Baterias de Chumbo. A A bateria de chumbo-ácido cido foi inventada por. período que remonta aos primórdios rdios das células galvânicas.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA - UFPB CENTRO DE CIENCIAS EXATAS E DA NATUREZA-CCEN DEPARTAMENTO DE QUIMICA Disciplina: FísicoF sico-química II Professora: Claudia Braga BATERIAS DE CHUMBO ALUNO: RONALDO DA SILVA PONTES João Pessoa-PB, PB, 31/07/2009

2 Baterias de Chumbo

3 Baterias de Chumbo A A bateria de chumbo-ácido cido foi inventada por Gaston Planté em 1860 (Planté,, 1860), período que remonta aos primórdios rdios das células galvânicas. Ela é usada como bateria de arranque e iluminação em automóveis, como fontes alternativas em no breaks, em sistemas de tração para veículos e máquinas m elétricas, etc.

4 Composição básica b da bateria A A composição básica b da bateria é essencialmente, chumbo, ácido sulfúrico e materiais plásticos. O chumbo está presente na forma de chumbo metálico, ligas de chumbo, bióxido de chumbo e sulfato de chumbo. O ácido sulfúrico se encontra na forma de solução aquosa com Concentrações variando de 27% a 37% em volume.

5 Tipos de baterias Existem várias v baterias no mercado com a mesma voltagem e amperagem, porem de tipos diferentes, basicamente se refere ao tipo t de funcionamento: Selada: Não requer manutenção, segundo o fabricante a água da bateria dura por toda a vida útil sem a necessidade de recarga, esta vida útil normalmente chega a 4 anos se a bateria for bem cuidada. Nestas baterias o processo químico para produzir eletricidade consome uma quantidade insignificante de água. O problema é que em alguns casos de sobrecarga a água desaparece da bateria e acaba inutilizando a mesma, não existe uma forma de recarregar ou verificar o nível n da água. Não selada: Requer manutenção, o nível n da água deve ser verificado pelo menos uma vez por ano, se o nível n da água estiver sempre completo a bateria pode durar tanto quanto uma bateria selada bem cuidada. Estas baterias o processo químico para produzir eletricidade consome água e por este motivo deve ser verificado e completado. A desvantagem fica por conta de ser mais uma coisa a ser verificada a na hora da manutenção.

6 Célula chumbo-ácido cido O anodo é chumbo, o catodo é o óxido de chumbo (PbO2) e o eletrólito, lito, solução de ácido sulfúrico. A tensão da célula c é cerca de 2 V e é desnecessário dizer que sua maior aplicação é no ramo automotivo, normalmente agrupada em 6 para formar a bateria de 12 V. Na construção mais comum, anodo e catodo são placas retangulares planas, dispostas e interligadas alternadamente, com separadores de material poroso não condutor para evitar contato elétrico direto. O conjunto fica no interior de uma cuba, submerso so no eletrólito lito de solução de ácido sulfúrico. Conforme figura abaixo:

7 Reações A reação global (para a descarga) é Pb(s) + PbO 2 (s) + 2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) Separando os íons do ácido, pode-se escrever: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2 SO 2-4 (aq) + 4 H + 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) E, de forma similar à da célula c básica, b consideram-se se as trocas de elétrons em cada pólo p durante a descarga. Ver figura. Para o eletrodo negativo (anodo), tem-se: Pb(s) + SO 2-4 (aq) PbSO 4 (s) + 2 e E para o eletrodo positivo (catodo), PbO 2 (s) + SO 2-4 (aq) + 4 H e PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l).

8 À medida que é usada, a concentração de ácido sulfúrico diminui e aumenta a concentração de sulfato de chumbo. A célula c chumbo-ácido cido é recarregável. Provavelmente, uma das razões para isso é o fato de o produto da descarga (sulfato de chumbo) ser insolúvel no eletrólito lito e permanecer junto dos eletrodos (em geral, nas células c não recarregáveis, os produtos se perdem por serem gases ou se precipitam no eletrólito). lito). Uma vez descarregada, total ou parcialmente, uma fonte externa de d energia elétrica, aplicada conforme Figura, reverte as reações anteriores, regenerando o chumbo e o óxido de chumbo dos eletrodos e o ácido sulfúrico do eletrólito. lito. A reação global (para a recarga) é : 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) Pb(s) + PbO 2 (s) + 4 H SO 2-4 (aq)

9 Cuidados com a recarga O processo de recarga tem seu lado problemático, uma vez que pode haver a reação comum de decomposição da água: 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Ou seja, pode ocorrer a formação de uma mistura gasosa potencialmente explosiva e, para reduzir o risco, a carga deve ser s controlada. A evaporação da água faz necessária a complementação periódica com água pura. Para evitar isso, sugiram na década d de 1970 as primeiras células seladas.. Elas dispõem também m de um composto catalítico tico que produz água se houver formação de hidrogênio e oxigênio durante o processo de carga.

10 Potenciais das reações Escrevendo as semi-rea reações: para o eletrodo positivo (catodo) temos: E 1 º = 1,68 V PbO 2 (s) + SO 2 4 (aq) + 4 H e PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l). Para o eletrodo negativo (anodo) temos: E 2 º = 0,36 V Pb(s) + SO 2 4 (aq) PbSO 4 (s) + 2 e Para a reação global o potencial será a soma dos potenciais das semi-rea reações: Pb(s) + PbO2(s) + 2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) E º COMPLETO = E 1 º + E 2 º = 2,04 V

11 Energia de Gibbis padrão Para a reação de descarga: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) O potencial padrão da bateria é definido por: G º = - n F E º. Onde: G º é a energia de Gibbs padrão. n é o número n de elétrons.( 2 e - ) F é a constante de Faraday. (9,648 x 10 4 C mol - 1 ) E º é o potencial padrão da pilha.( 2,04 V) G º = - n F E º = - 2 x 9,648 x 10 4 x 2,04 = - 3,93 x 10 5 CV = - 3,93 x 10 2 kj. Como G º < 0 a reação é exotérmica,ou seja, espontânea no sentido dos produtos.

