ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE UMA PILHA ELETROQUÍMICA UTILIZANDO MATERIAIS DO COTIDIANO

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1 Patrocínio, MG, outubro de 2016 ENCONTRO DE PESQUISA & EXTENSÃO, 3., 2016, Patrocínio. Anais... Patrocínio: IFTM, ESTUDO E CONSTRUÇÃO DE UMA PILHA ELETROQUÍMICA UTILIZANDO MATERIAIS DO COTIDIANO Sarah Silva Santos 1 ; Leandro Batista Machado 2 ; Roney Junio de Portugal 3 Modalidade: Pesquisa Resumo: No nosso dia-a-dia, vivemos cercados de inúmeros aparatos eletroeletrônicos, como computadores portáteis, celulares, tablets, relógios, etc. Estes facilitam nossa vida de forma impressionante. Desde salvando vidas, até auxiliando no desenvolvimento da economia, conectando pessoas de todos os lugares do mundo. Todos esses equipamentos só podem nos proporcionar tamanha qualidade porque possuem mobilidade, sendo que, o que pode conferir tal característica a eles são os acumuladores de energia elétrica, ou seja, as pilhas e baterias. Nesse trabalho, buscamos construir um transformador de energia química em energia elétrica, utilizando materiais de nosso cotidiano e/ou de baixo custo. Palavras-chave: Pilha, bateria, eletroquímica. Introdução Um dos maiores desafios na atualidade, com relação à ciência e tecnologia, está na busca de novas alternativas de fontes de energia, assim como a necessidade de melhorar a eficiência nos processos de geração de energia. Neste sentido, verifica-se que existe uma variedade de mecanismos que convertem energias de modos gerais. Dentre os existentes, nota-se que os processos de conversão de energia química em energia elétrica têm um papel fundamental no funcionamento de diversos dispositivos elétricos, tais como 1 Estudante do Curso Técnico em Eletrônica Integrado ao Ensino Médio - IFTM, voluntária. sarahsilvasantos_@hotmail.com 2 Professor Orientador IFTM, Esp em Química. leandromachado@iftm.edu.br 3 Professor Orientador - IFTM, Me. em Física. roneyportugal@iftm.edu.br

2 celulares, notebooks, relógios, marca-passo, entre outros. O estudo de processos de conversão de energia é um ramo importante da eletroquímica, cujo objetivo é o estudo da relação entre energia elétrica e transformações químicas (RUSSEL, 1994). Acompanhando esse raciocínio, torna-se importante incluir no processo de ensino-aprendizagem temas cotidianos correlacionados às tecnologias, principalmente no emprego destas em disciplinas tais como Física, Matemática e Química, colocando o discente com um papel importante na sociedade ao ofertar a ele potencialidades com relação aos conhecimentos técnico-científicos. Portanto, o presente trabalho permitiu perceber como a tecnologia e as pilhas se encontram cada vez mais presentes em nossa vida e sua vasta utilidade em nosso dia a dia, o que nos proporciona crescente praticidade, e sendo assim percebe-se também que é possível produzir energia de maneira simples e sustentável. 475 Referencial Teórico Eletroquímica é uma área da química que estuda a transformação de energia química em energia elétrica e vice-versa. A transformação é realizada por intermédio das reações químicas entre os elementos presentes na reação, onde um perde elétrons e outro ganha. Todos os processos envolvem reações de oxirredução. Também estuda as reações que ocorrem por intermédio do fornecimento de corrente elétrica, conhecidas como eletrólise. O seu estudo pode ser divido em duas partes: pilhas e baterias e eletrólise (Usberco e Salvador, 2000). Algumas definições são de suma importância para melhor compreendermos os estudos acerca de pilhas e baterias, que são dispositivos onde ocorrem reações espontâneas de óxido redução, produzindo assim corrente elétrica. Outro conceito que também é importante abordarmos é a eletrólise processo no qual uma corrente elétrica produz uma reação de óxido redução. O entendimento do funcionamento de uma pilha pode ser feito estudando uma das pilhas mais simples já criadas, a pilha de Daniell, que é constituída por uma placa de Zinco (Zn) em uma solução de ZnSO 4 e uma

