Conclusão da Pilha Electroquímica de Daniell adaptada para maior eficiência com Princípios da Pilha de Temperatura

Cátodo de Cobre aquecido a 50ºC:

Ânodo de Magnésio aquecido a 50ºC:

Era previsível que ao se reforçar a tendência para o ânodo de magnésio se oxidar, a diferença de potencial aumentasse mais do que se aquecesse o cátodo de cobre, pois nesse caso estaríamos a contrariar a sua tendência para se reduzir, o que acabaria por diminuir a diferença de potencial da pilha. Contudo, tal não se verificou experimentalmente, pois os valores relativos à diferença de potencial não se alteraram de forma muito significativa nas duas pilhas “melhoradas” (nem sequer em relação à pilha de Daniell), se desconsiderarmos a pilha obtida com Sulfato de Magnésio a 1 mol dm^-3 a temperatura ambiente com Sulfato de Cobre a 0,1 mol dm^-3 a 50ºC. Esta pilha obteve 0, 9 V de d.d.p., o que é bastante estranho se considerarmos que nenhuma das pilhas desta actividade experimental obteve um valor tão alto (nem sequer lá perto). Pode-se considerar este valor como um erro experimental. 

Pilha de Daniell adaptada com prinípios da Pilha de Temperatura - conclusão

Cátodo de Cobre aquecido a 50º C:

Ânodo de Magnésio aquecido a 50º C:

Era previsível que ao se reforçar a tendência para o ânodo de magnésio se oxidar, a diferença de potencial aumentasse mais do que se aquecesse o cátodo de cobre, pois nesse caso estaríamos a contrariar a sua tendência para se reduzir, o que acabaria por diminuir a diferença de potencial da pilha. Contudo, tal não se verificou experimentalmente, pois os valores relativos à diferença de potencial não se alteraram de forma muito significativa nas duas pilhas “melhoradas” (nem sequer em relação à pilha de Daniell), se desconsiderarmos a pilha obtida com Sulfato de Magnésio a 1 mol dm^-3 a temperatura ambiente com Sulfato de Cobre a 0,1 mol dm^-3 a 50ºC (obteve-se 0,9 V, o que é bastante estranho, tendo em conta os restantes valores obtidos). 

Pilha de Daniell adaptada com princípios da Pilha de Temperatura - procedimento

Com os conhecimentos adquiridos vamos tentar melhorar a corrente eléctrica produzida pela pilha de Daniell, adaptando-a com a influência da temperatura nos electrólitos (e consequentemente nos eléctrodos). Como a temperatura não é um dos principais factores de influência dos potenciais de eléctrodo, o cátodo e o ânodo são os mesmos da Pilha de Daniell (ver post sobre a Pilha de Daniell).



Materiais:

• 8 copos de precipitação de 25 mL;
• Fios eléctricos (2 deles com crocodilos nas extremidades);
• Termómetro;
• Placa de Aquecimento;
• Voltímetro;
• Amperímetro.

Reagentes:

• Sulfato de Cobre (1 mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Placa de Cobre;
• Sulfato de Magnésio (1 mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Fita de Magnésio;
• Ponte Salina.

1ª Parte

Procedimento:

1. Colocar sensivelmente 25mL de solução de sulfato de cobre a 1 mol/dm3 num copo de precipitação e 25 mL de solução de sulfato de magnésio a 1 mol/dm3 noutro copo de precipitação;
2. Aquecer a solução de sulfato de cobre até sensivelmente 50ºC;
3. Registar a temperatura do outro electrólito;
4. Colocar o fio de magnésio e a placa de cobre no copo de precipitação com a solução do sal correspondente;
5. Utilizando um fio eléctrico com crocodilos nas extremidades unir o voltímetro ao eléctrodo de cobre;
6. Com outro fio unir o voltímetro ao eléctrodo de magnésio;
7. Colocar a ponte salina, verificando que as suas extremidades estão mergulhadas em ambas as soluções;
8. Registar o valor da diferença de potencial;
9. Substituir o voltímetro por um amperímetro;
10. Registar o valor da intensidade da corrente;
11. Repetir os procedimentos para as seguintes combinações de electrólitos: sulfato de cobre a 1 mol/dm3 com sulfato de magnésio a 0,1 mol/dm3; sulfato de cobre a 0,1 mol/dm3 com sulfato de magnésio a 1 mol/dm3 e sulfato de cobre com sulfato de magnésio, ambos a 0,1 mol/dm3, aquecendo sempre a solução de sulfato de cobre.

