Oxirredução: agente oxidante e agente redutor nas pilhas e baterias

A oxirredução faz parte da eletroquímica que estuda a conversão da energia química, armazenada nas ligações, em energia elétrica, sendo um processo espontâneo que ocorre nas pilhas e nas baterias. Nessas ferramentas, ocorrem reações de oxirredução através da transferência de elétrons, gerando eletricidade.

O número de oxidação Nox equivale ao número de elétrons que o átomo ganhou ou perdeu na reação química, ou seja, ele está relacionado à capacidade do átomo para atrair elétrons quando ligado a outro átomo. O número de oxidação varia conforme cada elemento químico.

O que é número de oxidação – Nox

A grande maioria dos elementos químicos apresentam cargas. Elas podem ser positivas, pertencentes aos átomos denominados de cátions, que doam elétrons, e cargas negativas, pertencentes aos elementos denominados de ânions, que recebem elétrons.

Por conta disso e devido à presença de cargas opostas em átomos, os elementos químicos reagem entre si por meio das ligações químicas, tentando adquirir sua estabilidade química.

Introdução à Oxirredução

Veja agora com a professora de Química Larissa Campos, do canal do Curso Enem Gratuito, uma síntese de introdução à Oxiredução:

Na química, essas cargas podem ser chamadas de Nox ou número de oxidação. É importante ressaltar que cada elemento químico apresenta um Nox específico de acordo com a substância formada, e que pode ser identificado através da tabela abaixo: Tabela do Nox dos elementos químicos. Fonte da imagem: mesalva.com

Observe que o Nox de toda substância composta é igual a zero, ou seja, somando todas as cargas o valor final é zero. Isso ocorre porque, como vimos acima, a formação de compostos moleculares ou iônicos dá estabilidade às cargas, neutralizando-as.

Como identificar o Nox nas substâncias de oxirredução

Para entendermos melhor como identificar o Nox de uma substância, vamos observar o ácido sulfúrico, cuja fórmula química é H2SO4. Observe que nesse composto temos os elementos hidrogênio, enxofre e oxigênio. Pela tabela acima podemos verificar que o hidrogênio apresenta Nox igual a +1 e o oxigênio apresenta Nox igual a -2, nos resta calcular o Nox do enxofre.

Mas, antes, temos que observar que na fórmula ocorrem dois átomos de hidrogênio e quatro átomos de oxigênio que devem ser multiplicados pelo valor do Nox da seguinte maneira:

H2SO4

+1 x -2

Sendo assim, temos que: +2 + x – 8 = 0

x = 6

Como calcular o NOX – Número de Oxidação

Confira com o professor Felipe Sobis, do canal do Curso Enem Gratuito, as dicas para você gabaritar na hora de calcular o NOX:

Reações de oxirredução

As reações de oxirredução são reações em que os elementos químicos ganham e perdem elétrons através da transferência de elétrons. Estas reações ocorrem dentro das pilhas e baterias, mas também podem ocorrer nos processos de combustão, respiração e na ferrugem.

Para termos uma reação de oxirredução é necessário que os elementos químicos que formam os reagentes e os produtos apresentem Nox variado. Vamos observar dois exemplos de reações químicas:

a) HCl + NaOH → NaCl + H2O

+1 -1 +1 -2 +1 +1 -1 +1 -2

Neste exemplo podemos observar que não há variação do Nox dos elementos químicos. Veja que o Nox dos elementos químicos não varia antes e depois da seta. Sendo assim, a reação acima não é uma reação de oxirredução.

b) FeO + CO → Fe + CO2

+2 -2 +2 -2 0 +4 -2

Já nesse segundo exemplo podemos observar que há variação do Nox do elemento ferro (de +2 para 0) e do carbono (de +2 para +4), sendo uma reação de oxirredução.

Como acontece uma reação de oxirredução

Em suma, podemos dizer que quando temos dois metais diferentes juntos teremos uma reação de oxirredução.

Outro ponto importante a ressaltarmos é o fato de que nessas reações temos compostos que sofrem oxidação. Nesse caso, os átomos terão a perda de elétrons com aumento do Nox. Veja:

Por outro lado, também ocorre redução em certos compostos, que representa o ganho de elétrons, com diminuição do Nox. Observe:

Atente também ao fato de que quando ocorre ganho de elétrons, estes se localizam nos reagentes, e quando ocorre perda de elétrons, estes se localizam nos produtos conforme podemos observar os exemplos abaixo:

Oxirredução: agente oxidante e agente redutor

Sendo assim, em uma reação, quem sofre redução é chamado de agente oxidante, pois provoca a oxidação. Já quem sofre oxidação é chamado de agente redutor, pois provoca a redução.

Como dito acima, nas pilhas observamos a ocorrência de reações de oxirredução, ou seja, o deslocamento dos elétrons, assim, temos sempre um agente oxidante e um agente redutor. Em 1836, o químico inglês John Frederic Daniell aperfeiçoou a pilha voltaica, e desenvolveu um modelo formado por zinco e cobre, denominado de a Pilha de Daniell.

Desenho esquemático da pilha de Daniell. Fonte da imagem: querobolsa.com.br

As pilhas e baterias no processo de oxirredução

Como você pode observar pela figura acima, a pilha de Daniell era formada por dois eletrodos metálicos mergulhados em duas soluções distintas interligados por uma ponte salina. O zinco (do lado direito) é mais reativo do que o cobre (do lado esquerdo). Com isso sofre reação de oxidação, perdendo seus elétrons que são levados para a placa de cobre. Portanto, o cobre sofre reação de redução.

