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Célula de concentração

Células de concentração são células galvânicas (ou voltaicas) feitas de duas semi-células, cada uma delas contendo os mesmos eletrodos, mas concentrações diferentes. Células de concentração trabalham para estabelecer o equilíbrio transferindo elétrons da célula de concentração mais baixa para a célula de concentração mais alta. A diferença de potencial do eletrodo entre as duas semi-células pode ser calculada usando a equação de Nernst. Versão original criada por Jay.

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Transcrição de vídeo

RKA9MB - As células de concentração são células que têm dois eletrodos idênticos em ambos os lados. Aqui, nós temos 2 eletrodos de zinco, tanto do lado esquerdo quanto do lado direito. A única diferença aqui é a concentração. No lado esquerdo, temos uma solução 0,10 molar de sulfato de zinco. E, no lado direito, temos uma solução de 1 molar também de sulfato de zinco. Assim, o lado esquerdo é o lado menos concentrado, e o lado direito é o lado mais concentrado. Como existe essa diferença de concentração, existe uma tendência para que essas concentrações se igualem, e isso já é suficiente para criar uma pequena tensão. Mas é claro que, com o passar do tempo, essas concentrações vão se igualar. Mas como que a gente pode fazer isso? Fazer com que essas concentrações fiquem ainda mais iguais? Vamos nos concentrar, primeiro, aqui no lado menos concentrado, ok? A solução menos concentrada precisa ficar mais concentrada, e para que ela possa fazer isso é preciso aumentar concentrações de íons de zinco +2 na solução. Então, como podemos aumentar a concentração de íons de zinco? Bem, se a gente tem aqui zinco sólido se transformando em íons de zinco +2, a gente consegue aumentar a concentração. E, como o sólido de zinco está virando íons de zinco, a gente tem aqui uma oxidação. A oxidação, nesse caso, ocorre no lado menos concentrado. Então, vamos escrever isso aqui. Portanto, temos zinco sólido se transformando em íons de zinco 2+ (eu vou escrever aqui 0,10 molar, para diferenciar esse aqui do que está do outro lado, ok?) mais 2 elétrons (já que o zinco sólido está perdendo 2 elétrons para se transformar em zinco 2+). Esses 2 elétrons aqui vão se mover no nosso fio e, com isso, a gente vai criar uma corrente elétrica. Agora que a gente já pensou sobre esse lado, vamos pensar um pouco no lado mais concentrado. O lado mais concentrado precisa diminuir a sua concentração, e, para fazer isso, ele precisa diminuir a concentração de íons de zinco nessa solução. Para diminuir a concentração de íons de zinco +2, ele precisa ganhar elétrons e formar zinco sólido. E, como a gente sabe, isso se trata de uma redução. Nesse caso, a redução ocorre no lado mais concentrado. Então, vamos escrever essa informação aqui também. Então, vamos ter aqui na redução íons de zinco positivo (então, eu vou escrever aqui também 1 de concentração molar; mais uma vez, para diferenciar esse lado do outro, ok?), e, nesse caso, esse aqui vai ganhar 2 elétrons para formar o zinco sólido. Então, eu vou escrever também uma equação geral aqui para mostrar o que está acontecendo. Então, vamos fazer essa linha para escrever essa equação geral. Como temos zinco sólido em ambos os lados, podemos cancelá-lo aqui e aqui. E, como a gente também tem 2 elétrons em ambos os lados da equação, também podemos cancelar esses elétrons. Então, do lado esquerdo aqui, a gente tem íons de zinco a uma concentração inicial de 1 molar; e, do lado direito, a gente também tem íons de zinco, mas com uma concentração de 0,10 molar. Então, agora que a gente já fez essa equação geral, a pergunta que eu quero fazer para você é a seguinte: como podemos encontrar a tensão da nossa pilha de concentração? Bem, lembrando dos últimos vídeos, a gente viu a equação de Nernst, que permite calcular o potencial de uma célula, não foi? Então, vamos escrever a equação de Nernst aqui embaixo. O potencial da célula, que é o que nós estamos tentando encontrar, Ɛ (épsilon), vai ser igual ao potencial padrão da célula (Ɛ⁰) menos 0,0592 sobre o número de mols de elétrons transferidos (ou seja, sobre "n"), isso vezes o "log (Q)". Então, vamos começar a pensar sobre cada um desses valores? E a primeira coisa que nós vamos pensar é sobre esse "Q". Qual