ao oxidar, ela provoca a redução da espécie que receberá os elétrons.
  • Eletrólise: é o processo no qual uma corrente elétrica externa é aplicada a uma célula eletroquímica para promover uma reação não espontânea. A eletrólise é usada para decompor compostos em seus constituintes ou para obter produtos químicos específicos. Para saber mais sobre esse processo, clique aqui.
  • Corrosão: é um processo eletroquímico no qual um metal é deteriorado devido a reações com o ambiente. A corrosão envolve a oxidação do metal e é influenciada por fatores como umidade, oxigênio e presença de substâncias corrosivas. Para saber mais, clique aqui.
  • Potencial de eletrodo: é a medida da capacidade de um eletrodo em atrair ou liberar elétrons durante uma reação eletroquímica. O potencial de eletrodo é expresso em relação a um potencial de referência, como o eletrodo-padrão de hidrogênio.
  • Célula eletroquímica: é um sistema onde ocorrem as reações eletroquímicas. É constituída por dois eletrodos (ânodo e cátodo) imersos em soluções eletrolíticas conectadas por um circuito externo. A célula eletroquímica permite a transferência de elétrons entre os eletrodos por meio de reações de oxirredução.
Esquema ilustrativo de uma célula eletroquímica.
Esquema ilustrativo de uma célula eletroquímica.
  • Potencial de célula: é a diferença de potencial elétrico entre os dois eletrodos de uma célula eletroquímica. O potencial de célula é medido em volts e fornece informações sobre a direção e espontaneidade da reação eletroquímica.
  • Leis de Faraday: são leis que relacionam a quantidade de substância produzida ou consumida em uma reação eletroquímica com a quantidade de eletricidade que passa pela célula eletroquímica. As leis de Faraday descrevem a relação entre carga elétrica eletrodepositada, tempo e corrente elétrica. Para saber mais sobre elas, clique aqui.

Aplicações da eletroquímica

A eletroquímica tem uma ampla variedade de aplicações em diversas áreas da ciência e da tecnologia. Podemos citar algumas das principais aplicações da eletroquímica:

  • Baterias e armazenamento de energia: As baterias são dispositivos eletroquímicos que convertem energia química em energia elétrica. Elas são amplamente utilizadas em dispositivos eletrônicos, veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia renovável e muito mais. A eletroquímica desempenha um papel essencial no desenvolvimento e aprimoramento das baterias.
Bateria, uma aplicação da eletroquímica.
As baterias funcionam como combustível para os dispositivos eletrônicos.
  • Corrosão e proteção de materiais: A eletroquímica é fundamental para entender os processos de corrosão, que envolvem reações eletroquímicas que causam a deterioração de metais. Por meio dela, é possível desenvolver estratégias de proteção contra a corrosão, como revestimentos, inibidores e técnicas de proteção catódica. A exemplo disso, podemos citar a galvanização, que é aplicada em peças metálicas para protegê-las da corrosão. Consiste basicamente em conectar a peça a um polo negativo (cátodo) e uma peça de zinco é conectada ao polo positivo (ânodo).
Peças sendo galvanizadas.
Na galvanização, quando uma corrente elétrica é aplicada, íons de zinco são depositados na superfície da peça, formando uma camada de revestimento.
  • Células a combustível: Esses dispositivos eletroquímicos convertem energia química diretamente em energia elétrica. Elas oferecem uma alternativa eficiente e limpa para a geração de eletricidade. As células a combustível são usadas em veículos elétricos, sistemas de energia estacionária e em várias outras aplicações.
Carro elétrico sendo recarregado.
No processo de carregamento dos veículos elétricos, ocorre uma reação eletroquímica nas células da bateria que permite o armazenamento da energia elétrica.
  • Sensores eletroquímicos: Esses dispositivos utilizam reações eletroquímicas para detectar e medir substâncias químicas ou analisar propriedades de soluções. Eles são amplamente utilizados em análises químicas, monitoramento ambiental, diagnósticos médicos e outras aplicações.
  • Eletrossíntese: A eletrossíntese envolve a utilização de corrente elétrica em reações químicas para produzir compostos e materiais de forma mais eficiente e sustentável. Ela é aplicada em síntese orgânica, produção de produtos químicos e fabricação de materiais avançados.
  • Eletroquímica ambiental: A eletroquímica desempenha um papel importante na área ambiental, incluindo tratamento de águas residuais, purificação de água, remoção de poluentes, análise eletroquímica de contaminantes eletroativos e monitoramento de qualidade do ar.

Leia também: Pilha de Daniell — tudo sobre esse dispositivo e seu funcionamento

Importância da eletroquímica

A eletroquímica ganha destaque em vários setores, de acordo com as suas aplicações, pois é um ramo que tem impulsionando o avanço de tecnologias de armazenamento de energia em grande escala, como baterias de íons de lítio e sistemas de armazenamento em rede, permitindo a integração de fontes de energia renováveis e promovendo a transição para uma matriz energética mais limpa.