Dessa maneira, podemos concluir que as pilhas apresentam dois polos distintos, e quem perde elétrons é o polo negativo denominado de ânodo, e quem ganha elétrons é o polo positivo denominado de cátodo. Assim, quem oxida é o ânodo, e quem reduz é o cátodo. Por conta disso, nas pilhas quem sofre reação de oxidação, sofre corrosão, e quem sofre reação de redução, sofre um aumento de massa.

Cálculo e fórmulas de oxirredução

Dessa maneira, sempre temos a presença de dois metais diferentes nas pilhas e baterias. Ou seja, um oxida e outra reduz. Cada metal tem um potencial padrão ( diferente, que representa o quanto cada metal pode reduzir ou oxidar.

Para que você entenda melhor, vamos representar as equações presentes na pilha de Daniell:

Comparando as reações percebemos que ambas são de redução, e que o potencial padrão do cobre é maior do que o zinco. Assim, o zinco sofre oxidação e o cobre sofre redução. Devemos representar a equação do zinco da seguinte maneira:

Podemos notar também que invertemos a reação do zinco, assim o sinal do seu potencial padrão também deverá ser invertido.

Cálculo e fórmulas nas reações de oxirredução do cobre

O cobre, por sua vez, permanece com a mesma equação:

Para calcular a equação global devemos somar as reações, onde as quantidades de elétrons presentes devem ser iguais. E o cálculo da diferença de potencial é a soma dos potenciais padrão de cada reação. Assim, teremos:

Sendo assim, como temos a mesma quantidade de elétrons em ambos os lados, podemos eliminá-los da reação.

Semi-reações de oxirredução nas pilhas

Podemos ter duas semi-reações nas pilhas. Para entender melhor como isso acontece, observe os exemplos a seguir:

Observe que nesse exemplo tanto o alumínio quanto o zinco apresentam sinal negativo para a redução. Ou seja, nenhum deles gosta de reduzir, ambos preferem oxidar. Mas sabemos que nas pilhas um oxida e um se reduz, assim, quem irá oxidar e quem irá reduzir?

Nesses casos, o maior valor irá reduzir e o menor irá oxidar, então o zinco se reduz e o alumínio oxida. Com isso, devemos inverter a equação do alumínio, invertendo também o sinal do seu potencial padrão, e mantemos a equação do zinco.

Podemos perceber nas equações acima que a quantidade de elétrons está diferente em cada uma das reações, assim, teremos que multiplicar a equação do alumínio por 2, e a equação do zinco por 3, tendo ao todo 6 elétrons de cada lado.

Observe que não multiplicamos os valores dos potenciais padrão porque estes são qualitativos, e não dependem da quantidade.

Sendo assim, nossas equações ficarão representadas por:

Exemplos de cálculo de oxirredução

Agora que você já aprendeu a teoria sobre os agentes oxidantes e redutores, vamos fazer um exemplo?

1)(Cesgranrio-2013) Dados os potenciais – padrão de redução:

a) 2,10 V b) 1,32 V c) 1,22 V d) 1,08 V e) 0,88 V

Resolução: neste exercício os dois elementos apresentam sinal negativo para a redução, então os dois preferem oxidar. Mas nas pilhas temos sempre um elemento que oxida e outro que se reduz. Assim, o maior valor irá reduzir e o menor valor irá oxidar. O ferro se reduz e o alumínio oxida. Devemos inverter a equação do alumínio, e inverter o sinal do seu potencial padrão, mantendo a equação do ferro.

Observamos que temos quantidades de elétrons diferentes em ambos os lados das reações, assim, devemos multiplicar a reação do alumínio por 2, e multiplicar a reação do ferro por 3.

Gabarito: c

Exercícios de Oxirredução

1 – (Fuvest-2009)
Numa pilha do tipo comumente encontrado nos supermercados, o p0lo negativo é constituído pelo revestimento externo de zinco. A semi-reação que permite ao zinco funcionar como polo negativo é:

2 – (PUC-MG-2014)
Considere a célula eletroquímica, representada pela equação global:

Ni + Cu2+ → Ni2+ + Cu

É correto afirmar que:

a) há desgaste do eletrodo de cobre.
b) o cobre sofre oxidação.
c) o níquel funciona como ânodo.
d) a solução de níquel dilui-se.
e) os elétrons fluem, pelo circuito externo, do cobre para o níquel.

3 – (UFRGS-RS-2015)
Pessoas que apresentam dentes com restaurações metálicas podem sentir um pequeno choque ao colocarem na boca pedaços de metal, como, por exemplo, o papel-alumínio de um chocolate. O alumínio, com meio ácido da boca, provoca a transferência de elétrons para o metal da restauração, causando esse choque. Com base no fenômeno descrito, pode-se afirmar que o alumínio

a) sofre redução, funcionando com cátodo.

b) provoca a oxidação do metal da restauração.

c) é o agente oxidante, pois sofre redução.

d) é o agente redutor, pois sofre redução.

e) sofre oxidação, funcionando como ânodo

4 – (Vunesp-2008)
A equação seguinte indica as reações que ocorrem em uma pilha:

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Podemos afirmar que:
a) O zinco metálico é o cátodo.
b) O íon cobre sofre oxidação.
c) O zinco metálico sofre aumento de massa.
d) O cobre é o agente redutor.
e) Os elétrons passam dos átomos de zinco metálico aos íons de cobre.

GABARITO

1 – D
2 – C
3 – E
4 – E

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