2ª Parte

Procedimento 
Repetir o procedimento da 2ª parte, mas aquecer as soluções de sulfato de magnésio em vez das soluções de sulfato de cobre.

Conclusões da Experiência de construção da Pilha de Temperatura

Em todas as pilhas realizadas verificou-se que a corrente eléctrica produzida tinha uma pequeníssima diferença de potencial e intensidade. Tal significa que o desequilíbrio provocado no sistema químico (alteração de temperatura), não aumentou de forma significativa o potencial de um eléctrodo para se oxidar em relação ao outro. Nalguns casos a intensidade era tão pequena que não era medida pelos aparelhos (tanto pelo amperímetro analógico como pelo multímetro digital).

As pilhas que demonstraram ter mais eficiência (a corrente eléctrica produzida teve maior diferença de potencial, maior intensidade e menor eficiência) foram as pilhas de magnésio, nomeadamente a pilha que mais resistência verificou foi a que utilizava Magnésio a 0,1 mol dm^-3 nos dois electrólitos, sendo que um foi aquecido a 48ºC (ânodo) e o outro estava à temperatura ambiente (cátodo). 

 Já as que foram menos eficientes foram as pilhas de cobre, verificando-se a produção de uma corrente eléctrica com uma diferença de potencial muito pequena e com uma Intensidade quase nula.

Pode-se concluir que a temperatura não é um dos principais factores que influencia os potenciais dos eléctrodos, pois não causa um desequilíbrio suficientemente grande.

Material e Procedimento da Pilha Electroquímica de Temperatura

Materiais:

• 4 copos de precipitação de 25 mL;
• Fios eléctricos (2 deles com crocodilos nas extremidades);
• Termómetro;
• Placa de Aquecimento;
• Voltímetro;
• Amperímetro.

Reagentes:

• Fita de Magnésio;
• Sulfato de Magnésio (1 mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Placa de Cobre;
• Sulfato de Cobre (1 mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Ponte salina.

Procedimento:

1. Colocar sensivelmente 25mL de solução de sulfato de cobre a 1 mol/dm3 num copo de precipitação e a mesma quantidade noutro copo de precipitação.
2. Aquecer uma das soluções até esta atingir sensivelmente 50ºC;
3. Medir a temperatura da solução que se encontra à temperatura ambiente;
4. Colocar uma placa de cobre dentro de cada copo de precipitação;
5. Utilizando um fio eléctrico com crocodilos nas extremidades unir o voltímetro aos eléctrodo de cobre;
6. Colocar a ponte salina, verificando que as suas extremidades estão mergulhadas em ambas as soluções;
7. Registar o valor da diferença de potencial;
8. Substituir o voltímetro por um amperímetro;
9. Registar o valor da intensidade da corrente;
10. Repetir o procedimento para a solução de sulfato de cobre a 0,1 mol/dm3 e para as soluções de sulfato de magnésio a 1 mol/dm3 e a 0,1 mol/dm3.

Princípios Teóricos da Pilha de Temperatura

A tendência para libertar electrões está relacionada com o nível de energia de um metal, por isso quanto maior é o nível de energia de um certo metal, maior será a sua capacidade para libertar os electrões, ou seja maior a capacidade do metal se oxidar. Assim, o aumento de temperatura provoca o aumento da energia do metal, o que por sua vez provoca o aumento da velocidade da reacção.

