Células Voltaicas/Galvânicas

Reações Químicas Espontâneas

Reações redox espontâneas ocorrem abundantemente na natureza. A reação química que ocorre em uma pilha AA descartável que alimenta os nossos controlos remotos é um exemplo de uma reação redox espontânea. Outro exemplo é a imersão de fio de cobre enrolado em uma solução aquosa de nitrato de prata. A reação mostra uma mudança de cor gradual e visualmente impressionante, de incolor a azul brilhante e a formação de um precipitado cinzento no fio de cobre. Nesta experiência, o cobre sofre oxidação para formar iões cuprosos, que tornam a solução azul, enquanto que os iões de prata são reduzidos para formar um precipitado prateado no fio.

A reação pode ser resumida da seguinte forma:

Aqui, há uma transferência direta e espontânea de eletrões do fio de cobre para os iões de prata aquosos.

Células Eletroquímicas e Células Galvânicas

Suponha que um dispositivo contém todos os reagentes e produtos de um sistema redox, mas impede o contacto físico entre os reagentes. Portanto, a transferência direta de eletrões é impedida; em vez disso, ocorre indiretamente através de um circuito externo que entra em contacto com os reagentes separados. Os dispositivos deste tipo são geralmente referidos como células eletroquímicas.

Uma célula eletroquímica é um instrumento no qual uma corrente elétrica é gerada por uma reação redox sem contacto direto entre os átomos que reagem. As células eletroquímicas nas quais uma corrente é criada devido a uma reação redox espontânea são conhecidas como células galvânicas ou fotovoltaicas (de seu nome devido a Luigi Galvani e Alessandro Volta).

Componentes de uma Célula Galvânica

Uma célula galvânica baseada na reação espontânea entre cobre e prata(I) está representada na Figura 1. Uma célula galvânica típica consiste em duas semi-células, cada uma contendo um par, ou casal, redox conjugado de um único reagente. A semi-célula à esquerda contém o par Cu(0)/Cu(II) na forma de uma folha de cobre sólida e uma solução aquosa de nitrato de cobre. A semi-célula da direita contém o par Ag(I)/Ag(0) como folha de prata sólida e uma solução aquosa de nitrato de prata. Um circuito externo é conectado a cada semi-célula na sua folha sólida, o que significa que as folhas Cu e Ag funcionam como um elétrodo. A reação ocorre na interface entre a mistura de reação de cada semi-célula e o seu respectivo elétrodo. O ânodo é o elétrodo no qual ocorre oxidação e carrega carga negativa, enquanto que o catodo é o elétrodo no qual ocorre redução, e carrega carga positiva.

As duas semi-células estão ligadas por uma ponte salina, que é um tubo em U invertido contendo um gel ou pasta de um eletrólito inerte, como o cloreto de potássio ou o nitrato de amónio. A ponte salina ajuda a manter as misturas de reação separadas, garantindo o equilíbrio de carga da reação. A reação espontânea desta célula produz catiões Cu²⁺ na semi-célula anódica e consome iões Ag⁺ na semi-célula catódica, resultando em um fluxo compensatório de iões inertes da ponte salina que mantém o equilíbrio de carga. A ponte salina fornece um fluxo de iões inertes, assegurando que a reação continua a neutralizar a acumulação de iões positivos e negativos no ânodo e no cátodo. Assim, concentrações crescentes de Cu²⁺ na semi-célula anódica são equilibradas por um influxo de NO³⁻ da ponte salina, enquanto que um fluxo de Na⁺ para a semi-célula catódica compensa a diminuição da concentração de Ag⁺.

Figura 1: Célula galvânica baseada na reação espontânea entre iões de cobre e prata(I).

Representação de uma Célula Galvânica utilizando Esquemas de Células ou Notações de Células

A célula galvânica é representada simbolicamente utilizando esquemas de células ou notações de células.

•  No esquema de células, todas as interfaces entre as fases dos componentes são representadas por linhas paralelas verticais.
•  Se dois ou mais componentes existirem na mesma fase, eles serão separados na representação usando vírgulas.
•  O ânodo é representado à esquerda do esquema e o cátodo à direita.
•  Uma linha vertical dupla indica uma ponte salina ou uma partição porosa entre as duas semi-reações.
•  Por convenção, o esquema começa com o ânodo e prossegue da esquerda para a direita, identificando fases e interfaces encontradas dentro da célula, terminando com o cátodo.

Por exemplo, a célula galvânica acima é composta por um ânodo de cobre sólido imerso em nitrato de cobre(II) aquoso ligado através de uma ponte salina a uma solução aquosa de nitrato de prata(I) imersa em um cátodo de prata sólida. A conversão desta afirmação para simbolismo seguindo as diretrizes acima resulta no esquema de célula:

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e,17.2 Galvanic Cells.