CORRENTE ELÉCTRICA NOS LÍQUIDOS-1_103413.pptx

Trabalho em grupo dos alunos de magistério foguetão do Uige "electrólitos"

1. CORRENTE ELÉCTRICA NOS LÍQUIDOS LEI DA ELETRÓLISE Opção: Mat /física. Período: Manhã. Grupo nº: 01. Classe: 12ª Turma: A Sala: 16 Orientado pelo professor :   Nzitise Tomás dos Santos Uíge/2024 REPÚBLICA DE ANGOLA MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO ESCOLA DE MAGISTÉRIO CDTE PEDRO BENGA LIMA FOGUETÃO DO UÍGE TRABALHO EM GRUPO DE FÍSICA

2. Introdução Atualmente os estudantes de física, têm se deparado com uma temática muito disputada e intrigante para a sociedade comum, onde são questionados sempre será que a água conduz a corrente elétrica? De fato para um estudante de física dar solução a este tipo de questão ele deve estar cheio de argumentos convincentes, porque na maioria das vezes é fácil admitimos que sim! Mas em contrapartida não explicamos sempre do porquê, e como é que esta mesma água pode conduzir a corrente elétrica. Para dar soluções a questões do género, apresentaremos neste trabalho um conjunto de conteúdos sequencia lizados, para dar uma maior ­ênfase nos argumentos diante das abordagens, com isso ajudando na melhoria da escolaridade e o crescimento da ciência.

3. 1-CORRENTE ELÉTRICA NOS LÍQUIDOS

4. A condutividade elétrica dos líquidos depende da concentração e mobilidade dos íons ou elétrons presentes no líquido, bem como da temperatura e da presença de impurezas. Além disso, a presença de eletrólitos nos líquidos pode facilitar a condução da corrente elétrica devido à presença de íons que podem se mover livremente. Fórmula A corrente elétrica nos líquidos pode ser expressa pela Lei de Ohm, que relaciona a corrente elétrica (I) com a diferença de potencial elétrico (V) e a resistência elétrica (R) do meio condutor. A expressão matemática da Lei de Ohm é dada por: I = V/R Onde: I: é a corrente elétrica em Ampere (A); V : é a diferença de potencial elétrico em Volts (V); R: é a resistência elétrica em Ohms (Ω). Para os líquidos, a resistência elétrica pode ser influenciada pela condutividade do líquido, que é inversamente proporcional à resistividade do material. A condutividade elétrica (σ) é o inverso da resistividade (ρ) , e a relação entre resistividade e condutividade é dada por: σ = 1/ρ Portanto, a expressão matemática da corrente elétrica nos líquidos também pode ser escrita em termos da condutividade elétrica (σ), da seção transversal da amostra (A), da distância entre os elétrodos (L) e da diferença de potencial elétrico (V), conforme a equação:

5. I = σ·A/L· V Essa equação leva em consideração a relação entre a condutividade do líquido, as dimensões da amostra e a diferença de potencial aplicada para determinar a corrente elétrica que fluirá através do líquido . 1.2. DISSOCIAÇÃO ELÉTRICA 1.2.1. Definição A dissociação elétrica é um fenômeno fundamental na química que descreve a separação de compostos iônicos em íons para gerar soluções, desempenhando um papel crucial na condução por íons e em diversas aplicações práticas. Ou seja, a dissociação elétrica é um processo pelo qual os compostos iônicos ou eletrólitos se separam em íons positivos e negativos quando são colocados em um solvente, geralmente a água. Esse processo é fundamental para entender a condução por íons e a eletrólise, além de ter diversas aplicações em química e indústria. Os íons são átomos ou moléculas que ganharam ou perderam elétrons, resultando em uma carga elétrica líquida