3 placa de Cobre (Cu) em uma solução de CuSO 4. As duas soluções são ligadas por uma ponte salina. Ocorre tal funcionamento devido ao conjunto de eletrodos, fios metálicos e ponte salina que forneceram as condições necessárias para a movimentação ordenada de cargas elétricas, originando desta forma uma corrente elétrica. Logo, podemos consumar que existe diferença de potencial presente entre as placas metálicas de cobre e zinco. (Tito e Canto, 2003) O fato de a concentração de íons Zn + na solução aumentar, e de a placa sofrer corrosão revela que está ocorrendo a oxidação do zinco: 476 Zn(s) Zn +2 (aq) + 2e - Placa Vai para a solução Vão para o fio metálico O fato de a concentração de íons Cu 2+ diminuírem, e haver depósito de cobre metálico indica que íons cobre da solução estão sofrendo redução: Cu 2+ (aq) + 2e _ Cu (s) Solução Vem do fio metálico Deposita-se na placa Figura 1- Pilha de Daniell Fonte: < Segundo Usberco e Salvador (2000) a pilha mais comum que existe em nosso dia a dia é a pilha seca comum, que foi inventada em 1866 e é usada atualmente em rádios portáteis, brinquedos, relógios, lanternas etc. Essa pilha é composta por um revestimento de zinco, que funciona como o ânodo da célula e que é isolado das outras espécies químicas presentes na pilha. O eletrodo central, o cátodo, é formado grafita e está revestido por uma camada

4 de dióxido de manganês, por carvão em pó e por uma pasta úmida contendo cloreto de amônio, cloreto de zinco e água. A voltagem que se obtém com essa pilha geralmente é de aproximadamente 1,5 V. Já as pilhas alcalinas são bem parecidas com as pilhas comuns; o que as diferem é o fato de que a pasta escura, que nas pilhas comuns é feita de NH 4 Cl e de ZnCl 2, nas pilhas alcalinas é composta por uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH) e óxido de zinco (ZnO), sendo essa pasta altamente cáustica, ou seja, uma substância altamente corrosiva.(usberco e Salvador,2000) 477 Figura 2- Pilha Alcalina Fonte: < > As pilhas de mercúrio são bastante utilizadas em relógios, câmeras fotográficas, aparelhos auditivos etc. O ânodo desse tipo de pilha é formado de zinco, o cátodo é o óxido de mercúrio II (HgO) e a solução eletrolítica é o hidróxido de potássio [KOH (aq) ]. (Usberco e Salvador, 2000)

5 Figura 3- Pilha de Mercúrio (Eletroquímica) Fonte: < 478 Materiais e Métodos Após os estudos bibliográficos e pesquisas executadas, para que melhor pudessem ser efetuadas as escolhas acerca de materiais e características para encaixarem-se de maneira eficaz na montagem da pilha, obtivemos como melhores opções os seguintes materiais:. Lata de alumínio com capacidade de 300 ml (que geralmente são vendidas contendo refrigerantes e sucos). NaCl (sal de cozinha). Papel toalha. Fio/cobre. Água em temperatura ambiente. Desenvolvimento Para que ocorram as reações necessárias para gerar tensão, devemos montar da seguinte maneira: Primeiramente deve-se pegar um fio, descascá-lo, e em seguida retirar o cobre do mesmo, logo após enrolamos o papel toalha como um cilindro e enrolamos o cobre no mesmo. Fazemos dois pequenos furos nas laterais superiores da lata, e dentro dela colocamos duas colheres cheias de sal e 200 ml de água. Ao colocar-se esse rolinho dentro da lata precisamos tomar cuidado para que o cobre não entre em contato com o alumínio da lata. De acordo com os experimentos realizados, e verificando o comportamento dos materiais podemos perceber que a corrente elétrica gerada na bateria está ligada ao comportamento químico existente entre o alumínio da