É possível verificar este princípio quando se constrói uma pilha electroquímica a partir de dois eléctrodos iguais, com electrólitos da mesma concentração, mas a temperaturas diferentes, e ainda assim se verifica diferença de potencial. Nesta pilha, o fluxo de electrões é do eléctrodo aquecido (ânodo) para o eléctrodo que está situado à temperatura ambiente (cátodo) e sabemos que é assim que acontece, porque o nível de energia do eléctrodo aquecido é superior ao do eléctrodo à temperatura ambiente. Ou seja, a diferença de temperatura causa um desequilíbrio na pilha induzindo a que um dos eléctrodos tenha mais potencial para se oxidar.

É de prever que este seja um factor que permita aumentar a eficácia das pilhas electroquímicas, se o aumento de temperatura for aplicado no eléctrodo de magnésio, realçando o seu potencial para se oxidar.

Este tipo de pilha também pode ser designado por Pilha Termogalvânica.

Fontes:

Silva, V. Pilha de Temperatura. Consultado em 03/02/2010 em http://cienciaemcasa.cienciaviva.pt/pilha_temperatura.html

pilha de temperaturas diferentes. In Infopédia [Em linha]. Porto: Porto Editora, 2003-2010. Consultado em 03/02/2010 em http://www.infopedia.pt/$pilha-de-temperaturas-diferentes 

Conclusões da Experiência de construção da Pilha de Concentração

A diferença de potencial verificada experimentalmente foi superior à prevista (0,03V, aproximadamente), o que pode ser explicado pela margem de erro dos aparelhos ou pelo erro de medição da parte do grupo, pois a escala de valores é muito pequena, o que aumenta consideravelmente a taxa de erro.


Depois de termos construído a pilha de concentração, o nosso grupo chegou à conclusão que os valores da pilha, em termos da sua energia, são pouco significativos. Então, conclui-se que a concentração cria uma pequena diferença entre potenciais de eléctrodo, não sendo um dos principais factores a influenciar o valor dos potenciais.

O grupo registou valores idênticos quer seja na pilha de concentração de magnésio quer na pilha de concentração de cobre, ambas à temperatura ambiente. Pode-se aferir (apesar dos dados não serem suficientes para fazer uma dedução cientificamente válida) que a concentração influencia de igual modo tanto a pilha de magnésio como a pilha de cobre.

Na tensão eléctrica, obtivemos 0,05 Volts, e na intensidade, verificamos um valor aproximado de 0,0 Amperes (ou seja, a quantidade de carga eléctrica que passa no sistema, por unidade de tempo, é tão pequena que o amperímetro mal a distinguia). Com estes dados, calculamos que a resistência foi muito elevada (R = V / I ), ou seja o percurso dos electrões teve muitos obstáculos, que praticamente anularam a sua velocidade.

Materiais e Procedimento da Pilha de Concentração

Materiais:
• 4 copos de precipitação de 25mL;
• Fios eléctricos (dois deles com crocodilos das extremidades);
• Voltímetro;
• Amperímetro.


Reagentes:
• Fita de magnésio;
• Placa de cobre;
• Sulfato de Cobre (0,1 mol/dm3 e 1 mol/dm3);
• Sulfato de Magnésio (0,1 mol/dm3 e 1 mol/dm3);
• Ponte salina.



Procedimento:
1. Colocar cerca de 25 mL de solução de sulfato de cobre num copo de precipitação a 0,1 mol/dm3;
2. Colocar cerca de 25 mL de solução de sulfato de cobre num copo de precipitação  a 1 mol/dm3;
3. Utilizando um fio eléctrico com crocodilos nas extremidades unir o voltímetro aos eléctrodos de cobre;
4. Colocar a ponte salina;
5. Medir a diferença de potencial da corrente eléctrica;
6. Trocar o voltímetro por um amperímetro e medir a intensidade da corrente;
7. Repetir o procedimento para a pilha de magnésio.

Principios Teóricos da Pilha de Concentração

Numa pilha de concentração os eléctrodos e os electrólitos são iguais no cátodo e no ânodo, só muda a concentração das soluções aquosas dos electrólitos.


