Oxirredução: O agente oxidante e o agente redutor nas pilhas e baterias

A oxirredução é a reação química que envolve a transferência de elétrons, ou seja, das espécies que se oxidam para as que se reduzem.

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.

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 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

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:

oxirredução

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

oxirredução

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

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.brDesenho 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:

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

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:

oxirredução

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:

oxirredução

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:

oxirredução

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:

oxirredução

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.

oxirredução

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:

oxirredução

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.

oxirredução

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

Vide-aula

Exercícios

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

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.

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