6 lata, o oxigênio do ar e a água contida ali. O sal e o cobre ajudam nesse processo, mas não participam diretamente da reação, sucedendo-se que o sal faz com que a água se torne boa condutora de energia e desta forma nota-se que os mesmos podem ser substituídos por outros materiais que possuam características parecidas. Constatando assim, que o alumínio como o polo negativo, trata-se do ânodo e o cobre como polo positivo o cátodo, e sendo o alumínio aquele que possui tendência a sofrer oxidação (perda de elétrons) e o cobre a propriedade de conduzir a corrente gerada. Devido aos dados e reações retratadas acima obtivemos uma tensão média de 0,5V e uma corrente de aproximadamente 1mA, sendo estes quando é realizada a montagem da pilha utilizando-se água e sal, e que quando acrescentamos água sanitária esse valor aumenta para uma tensão de 0,7V. 479 Figura 4- Montagem da pilha Fonte: Elaborada pelo autor. Ao ligar as pilhas em série, conectando o polo negativo de uma no positivo da outra, ou seja, alumínio de uma no cobre da outra, soma-se as pilhas obtendo como resultado final uma bateria, com uma corrente igual em todo o circuito.

7 480 Fonte: Elaborada pelo autor. Figura 5 - Montagem das Pilhas em série. Com os resultados obtidos é perceptível que somente uma unidade da pilha não possui utilidade em nosso dia-a-dia, contudo, se ligarmos uma certa quantidade em série obteremos um melhor resultado, e desta maneira encontraremos uma utilidade para ela. Como por exemplo, acender um LED (que necessita de 1,5V) ou em uma maior quantidade fazer com que a mesma acione um motor de baixa potência. Conclusões De acordo com as necessidades que surgem em nosso dia a dia, buscar uma fonte de energia alternativa é extremamente importante para que possamos adquirir a praticidade que tanto se almeja. O desenvolvimento de uma pilha com materiais de nosso cotidiano onde todos os itens necessários são de fácil acesso tornou-se uma maneira fácil, eficaz e sustentável para obtenção energia. Assim sendo, a medida que se aprofunda no conhecimento das teorias fundamentais, acredita se que o ponto crucial na escolha de um material que tenha a tendência em sofrer oxidação, e outro material que tenha propriedade contrária, ou seja, se manter na forma reduzida, sem perda de elétrons. Como a reação gera um baixo valor de tensão, a melhor maneira de gerar uma corrente maior é a obtenção de um número maior de pilhas, ou seja,

8 quanto mais pilhas, maior será a tensão resultante e assim obteremos melhores resultados. Referências BRASIL. LEI Nº , 29 DE DEZEMBRO DE 2008, Institui a Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, cria os Institutos Federais de Educação, Ciência e Tecnologia, e dá outras providências. Disponível em: < Acesso em: 16 jun BROWN, L. S.; HOLME, T. A. Química Geral Aplicada à Engenharia. Tradução de Maria Lúcia Godinho de Oliveira. São Paulo: Cengage Learning, v. Único, FELTRE, R. Química. 5. ed. São Paulo: Moderna, v. 2, MORTIMER, Eduardo Fleury; MACHADO, Andréa Horta. Química para o ensino médio. 1. ed. São Paulo: Scipione, PERUZZO, F. M.; CANTO, E. L. D. Química na abordagem do cotidiano. 4. ed. São Paulo: Moderna, v. 2, RUSSEL, J. B. Química Geral. 2. ed. [S.l.]: Makron Books, v. II, PERUZZO, T. M.; CANTO, E. L. D. Química na abordagem do cotidiano. São Paulo: Moderna, v. único, USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Físico-química. 7. ed. São Paulo: Saraiva, INFOESCOLA, Pilha de Daniell/ Pilha Eletroquímica. Disponível em: < Acesso em: 18 jan MANUAL do mundo, Bateria de alumínio. Disponível em: < Acesso em: 05 dez MUNDO educação, Química-pilhas e baterias. Disponível em: < Acesso em: 23 jan