12 Cálculo da constante de equilíbrio da reação de descarga Equação para calcular a constante de equilíbrio : RT ln K = - G º Onde : G º é a energia de Gibbs padrão. ( - 3,93 x 10 2 kj). R constante dos gases perfeitos. ( 8,314 J K - 1 ). T temperatura padrão 298,15 K. K é a constante de equilíbrio da reação. RT ln K = - G º 8,314 x 298,15 x ln K = - ( ) ln K = 158 K = 7,15 x Como K > 1 a reação é espontânea no sentido dos produtos.

13 Quantidade de calor reversível vel Para a reação de descarga é: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2 H 2 SO 4 (aq) 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) A reação de recarga) é : 2 PbSO 4 (s) + 2 H 2 O(l) Pb(s) + PbO 2 (s) + 4 H SO 2-4 (aq) Segundo o Castellan,Gilbert- FUNDAMENTOS DE FISICO-QUIMICA, p.431: G º = - 376,97 k J e H º = - 227,58 k J. Como G º = H º - T S º T S º = + 149,39 k J = Q rev. Para a bateria trabalhar reversivelmente a reação será endotérmica G º> > 0. Isso significa que não é apenas a variação de energia,o H º é o responsável pela produção de energia elétrica. Também m a quantidade de calor Q rev = T S º,, que flui das vizinhanças as para conservar o sistema isotérmico, pode ser convertido em energia elétrica. A razão G º / H º = 1,36 compara a energia elétrica que pode ser produzida para diminuir a entalpia dos materiais. Os 36% extras representam a energia que flui das vizinhanças. as.

14 Impacto ambiental O chumbo e seus compostos estão associados a disfunções no sistema nervoso, problemas ósseos, circulatórios, rios, etc Devido sua baixa solubilidade, a absorção se dád principalmente por via oral ou respiratória. ria. Crianças as são mais suscetíveis à problemas de contaminação por causa da relação contaminação/peso como também m por estarem em fase de desenvolvimento do sistema neurológico e pelos hábitos h de higiene pouco sedimentados. O chumbo se encontra na natureza acumulado em minas como resultado dos processos de diferenciação que ocorreram durante a evolução do planeta.

15 Como jáj foi mencionado o principal uso de chumbo nos dias atuais é na fabricação de baterias de chumbo-ácido. cido. Quando se discute o impacto ambiental desta atividade, deve-se levar em consideração desde a extração de chumbo nas minas até sua utilização na indústria. O Brasil praticamente não possui reservas minerais deste elemento. Assim, a maior parte do chumbo existente no país s procede de importações. A questão ambiental e o desenvolvimento tecnológico O efeito da produção de baterias sobre o ambiente pode ser dividido em dois aspectos: ocupacional, devido à contaminação do ambiente interior à fábrica e ambiental, devido à emissão de efluentes para as regiões externas à fábrica.

16 Processo de reciclagem Este processo, que no passado era feito manualmente, atualmente é feito de forma automática. tica. As sucatas de baterias são quebradas e passam por um processo de separação baseada na densidade: o material é flotado: os compostos de chumbo são separados da matéria plástica e o efluente líquido l é neutralizado. O material plástico é reaproveitado na fábrica f de caixas e tampas e o material contendo compostos de chumbo segue para o refino. Como na fábrica f de baterias, todo efluente é contido no interior da planta e redirecionado para uma estação de tratamento de efluente que essencialmente faz a neutralização e decantação do mesmo. O resíduo sólido s consiste em sua quase totalidade de sulfato de cálcio. c

17 Experimento VÍDEO.(BATERIA DE CHUMBO) interna.php php?experimento=71&bateria+chumbo+acido Materiais necessários Solução eletrolítica tica de bateria de automóvel (acido sulfúrico 37%) 4 Placas de chumbo 2 BéqueresB 3 fios com jacarés s nas pontas Voltímetro Transformador de corrente alternada em corrente continua Palha de açoa 2 Rolha Elástico

18 Procedimento Passo 1 Polir a placa de chumbo com a palha de aço a o ate remover toda a película que cobre as placas. Afixe as placas de chumbo separadas pela rolha. Use o elástico para prendê-las. Passo 2 Colocar a solução eletrolítica tica nos béqueres. b Coloque cada par de placas em béqueres b separados Passo 3 Ligue cada placa de chumbo em um pólo p do transformador para carregar a bateria. Passo 4 Retire os jacarés s do transformador e ligue no voltímetro. Observe o que acontece.

19 A bateria da vida A reação de felicidade é espontânea e libera alegria, a reação de tristeza é forçada por uma razão externa. RONALDO DA SILVA PONTES 31/07/2009. OBRIGADO A TODOS.

20 Referências =content/content_index baterias.html interna.php?experimento=71&bateria+chumbo+acido CASTELLAN. GILBERT W., Físico-Química; Rio de Janeiro, Ao Livro, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 1986,530p. ATKINS, P. W. Físico-Química Fundamentos, LTC S/A, Rio de Janeiro (7ª. edição, traduzida em português), 2003,356p.

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