será o valor de "Q" para a nossa célula de concentração? "Q" seria igual à concentração de íons de zinco +2 do lado menos concentrado, já que se trata do nosso produto, sobre a concentração de íons de zinco +2 do lado mais concentrado. Então, agora, isso daqui seria 0,10 sobre 1,0. Então, temos aqui "0,10/1,0". Então, isso aqui seria igual a "Q". Então, agora que a gente já pensou sobre o "Q", vamos pensar sobre o potencial padrão da célula que, nesse caso, é igual a zero. Mas por que isso é igual a zero? Vamos pensar o porquê desse resultado. É bom lembrar que o potencial padrão de uma célula é o potencial sob condições normais, ou seja, sob condições padrões; e no caso do zinco 2+ é quando ele tem uma concentração de 1 molar. Então, vamos escrever a semirreação de redução aqui. Temos aqui o zinco 2+ (isso seria em 1 molar). Como se trata de uma reação de redução, ele vai ganhar 2 elétrons para formar o zinco sólido. Se você olhar para uma tabela de potenciais padrões de redução, o potencial de redução padrão para essa semirreação é igual a -0,76 volt. Agora, para a semirreação de oxidação, precisamos ter o zinco sólido se transformando em íons de zinco 2 positivo (e isso também é uma concentração de 1 molar). E, como é uma semirreação de oxidação, o zinco sólido perde 2 elétrons. O potencial de oxidação padrão seria apenas o negativo do potencial de redução padrão. Assim, o potencial de oxidação padrão é igual a +0,76. A gente já fez isso diversas vezes em vídeos anteriores. Bem, o potencial padrão da célula é igual a "-0,76 + 0,76", e isso é igual a zero. Assim, o potencial padrão da célula é igual a zero. E isso faz muito sentido, porque, sob condições padrões, você está começando com as mesmas concentrações; então, você não deve ter uma diferença de tensão. Por isso que o potencial padrão da célula é igual a zero. Então, vamos substituir essa informação aqui na equação de Nernst. Então, vamos aqui em frente substituir tudo isso. Assim, temos que o potencial da célula (Ɛ) é igual ao potencial padrão da célula, que é igual a zero, menos 0,0592 sobre "n"... (mas o que seria esse "n", quanto que vale esse "n"? Esse "n" tem um valor igual a 2, já que se trata do número de mols de elétrons transferidos. Então, escrevemos aqui "n" igual a 2)... e isso, claro, vezes o "log (Q)". Mas, como já vimos, "Q" é igual a 0,10 sobre 1; então, temos aqui o "log (0,10/1)". Então, vamos resolver essa equação para determinar o potencial da célula. Então, vamos fazer essa matemática aqui. O "log (0,10/1)" é igual a -1. Isso vezes 0,0592 dividido por 2. E isso aqui vai ser igual a -0,0296. Então, temos aqui -0,0296 volt. E, claro, isso me dá o potencial da célula, que é igual a 0,0296 volt. E isso é positivo, indicando que a reação é espontânea. Então, essa aqui seria a nossa tensão instantânea da célula. Então, quando estamos falando sobre essas concentrações, ou seja, dessas concentrações aqui, temos esse potencial instantâneo; e, nesse caso, temos uma tensão positiva aqui. É pequena essa tensão, eu sei, mas ela existe, e é devido a essa diferença nas concentrações. Mas o que acontece com essa tensão à medida que as concentrações se aproximam uma da outra? Com o passar do tempo, o "Q" vai mudar; e, nesse caso, o "Q" vai aumentar. Como o "Q" aumenta quando as concentrações se aproximam uma da outra, temos que o potencial instantâneo da célula diminui. A gente já conversou sobre isso no vídeo em que falamos sobre a equação de Nernst. O que acontece quando as concentrações são iguais? E o que acontece quando as concentrações se igualam nesse caso? Bem, vamos voltar aqui para relembrar sobre "Q" e pensar sobre o que acontece quando essas concentrações se igualam. Bem, se temos aqui o mesmo número aqui e aqui, "Q" seria igual a 1, certo? E o que acontece quando o "Q" é igual a 1? Nós estaríamos aqui tomando o "log 1"; e o "log 1" é igual a zero. Então, Ɛ seria igual a zero menos 0,0592 sobre 2 vezes o "log 1". E, como o "log 1" é igual a zero, tudo isso aqui fica igual a zero. Dessa forma, o potencial da célula agora seria igual a zero. E, novamente, isso faz muito sentido, porque, quando as concentrações são iguais, não há mais qualquer tendência para que essas concentrações se igualem. E, com isso, não seria mais possível produzir uma diferença de potencial, ou seja, produzir uma tensão.