6. 1.2.2. Tipos de dissociação   Temos alguns tipos de Dissociação Elétrica a baixo: Dissociação Ácida: ocorre quando um ácido se dissolve em água e libera íons H+ (prótons); Dissociação Básica: ocorre quando uma base se dissolve em água e libera íons OH- (hidróxidos); Dissociação Salina: ocorre quando um sal se dissolve em água e libera íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions). A dissociação eletrônica ocorre em soluções iônicas ou em substâncias iônicas quando elas são dissolvidas em água. Quando uma substância iônica se dissolve em água, os íons positivos (cátions) e os íons negativos (ánions) ficam livres para se moverem na solução. Isso é possível porque a água é um excelente solvente para íons devido à sua natureza polar. Quando uma corrente elétrica é aplicada a uma solução iônica, os íons positivos são atraídos para o elétrodo negativo (cátodo) e os íons negativos são atraídos para o elétrodo positivo (ânodo). Isso resulta na migração dos íons para os elétrodos, onde ocorrem reações de redução e oxidação. Além disso, a dissociação eletrônica também é um conceito importante na compreensão da condução elétrica em soluções. As soluções iônicas conduzem eletricidade devido à presença de íons móveis que podem transportar cargas elétricas. Quando uma diferença de potencial elétrico é aplicada a uma solução iônica, os íons positivos e negativos se movem em direções opostas, permitindo o fluxo de corrente elétrica.

7. 1.2.3. Fatores que Afetam a Dissociação Elétrica Alguns fatores que Afetam a Dissociação Elétrica são: Natureza do Solvente: A capacidade de um solvente de promover a dissociação é conhecida como sua constante dielétrica; Força do Ácido ou Base: Ácidos e bases fortes se dissociam mais completamente do que ácidos e bases fracas; Temperatura: Temperaturas mais altas geralmente aumentam a dissociação elétrica; Concentração: Concentrações mais baixas geralmente levam a uma maior dissociação elétrica. 1.2.4. Aplicações A dissociação elétrica tem as seguintes aplicações: Na condutividade elétrica: é essencial para a condutividade elétrica em soluções; Em titulações: é usada em titulações para determinar a concentração de ácidos ou bases; Na eletroquímica: A dissociação elétrica é fundamental para entender os processos eletroquímicos, como eletrólise e células galvânicas.   1.2.5. Fórmula   A fórmula geral para a dissociação elétrica de um composto iônico em solução aquosa pode ser representada da seguinte forma:

8. Composto Iônico (sólido)→Íon positivo ( cátion ) + Íon negativo ( ânion ) OU AB → A+ (+) B- Onde: AB: é a substância que se dissocia A+: é o íon positivo ( cátion ) B-: é o íon negativo ( ânion ) Essa equação simplificada mostra a separação do composto iônico em seus íons constituintes quando ele é colocado em um solvente polar, como a água. Por exemplo, para o cloreto de sódio ( NaCl ), a dissociação elétrica pode ser representada da seguinte maneira: NaCl _(s)→Na^+_( aq ) + Cl^-_( aq ) Nesta equação, o cloreto de sódio sólido se dissocia em íons sódio (Na⁺) e íons cloreto (Cl⁻) na solução aquosa. Esse processo de dissociação é essencial para entender a condutividade elétrica de soluções iônicas e eletrólitos. É importante ressaltar que a dissociação elétrica pode variar dependendo do tipo de composto iônico e das condições da solução. Além disso, em casos de compostos covalentes que se ionizam em solução, a dissociação pode ocorrer de forma diferente, resultando na formação de íons a partir de moléculas neutras. A extensão da dissociação é medida pela constante de dissociação ( Ka ou Kb), que é uma constante de equilíbrio que indica a tendência de uma substância se dissociar em íons. Exemplos: Dissociação ácida: HCl → H+ (+) Cl- Dissociação básica: NaOH → Na+ (+) OH- Dissociação salina: NaCl → Na+ (+) Cl-

9.   1.3. CONDUÇÃO POR ÍONS 1.3.1. Definição Condução por íons: ocorre devido ao movimento dos íons positivos e negativos que estão livres na solução, que transportam a carga elétrica. Os íons livres na solução podem transportar carga elétrica quando um campo elétrico é aplicado. Os cátions se movem em direção ao cátodo (elétrodo negativo), enquanto os ânions se movem em direção ao ânodo (elétrodo positivo). Esse movimento de íons constitui a corrente elétrica em líquidos. A condução por íons é ainda o processo pelo qual os íons presentes em um líquido podem transportar cargas elétricas quando submetidos a um campo elétrico. Isso permite que a corrente elétrica flua através do líquido. Condução elétrica é o fluxo de carga elétrica através de um material. A condutividade elétrica dos líquidos depende da concentração e mobilidade dos íons presentes no líquido, bem como da temperatura e da presença de impurezas. Ela ocorre quando os elétrons podem se mover livremente dentro do material.

