O que são pilhas? Pilhas são sistemas em que a energia química se transforma espontaneamente em energia elétrica.
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- Amanda Casqueira Valverde
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1 O que são pilhas? Pilhas são sistemas em que a energia química se transforma espontaneamente em energia elétrica. Você sabe o que é um processo espontâneo? Para as pilhas, os processos espontâneos e nãoespontâneos, recebem uma classificação: 1
2 A oxidação e a redução Você ainda lembra o que é uma oxidação e uma redução? Observe o esquema abaixo: Podemos concluir que: Quem ECEBE EDUZ elétrons, E obviamente, quem cede elétrons, oxida. 2
3 Ordem de reatividade dos metais Os metais são elementos que possuem alta eletropositividade; Na presença de ametais, por exemplo, apresentam forte tendência de doar elétrons formando cátions; São elementos que sofrem oxidação; Se comportam como agentes redutores; Conclusão: Um metal é mais reativo que outro quando, perante a um ametal, apresenta maior tendência de doar elétrons ou maior eletropositividade. Logo, temos que: 3
4 O que permite que uma reação entre dois metais aconteça, então, é o fato de um aceitar mais facilmente os elétrons que o outro; No caso exemplificado anteriormente, onde o zinco era oxidado e o cobre reduzido, o cobre tem uma tendência de receber elétrons maior que o zinco e o contrário não acontece; Este é um processo espontâneo; O processo contrário acontece apenas se fornecermos energia elétrica, mas aí não seria uma pilha, pois o processo seria nãoespontâneo. 4
5 A Pilha de Daniell O eletrodo de zinco é constituído de uma solução que contém cátions de zinco e uma placa metálica de zinco; Neste eletrodo ocorrem os seguintes fenômenos: Sua pilha é diferente da de Alessandro Volta; A pilha de Daniell funcionava a partir de dois eletrodos interligados; o zinco da placa doa 2 elétrons para o cátion zinco da solução e se transforma em Zn 2+ ; o cátion zinco na solução recebe 2 elétrons doados pelo zinco metálico e se transforma em Zn 0 ; Podemos esquematizar todo o processo com a seguinte equação: Zn (s) Zn 2+ (aq.) + 2e - REDUÇÃO OXIDAÇÃO 5
6 O eletrodo de cobre é análogo ao de zinco, ou seja, constituído de uma placa de cobre e uma solução com íons Cu 2+ ; Os fenômenos que acontecem neste eletrodo de cobre são exatamente iguais aos do eletrodo de zinco, conforme o desenho ao lado; Podemos estabelecer o seguinte equilíbrio: REDUÇÃO Cu (s) Cu 2+ (aq.) + 2e - OXIDAÇÃO Daniell percebeu que se interligasse estes dois eletrodos feitos de metais diferentes, ele teria um fluxo de elétrons do metal mais reativo para o metal menos reativo, em vez de transferi-los para seus cátions na própria solução. Como o zinco é mais reativo que o cobre, a ligação dos eletrodos produziria uma corrente no sentido do eletrodo de zinco para o de cobre; Para evidenciar esta transferência de elétrons, basta acoplar um aparelho adequado no caminho entre os dois eletrodos. 6
7 Cátodo e ânodo Observe o esquema abaixo, de uma pilha de zinco e cobre: Ânodo, ou pólo negativo da pilha: é o eletrodo de onde saem os elétrons no qual ocorre reação de oxidação; A semi-reação que ocorre no ânodo é: Zn (s) Zn 2+ (aq.) + 2e - Cátodo, ou eletrodo positivo: é o eletrodo para onde vão os elétrons, no qual ocorre reação de redução; A semi-reação que ocorre no cátodo é: Cu 2+ (aq.) + 2e - Cu 0 (s) 7
8 Desta forma, temos que a reação global para o fenômeno será: Cu 2+ (aq.) + 2e - Zn (s) Zn 2+ (aq.) + 2e - Cu 0 (s) Zn (s) + Cu 2+ (aq.) Zn 2+ (aq.) + Cu 0 (s) Representação da pilha: A notação química da pilha de Daniell e dos demais tipos de pilha é feita, por definição, pela representação: Substância metálica cátion que cátion que substância metálica que sofre oxidação se forma sofre redução que se forma Desta forma, a representação da pilha de zinco e cobre acima indicada é: Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu Você observou que entre os dois eletrodos existe um tubo em U que liga as cubas de vidro? Você sabe o nome do tubo e para que serve? 8
9 A Ponte Salina Em conseqüência dos fenômenos descritos na pilha de Daniell, teremos que: No ânodo: a placa de zinco diminui de massa ao mesmo tempo em que a concentração de cátions zinco em solução aumenta. No cátodo: a placa de cobre aumenta de massa ao mesmo tempo em que a concentração de cátions cobre em solução diminui. Considerando estes fatos, o que aconteceria se não houvesse uma ponte salina? A função da ponte salina é permitir a migração de íons de uma solução para a outra, de modo que o número de íons positivos e negativos da solução de cada eletrodo permaneça em equilíbrio. 9