Além disso, sua importância pode ser percebida pelas suas aplicações em setores que envolvem o meio ambiente e saúde, como:

  • no tratamento de água, permitindo a remoção de poluentes e contaminantes por meio de processos como eletrocoagulação, eletroflotação e eletro-oxidação;
  • na redução da poluição atmosférica, por meio de tecnologias como células eletroquímicas de redução seletiva de óxidos de nitrogênio (NOx) e células eletroquímicas de captura de carbono;
  • na indústria, sendo utilizada em processos como eletrodeposição, eletropolimento, eletrossíntese e eletrólise industrial;
  • na área médica, no diagnóstico e monitoramento de saúde, como os biossensores eletroquímicos que são usados para a detecção de biomarcadores, análise de DNA, medição de glicose e monitoramento de outras substâncias biológicas importantes.

História da eletroquímica

A eletroquímica é um campo científico que remonta a vários séculos atrás, com contribuições significativas ao longo da história. Podemos destacar alguns marcos históricos da história da eletroquímica com base em seu desenvolvimento ao longo do tempo:

  • Século XVIII — Descoberta dos efeitos elétricos: No final do século XVIII, Luigi Galvani e Alessandro Volta realizaram experimentos que levaram à descoberta dos efeitos elétricos nas reações químicas. Galvani observou que a contração muscular ocorria quando um nervo era exposto a uma diferença de potencial elétrico, enquanto Volta desenvolveu a pilha voltaica, um dispositivo capaz de produzir uma corrente elétrica usando uma combinação de metais e líquidos.
  • Início do século XIX — Teoria das reações eletroquímicas: Humphry Davy contribuiu significativamente para a compreensão da eletroquímica. Ele demonstrou a eletrólise de compostos e isolou vários elementos por meio de eletrólise. Davy também propôs a teoria de que a eletricidade era a causa das reações químicas.
Humphry Davy (1778 -1829), um dos nomes ligados à história da eletroquímica.
Humphry Davy (1778 -1829), um dos nomes ligados à história da eletroquímica.
  • Meados do século XIX — Leis de Faraday: Michael Faraday realizou uma série de experimentos e formulou as leis da eletrólise, conhecidas como leis de Faraday. Essas leis relacionam a quantidade de substância formada em uma eletrólise com a quantidade de eletricidade passada.
Michael Faraday (1791-1867).
Michael Faraday (1791-1867).
  • Final do século XIX — Eletroquímica moderna: Durante o final do século XIX, a eletroquímica como disciplina científica se desenvolveu e se tornou mais estabelecida. Svante Arrhenius propôs a teoria dos eletrólitos, explicando a condução elétrica em soluções formadas por íons. Walther Nernst desenvolveu a equação de Nernst, que relaciona o potencial do eletrodo com as concentrações de espécies químicas envolvidas.
  • Século XX - Avanços e aplicações: Ao longo do século XX, houve avanços significativos na eletroquímica e suas aplicações. Carl Wagner desenvolveu a teoria das reações eletroquímicas, explicando os processos de transferência de carga em eletrodos.

Esses são apenas alguns marcos importantes na história da eletroquímica. Ao longo dos anos, a eletroquímica tem sido um campo ativo de pesquisa, com contínuos avanços científicos e aplicações práticas em diversos setores, incluindo energia, meio ambiente, química analítica e materiais.

Exercícios resolvidos sobre eletroquímica

Questão 1

Sobre os conceitos importantes da eletroquímica, agente oxidante é a espécie química que:

a) perde elétrons.

b) oxida.

c) é reduzida.

d) sofre corrosão.

e) N.D.A

Justificativa: Letra C. A espécie química que sofre redução está oxidando outra. Por isso, ela atua como agente oxidante.

Questão 2

Oxidação é processo eletroquímico em que ocorre:

a) compartilhamento de elétrons.

b) perda de elétrons.

c) ganho de elétrons.

d) perda de um nêutron.

e) ganho de um próton.

Justificativa: Letra B. A “perda” de elétrons de uma determinada espécie química é o que caracteriza a oxidação. Lembrando que, para que haja oxidação, é necessário que tenha redução, pois trata-se de um processo simultâneo.

Fontes:

ARAÚJO GRECCO, L. H.; DE ARAÚJO SOUZA, B. C.; BOLDRIN ZANONI, M. V. Electrocoagulation/Electrofloculation for Wastewater Treatment: Non-Conventional Electrodes and Coupling of Techniques. Quimica Nova, v. 45, n. 4, p. 410–423, 2022.

DÍAZ-CRUZ, J. M. et al. Electroanalysis from the past to the twenty-first century: challenges and perspectives. Journal of Solid State Electrochemistry, v. 24, n. 11–12, p. 2653–2661, 2020.

INZELT, G. Future of electrochemistry in light of history and the present conditions. Journal of Solid State Electrochemistry, v. 24, n. 9, p. 2089–2092, 2020.

KURZWEIL, P. HISTORY | Electrochemistry. In: Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. [s.l.] Elsevier, 2009. p. 533–554.

PETROVIC, S. Overpotential. In: Electrochemistry Crash Course for Engineers. Cham: Springer International Publishing, 2021. p. 59–64.

SABU, C. et al. Advanced biosensors for glucose and insulin. Biosensors and Bioelectronics, v. 141, n. March, p. 111201, 2019.

YOSHINO, A. The birth of the lithium-ion battery. Angewandte Chemie - International Edition, v. 51, n. 24, p. 5798–5800, 2012.

Publicado por Jhonilson Pereira Gonçalves
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