10. 1.3.2. Fatores que afetam a condutividade elétrica Temos alguns fatores que afetam a Condutividade Elétrica como: Concentração do Eletrólito: quanto maior a concentração de íons na solução, maior a condutividade elétrica. Temperatura: a condutividade elétrica geralmente aumenta com a temperatura, pois os íons se movem mais rapidamente. Viscosidade: a viscosidade do líquido pode dificultar o movimento dos íons, diminuindo a condutividade elétrica. Presença de Impurezas: as impurezas podem interferir no movimento dos íons, diminuindo a condutividade elétrica. 1.3.3. Tipos de Condutores Condutores: Materiais que permitem o fluxo fácil de corrente elétrica, como metais (cobre, alumínio) e soluções iônicas. Semicondutores: Materiais com condutividade elétrica intermediária, como silício e germânio. Isolantes: Materiais que não permitem o fluxo de corrente elétrica, como borracha e plástico. 1.3.4. Aplicações da Condução Elétrica Transmissão e distribuição de energia; Circuitos eletrônicos; Fiação elétrica; Motores e geradores; Aquecimento elétrico;

11. 1.3.5. Fórmulas de Condução Elétrica 1-Lei de Ohm A lei de Ohm estabelece que a corrente elétrica (I) que flui através de um condutor é diretamente proporcional à diferença de potencial (V) aplicada e inversamente proporcional à resistência (R ): I = V / R Onde: I: é a corrente em amperes V: é a diferença de potencial em volts R: é a resistência em ohms 2-Resistência A resistência de um condutor é uma medida de sua oposição ao fluxo de corrente elétrica. É determinada pelo material, comprimento (l) e área transversal (A) do condutor: R = ρl / A Onde: ρ: é a resistividade do material em ohm-metros l: é o comprimento do condutor em metros A: é a área transversal do condutor em metros quadrados

12. 3-Condutância A condutância (G): é o inverso da resistência: G = 1 / R 4-Potência Elétrica A potência elétrica (P) dissipada por um resistor é dada por: P = VI = I²R = V²/R Onde: P: é a potência em watts V: é a diferença de potencial em volts I: é a corrente em amperes R: é a resistência em ohms 1.4 . ELTRÓLISE 1.4.1. Definição A eletrólise é um processo físico-químico que utiliza a energia elétrica de uma forma qualquer (como pilha ou bateria) para forçar a ocorr­ência de uma reação química de produção de substâncias simples ou compostas que não podem ser encontradas na natureza ou que não são encontradas em grande quantidade. Ou seja, é o processo de passagem de corrente elétrica por um eletrólito, resultando na separação dos elementos químicos que o compõem. Os eletrólitos são soluções que permitem a passagem dos elétrons, mas isso não garante que eles possam trafegar livremente. Nos eletrólitos os elétrons trafegam presos aos ions (é uma substância que se dissolve em íons quando exposta a uma solução aquosa ou

13. 1.4.2. Tipos de eletrolise Existem dois tipos principais de eletrólise: a eletrólise aquosa e a eletrólise fundida ou ígnea. 1-Eletrólise aquosa: Na eletrólise aquosa, a solução é composta por um solvente (normalmente água) e um soluto que se dissocia em íons. Quando uma corrente elétrica é aplicada, ocorre a decomposição dos íons presentes na solução. A eletrólise aquosa é frequentemente utilizada na produção de gases, como o hidrogênio e o oxigênio, por meio da eletrólise da água. A reação de eletrólise da água pode ser representada pelas seguintes equações: No cátodo: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- No ânodo: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e- Nesse processo, no cátodo ocorre a redução do íon hidrogênio (H+) em hidrogênio gasoso (H2), enquanto no ânodo ocorre a oxidação do íon hidróxila (OH-) em oxigênio gasoso (O2).