10 Portanto, considerando que na pilha de zinco e cobre teremos uma ponte salina de cloreto de potássio (KCl): Migração de íons negativos, cloreto (Cl - ), para o eletrodo de zinco, por causa do aumento de íons Zn 2+ em solução; Migração de íons positivos, potássio (K + ), para o eletrodo de cobre, por causa do aumento de íons Cu 2+ em solução; A força eletromotriz de uma pilha é diretamente proporcional à intensidade de corrente elétrica produzida por essa pilha; Quanto menor o potencial-padrão de redução, maior a capacidade que o metal possui em doar elétrons e vice-versa; Quanto menor o potencial-padrão de oxidação, maior a capacidade que o cátion possui em receber elétrons e vice-versa; Fatores que influenciam na ddp de uma pilha: Concentração da solução; Temperatura. 10
11 Tabela de potenciais-padrão de redução dos metais e de oxidação dos cátions: 11
12 Pilhas Secas e Acumuladores A pilhas até agora mostradas tem apenas aplicação científica, pois não são práticas para o uso diário; Existem pilhas de outros tipos, de uso mais prolongado e maior utilidade; Pilha seca de Leclanché Desenvolvida por volta de 1866; Reação irreversível; Baixa geração de ddp (1,5V); Reações complexas; Ânodo: oxidação do zinco metálico; Cátodo: redução do manganês; Elétrons conduzidos pela barra de grafita; O complexo tetra-amin-zinco; Ampla utilização em aparelhos domésticos; 12
13 Pilhas alcalinas Possuem uma base ao invés de um ácido como eletrólito; Tipos: ferro-níquel, prata-zinco, mercúrio-zinco, zincomanganês, níquel-cádmio; Possuem rendimento de cinco a oito vezes maior que uma pilha comum; Não apresenta problema de formação de amônia; Possuem voltagem constante; Pilhas de mercúrio-zinco Conhecida como pilha de Ruben-Mallory; Zinco metálico no ânodo; Óxido de mercúrio II no cátodo; São mais duráveis e eficientes; Voltagem de 1,35 V; Utilizada em relógios, calculadoras, máquinas fotográficas, agendas telefônicas, etc... 13
14 Pilha de lítio-iodo Desenvolvida pela Catalyst Reasearch Corporation, USA; Utilizada em marca-passo cardíaco; Ânodo de lítio metálico; Cátodo de um complexo de iodo; Voltagem de 2,8 V; Funciona por até dez anos continuamente; Acumuladores ou baterias São pilhas ligadas em série; Geração de ddp depende da quantidade de pilhas; Bateria de automóvel Composta de 6 pilhas de 2V; Ânodo: oxidação de chumbo metálico em cátion chumbo II; Cátodo: redução do cátion chumbo IV em chumbo II; Reação é reversível; Alternador do carro recarrega a bateria; 14
15 Ácido sulfúrico é consumido, diminuindo a densidade da solução; A densidade da bateria carregada é de 2,80 g.cm -3 ; A densidade inferior a 1,20 g.cm -3 a bateria está descarregada; Bateria de níquel-cádmio Eletrodos imersos em uma solução de KOH; Ânodo de cádmio metálico; Cátodo de níquel metálico recoberto com óxido de níquel hidratado; Apresentam voltagem constante de 1,4 V; Podem ser recarregadas até 4000 vezes; Emprego em aparelhos sem fio como telefones, barbeadores, ferramentas e câmeras de vídeo. 15
16 Implicações Ambientais Poluição por metais pesados; As pilhas são jogadas no lixo comum; Ou vão para um aterro ou para uma usina de compostagem; Nos aterros, os metais pesados, incorporados a chorume, atingem o solo e os lençóis freáticos; Os lençóis atingem córregos e riachos o que acaba incorporando os metais pesados na cadeia alimentar humana; Nas usinas, a pilha e o lixo giram no biodigestor por dois dias; Na saída do biodigestor, a malha que segura o lixo graúdo deixa passar as pilhas abertas; Outros países requerem a entrega das pilhas antigas na compra de novas; No Brasil já existe reciclagem de baterias de carro; 16
17 Implicações Políticas e Sociais 152 milhões de pilhas comuns e 40 milhões de pilhas alcalinas por ano, só em São Paulo; Redução da qualidade de vida pela poluição das águas; Geração de crianças com defeitos causados por acúmulos de metais pesados no organismo; No Brasil não há aterros públicos apropriados para substâncias perigosas; Secretaria do Meio Ambiente quer responsabilizar os fabricantes pelo recolhimento de pilhas e baterias usados; Projetos vem fracassando no Congresso Nacional; Países de primeiro mundo, como Alemanha, incentivam o consumidor a entregar a pilha velha na compra de uma nova; Implicações Econômicas Muitos produtos requerem o uso de pilhas comuns e alcalinas, o que as torna um comércio muito lucrativo; Destino final de pilhas pode custar R$ 50 milhões em multas para empresas; 17
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