A solução que estiver mais concentrada tem mais tendência para sofrer redução:

Cu2+ (aq) + 2e- =) Cu (s)

Segundo o princípio de Le Châtelier a reacção vai ter mais tendência para ocorrer no eléctrodo que tiver mais concentração de Cu2+, pois a reacção ocorre mais extensamente no sentido directo.

Logo, o eléctrodo mergulhado na solução mais concentrada funciona como cátodo, pois ocorre a reacção de redução, e portanto absorção de electrões, e o eléctrodo mergulhado na solução menos concentrada funciona com ânodo.

Como os metais utilizados são iguais, a sua tendência para sofrerem redução ou oxidação é semelhante, pelo que a energia eléctrica produzida irá ser muito pequena, não chegando à ordem de grandeza dos Volts.

Vamos realizar duas pilhas de concentração, de cobre a 1 mol/dm3 e a 0,1 mol/dm3 e de magnésio com as mesmas concentrações.



Reacção na Pilha de Cobre:

Ânodo: Cu (s) =) Cu2+ (aq) (0,1 mol/dm3) + 2e-

Cátodo: Cu2+ (aq) (1 mol/dm3) + 2e- =) Cu (s)

Reacção Global: Cu2+ (aq) (1 mol/dm-) =) Cu2+ (aq) (0,1 mol/dm3)


Diferença de Potencial esperada:

Reacção na Pilha de Magnésio:

Ânodo: Mg (s) =)  Mg2+ (aq) (0,1 mol/dm3) + 2e-

Cátodo: Mg2+ (aq) (1 mol/dm3) + 2e- =) Mg (s)

Reacção Global: Mg2+ (aq) (1 mol/dm3) =) Mg2+ (aq) (0,1 mol/dm3)



Difernça de Potencial Esperada:

Fontes:
Silva, V. Pilha de Concentração. (2003). Consultado em 20 de Janeiro de 2010 em http://cienciaemcasa.cienciaviva.pt/pilha_concentracao.html


Pilha de Concentração, Célula de Concentração. Consultado em 20 de Janeiro de 2010 em http://www.instituto-camoes.pt/lextec/por/domain_5/text/20055.html


Dantas, M. C. e Ramalho, M. D. (2009). Jogo de Partículas. Química 12ºAno. 1ª edição. Texto Editores. Lisboa

Conclusões da Experiência de construção da Pilha de Daniell

Como era de esperar o valor de diferença de potencial obtido em todas as pilhas é bastante menor que o esperado, o que à semelhança das experiências anteriores pode ser explicado pela diferença de temperatura e de pressão atmosférica em relação às condições PTN, para que estão estabelecidos os valores referência. O valor de Intensidade obtido também foi muito baixo, o que significa que passou pouca carga eléctrica no sistema por unidade de tempo, o que pode ter acontecido devido à ponte salina e consequente elevada resistência.

Deste modo, com uma baixa diferença de potencial e intensidade, a corrente eléctrica produzida pela pilha de Daniell não foi suficiente para ligar qualquer aparelho eléctrico.

A pilha em que se obteve maior diferença de potencial foi a que utilizou o sulfato de magnésio e o sulfato de cobre com a concentração de 1 mol dm^-3, contrariando o que era esperado; tal pode dever-se a alguns erros experimentais ou a variáveis incontroláveis pela parte do grupo. Esta pilha foi também a que registou a maior Intensidade (ou seja além de ter um maior potencial para produzir corrente eléctrica, teve uma maior carga eléctrica a passar no sistema químico por unidade de tempo). Verificou-se experimentalmente que a pilha electroquímica que possui menor diferença de potencial é a pilha obtida a partir de sulfato de cobre a 0,1 mol dm^-3 e de sulfato de magnésio a 1 mol dm^-3, o que confirma o que estava previsto teoricamente.

Em relação às pilhas ligadas em série, a diferença de potencial obtida foi um pouco superior à registada nas diferentes pilhas. Contudo a diferença entre este valor e o valor médio das restantes pilhas não foi significativo, nem correspondeu ao esperado (soma de duas d.d.p. de pilhas distintas). 