14. 2-Eletrólise ígnea ou fundida A eletrólise ígnea é um processo químico no qual um composto iónico qualquer (sal ou base, por exemplo), após sofrer o processo de fusão (mudar do estado sólido para o estado líquido). Na eletrólise fundida, o eletrólito é um sólido que está fundido, ou seja, em estado líquido devido ao aquecimento. Este processo é frequentemente utilizado na obtenção de metais puros a partir de seus compostos, como a obtenção do alumínio a partir da bauxita. Um exemplo comum de eletrólise fundida é a obtenção do alumínio por meio da eletrólise da alumina fundida (óxido de alumínio) em criolita fundida (fluoreto duplo de alumínio e sódio). Durante esse processo, o alumínio metálico é obtido no cátodo, enquanto o oxigênio é liberado no ânodo. Ambos os tipos de eletrólise são fundamentais em processos industriais e em aplicações que envolvem a obtenção de substâncias puras a partir de compostos químicos.   1.4.3. Princípios da Eletrolise Quando uma corrente elétrica é aplicada a um eletrólito, os íons são atraídos para os elétrodos; Íons positivos (cátions) são atraídos para o eletrodo negativo (cátodo), onde são reduzidos; Íons negativos (ânions) são atraídos para o eletrodo positivo (ânodo), onde são oxidados; Os produtos do eletrólise dependem da natureza do eletrólito e dos materiais do

15. 1.4.4. Aplicações da Eletrolise Revestimento metálico (galvanoplastia) Extração de metais (por exemplo, alumínio, cobre) Purificação de água Produção de cloro e hidrogênio 1.4.5. Etapas da Eletrolise Oxidação: Íons são oxidados no ânodo, perdendo elétrons. Redução: Íons são reduzidos no cátodo, ganhando elétrons. Exemplos: Eletrolise da água: 2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g) Eletrolise do cloreto de sódio: NaCl ( aq ) → Na(s) + Cl₂(g) Eletrodeposição de cobre: Cu²⁺( aq ) + 2e⁻ → Cu(s)

16. 2-LEI DA ELETRÓLISE OU LEI DE FARADAY 2.1-LEI DE FARADEY 2.1.1-Definição A lei de Faraday da eletrólise afirma que a massa (m) de uma substância depositada ou dissolvida em um elétrodo durante a eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica (Q) que passa pelo eletrólito. A massa (m) do produto depositado em um elétrodo é diretamente proporcional à corrente elétrica (I) passada e ao tempo (t). As leis de Faraday estabelecem as relações entre a carga elétrica, corrente elétrica, tempo e quantidade de substância produzida ou consumida durante uma reação eletrolítica.

17. 2.1.2-Primeira Lei de Faraday A primeira lei de Faraday afirma que a massa (m) de uma substância depositada ou dissolvida em um elétrodo durante a eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica (Q) que passa pelo eletrólito. Fórmula: m = zIt / F Onde: m: é a massa do produto depositado ou dissolvido (em gramas) z: é o número de elétrons transferidos por íon I: é a corrente elétrica (em amperes) t: é o tempo (em segundos) F: é a constante de Faraday (96.485 C/mol) 2.1.3-Segunda Lei de Faraday A segunda lei de Faraday afirma que, quando a mesma quantidade de carga elétrica é passada através de diferentes eletrólitos, as massas das substâncias depositadas ou dissolvidas nos elétrodos são proporcionais aos seus equivalentes químicos. Fórmula: m₁ / E₁ = m₂ / E₂ = ... = mₙ / Eₙ Onde: m₁ ... mₙ: são as massas das substâncias depositadas ou dissolvidas (em gramas) E₁ ... Eₙ: são os equivalentes químicos das substâncias

18. 2.1.4-Constante de Faraday A constante de Faraday é uma constante fundamental na eletroquímica que relaciona a carga elétrica com a quantidade de substância produzida durante uma reação eletrolítica. Onde o valor da Constante de Faraday conhecido também como o valor verdadeiro convencioal (de uma grandeza): F = 96485,33 C/(mol) -1 . 2.1.5. Fórmulas de Eletrolise A massa (m) do produto depositado em um eletrodo é diretamente proporcional à corrente elétrica (I) passada e ao tempo (t): m = zIt / F Onde: m: é a massa do produto depositado ou dissolvido (em gramas) z: é o número de elétrons transferidos por íon I: é a corrente elétrica (em ampères ) T: é o tempo (em segundos) F: é a constante de Faraday (96.485 C/mol) Potencial Eletrolítico: E° = (Eº cátodo - Eº ânodo) - (ΔE catódica – ΔE anódica) Onde: E°: é o potencial eletrolítico (em volts) Eº cátodo e Eºânodo : são os potenciais eletrolíticos do cátodo e do ânodo, respetivamente (em volts) ΔE catódica e ΔE anódica: são as sobretensões no cátodo e no ânodo, respetivamente (em volts)

19. 2.2-APLICAÇÕES DA LEI DE FARADAY   Determinar a carga elétrica envolvida em uma reação de eletrólise Calcular a massa de uma substância depositada ou dissolvida durante a eletrólise Determinar os equivalentes químicos de diferentes substâncias Exemplo: Se uma corrente de 2,0 A é passada por uma solução de CuSO ₄ por 30 minutos, a massa de cobre depositada no cátodo é: m = zIt / F = (2 elétrons/íon) * (2,0 A) * (1800 s) / (96.485 C/mol) = 0,32 g Observações: A constante de Faraday (F) representa a carga de um mol de elétrons. O número de elétrons transferidos (z) depende do íon envolvido na reação de eletrólise. Esta lei é mais precisa para eletrólitos que produzem produtos sólidos nos eletrodos . As Leis da Eletrolise de Faraday são fundamentais para entender os princípios da eletrólise. Elas têm aplicações práticas em vários campos da ciência e engenharia, como eletroquímica, galvanoplastia e refino de metais .

20. 2.2.1-EQUAÇÃO GERAL DA ELETROLISE 2.2.2-Enunciado da Equação Geral da Eletrolise   “ Quando uma corrente elétrica contínua é passada através de um eletrólito (uma substância líquida ou fundida que contém íons), ocorre uma reação química que decompõe o eletrólito em seus elementos constituintes ” . 2.2.3. Fórmula A equação geral da eletrólise descreve como os íons presentes em uma solução aquosa são descarregados nos eletrodos durante uma eletrólise, levando à formação de produtos específicos. A equação geral da eletrólise pode ser representada da seguinte forma: No cátodo: Redução (ganho de elétrons) -> 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- No ânodo: Oxidação (perda de elétrons) -> 2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-

21. Essas equações representam a eletrólise da água, na qual a água é decomposta em seus componentes, hidrogênio e oxigênio, devido à passagem de corrente elétrica. Essa é uma das formas de representar a equação geral da eletrólise, e as reações específicas podem variar dependendo dos compostos envolvidos no processo eletrolítico Elétron(s) + Íon → Produto(s) Onde: Elétron(s): é o número de elétrons transferidos na reação. Íon: é o íon que está sendo oxidado ou reduzido. Produto(s): é/são o(s) produto(s) da reação de eletrólise. 2.2.4Observações A equação geral da eletrólise pode variar dependendo do eletrólito usado. Para outros eletrólitos, os produtos da eletrólise serão diferentes. A equação geral da eletrólise é uma representação simplificada do processo real, que pode envolver reações intermediárias complexas. 2.2.4. Aplicações Compreender os princípios da eletrólise. Prever os produtos de uma reação de eletrólise. Projetar e otimizar células eletrolíticas.