Material e Procedimento da Pilha Electroquímica de Daniell

Materiais:

• 4 copos de precipitação de 50 mL;
• Ponte salina;
• Voltímetro;
• Amperímetro;
• Fios condutores eléctricos (nomeadamente 2 com crocodilos nas extremidades);

Reagentes:

• Sulfato de cobre (1mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Sulfato de magnésio (1mol/dm3 e 0,1 mol/dm3);
• Fita de magnésio;
• Placa de cobre.

  

Procedimento:

1-   Colocar sensivelmente 25mL de solução de sulfato de cobre a 1 mol/dm3 num copo de precipitação e 25 mL de solução de sulfato de magnésio a 1 mol/dm3 noutro copo de precipitação;

2-   Colocar o fio de magnésio e a placa de cobre no copo de precipitação com a solução do sal correspondente;

3-   Utilizando um fio eléctrico com crocodilos nas extremidades unir o voltímetro ao eléctrodo de cobre;

4-   Com outro fio unir o voltímetro ao eléctrodo de magnésio;

5-   Colocar a ponte salina, verificando que as suas extremidades estão mergulhadas em ambas as soluções;

6-   Registar o valor da diferença de potencial;

7-   Substituir o voltímetro por um amperímetro;

8-   Registar o valor da intensidade da corrente;

9-   Repetir os procedimentos para as seguintes combinações de electrólitos: sulfato de cobre a 1 mol/dm3 com sulfato de magnésio a 0,1 mol/dm3; sulfato de cobre a 0,1 mol/dm3 com sulfato de magnésio a 1 mol/dm3 e sulfato de cobre com sulfato de magnésio, ambos a 0,1 mol/dm3; 
      o objectivo é preencer a seguinte tabela de recolha de dados:

10- Ligar duas pilhas de Daniell em série: ligar o fio de magnésio ao amperímetro/voltímetro, e ligar o eléctrodo de cobre que está ligado ao anterior pela ponte salina ao segundo eléctrodo de magnésio. Por fim ligar o último eléctrodo de cobre ao voltímetro/amperímetro;

esquema da ligação de duas pilhas electroquímicas

11- No final da experiência, observar as alterações visíveis nos eléctrodos.

Pilha de Daniell - Previsão das Diferenças de Potencial

É possível tentar prever a diferença de potencial possível de alcançar de uma pilha electroquímica simples, como a de Daniell.

A força electromotriz de uma pilha nas condições padrão (Eº) é calculada pela diferença entre o potencial padrão de redução entre o cátodo e o ânodo.

Eº_pilha = Eº_cátodo – Eº_ânodo

Esta fórmula considera uma temperatura de 25ºC, pressão atmosférica de 1 atm e soluções electrolíticas de concentração 1 mol dm^-3. Quando se utilizam outras concentrações tem de se ter em consideração o Quociente de Reacção (Q). A força electromotriz pode ser determinada pela equação de Nernst: 

Neste caso específico:

E⁰_pilha = 0,34 – (- 2,37) (=) E⁰_pilha = 0,34 + 2,37 (=) E⁰_pilha = 2,71V

n é o número de electrões que são transferidos na totalidade da reacção química, neste caso n=2.

Pela fórmula é possível aferir que a E tende para Eº quando Q for 1, ou seja, quando a extensão da reacção directa for igual à da indirecta.

O quociente de reacção é dado pela expressão da constante de equilíbrio em que as concentrações dos reagentes e dos produtos não são necessariamente as de equilíbrio. É de salientar que num sistema químico a concentração dos elementos no estado líquido e sólido puro não influenciam o quociente de reacção.

Por exemplo na reacção A (s) + B (aq) Û C (aq) + D (s) tem-se que  

Ou seja, no caso específica da pilha de cobre-magnésio, tem-se que: 

Ou seja, aplicando a equação de Nernst tem-se que:

Então:

Fonte:

Dantas, M. C. e Ramalho, M. D. (2009). Jogo de Partículas. Química 12ºAno. 1ª edição. Texto Editores. Lisboa