22. 2.2.3-ELETROLISE ÍGNEA Definição A eletrólise ígnea é um tipo de eletrólise realizada em sais fundidos ou óxidos metálicos dissolvidos em sais fundidos. É usada para extrair metais de seus minérios, como alumínio, magnésio e sódio. A eletrólise ígnea é também definido como um tipo de eletrólise realizada em altas temperaturas, geralmente acima do ponto de fusão dos reagentes.

23. Princípios da Eletrolise Ígnea O eletrólito é um sal fundido ou um óxido metálico dissolvido em um sal fundido. A corrente elétrica é passada através do eletrólito fundido. Os íons metálicos são reduzidos no cátodo, depositando o metal. Os ânions são oxidados no ânodo, liberando gases ou formando outros compostos.   Características Ocorre em sais fundidos ou óxidos metálicos fundidos. Requer altas temperaturas para manter os reagentes no estado líquido. Produz metais e outros materiais que não podem ser facilmente produzidos por outros métodos.   Reações Na eletrólise ígnea, os íons metálicos no eletrólito são reduzidos no cátodo, formando o metal correspondente. Os ânions no eletrólito são oxidados no ânodo, produzindo gases ou outros produtos . Fórmulas da Eletrolise Ígnea As fórmulas gerais para as reações de eletrólise ígnea são as mesmas que as da equação geral da eletrolise onde temos:

24. No cátodo: Redução (ganho de elétrons) -> 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- No ânodo: Oxidação (perda de elétrons) -> 2H2O -> O2 + 4H+ + 4e- Vantagens Permite a produção de metais puros e outros materiais. Pode ser usada para produzir metais que não podem ser facilmente produzidos por outros métodos. Desvantagens: Requer altas temperaturas e equipamentos especializados. Pode ser um processo caro e demorado. Pode produzir subprodutos indesejados, como gases nocivos. 2.2.4-DETERMINAÇÃO DA CARGA Definição A carga elétrica (Q) pode ser determinada pela eletrólise, que é o processo de passagem de corrente elétrica por um eletrólito, resultando na separação dos elementos químicos que o compõem. Princípio Quando uma corrente elétrica é aplicada a um eletrólito, os íons são atraídos para os eletrodos . A massa (m) do produto depositado em um eletrodo é diretamente proporcional à corrente elétrica (I), ao tempo (t) e ao número de elétrons transferidos por íon (z):

25. m = zIt / F Onde: F é a constante de Faraday (96.485 C/mol) Como a carga elétrica (Q) é igual ao produto da corrente elétrica e do tempo, podemos reorganizar a equação para obter: Q = zIt Procedimento Para determinar a carga elétrica por eletrólise temos que: Configure uma célula eletrolítica com um eletrólito conhecido e elétrodos inertes. Aplique uma corrente elétrica conhecida à célula por um tempo medido. Meça a massa do produto depositado em um dos elétrodos. Calcule a carga elétrica usando a equação acima. Exemplo: Se uma corrente de 2,0 A é passada por uma solução de CuSO ₄ por 30 minutos e 0,32 g de cobre é depositado no cátodo, a carga elétrica é: Q = zIt = (2 elétrons/íon) x (2,0 A) x (1800 s) = 7200 C Observações O número de elétrons transferidos (z) depende do íon envolvido na reação de eletrólise. A constante de Faraday (F) é uma constante universal que representa a carga de um mol de elétrons. Este método é mais preciso para eletrólitos que produzem produtos sólidos nos eletrodos .

26. Conclusões Consoante as investigações feitas neste trabalho, concluímos que a condutividade elétrica dos líquidos depende da concentração e mobilidade dos íons ou elétrons presentes no líquido, bem como da temperatura e da presença de impurezas. Além disso, a presença de eletrólitos nos líquidos pode facilitar a condução da corrente elétrica devido à presença de íons que podem se mover livremente. E que as leis de Faraday estabelecem as relações entre a carga elétrica, corrente elétrica, tempo e quantidade de substância produzida ou consumida durante uma reação eletrolítica.

27. O NOSSO MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO PRESTADA