Licenciatura em eletrônicaeletroquímica Prof: MônicaGilmar Barbosa marques 2° período

Tópicos abordados:

Definição de pilha Seu funcionamento Dados importantes Curiosidades interessantes Descartes de pilhas e baterias Resumo

ELETROQUÍMICA (pilhas e baterias)

A Eletroquímica é responsável pela explicação dos fenômenos que envolvem atransferência de elétrons. Esses fenômenos são de grande importância cotidiana, pois através de suas aplicações obtemos pilhas, baterias, cumuladores de automóveis, peças galvanizadas e eletro – purificadas, etc.

Os fenômenos eletroquímicos que nos interessam são as Pilhas e Eletrólises,sendo o primeiro um evento espontâneo e o segundo não espontâneo.

Como definimos PILHA ? Podemos definir pilha como, qualquer dispositivo no qual uma reação de oxirredução espontânea produz corrente elétrica. Esse fenômeno transforma a energia química em energia elétrica. As pilhas são formadas por um conjunto de metal mergulhado a uma solução salina eletrolítica de íon comum, esse conjunto é denominado eletrodo e nele ocorre a transferência eletrônica necessária para gerar energia elétrica.

Seu funcionamento: No sistema acima, podemos observar o eletrodo de Zinco ligado externamente ao eletrodo de Cobre através de um fio condutor pelo qual os elétrons migram de um pólo a outro da pilha, e suas soluções entram em contato através de uma ponte salina que permite o fluxo iônico das soluções eletrolíticas. Observando e analisando quimicamente as soluções,notamos que :A lâmpada se acende, e que prova a existência de corrente elétrica. Após certo tempo, a barra de zinco diminui de tamanho, ao passo que a de cobre torna-se maior (ficando com massa maior). A solução de zinco fica maisconcentrada , enquanto a solução de cobre fica mais diluída.O amperímetro acusa um fluxo de elétrons pelo circuito externo, da barra de zinco para o cobre.

O que ocorre é que os átomos de zinco da barra metálica passam para a solução na forma de íons , deixando, cada átomo dois elétrons na barra. Explicando o por que, que a barra de zinco perde massa e a solução de íons fica mais concentrada. Sendo esse processo chamado de semi-reação de oxidação. Os elétrons que ficam na barra de zinco percorrem o circuito externo e chegam à barra de cobre. Isso explica o fluxo de elétrons acusado pelo amperímetro, fluxo que faz com que a lâmpada se acenda.

Esses elétrons, chegando á barra de cobre, atraem os íons da solução, que, em contato com a barra de cobre, recebem os elétrons e se convertem em átomos de cobre, depositando-se na barra. Por isso, a solução de cobre fica mais diluída (mais pobre em íons) e a barra de cobre aumenta.

Esse processo é chamado de semi-reação de redução.

A pilha esquematizada:

A equação a seguir descreve a pilha esquematizada acima que é conhecida como pilha de Daniell, pode-se perceber pelas equações que os elétrons partem do zinco em direção ao cobre, ou seja, o eletrodo de zinco oxida, doando elétrons ao eletrodo de cobre o qual é reduzido:

Zn(s) + Cu2+ (aq) Zn2+(aq) + Cu(s), representando os fenômenos em separado, teremos:Semi – reação de oxidação: Zn(s) Zn2+ (aq) + 2e- Semi – reação de redução: Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s).

Observe que o Zn(s) doa elétrons e tem seu nox aumentado, fazendo assim o processo de oxidação. O Cu2+ (aq) recebe elétrons do zinco e tem seu nox diminuído, fazendo o processo de redução.Dessa forma podemos concluir que o Zn(s) é o agente redutor e o Cu2+ (aq) é o agente oxidante. O eletrodo que sofre oxidação é chamado de Ânodo, dele os elétrons partem em direção ao eletrodo que sofre redução chamada de Cátodo. O eletrodo que recebe os elétrons (cátodo) é dito pólo positivo da pilha e o eletrodo de onde partem os elétrons é dito pólo negativo da pilha. Esquematizando temos:

Dados impotantes: Como podemos saber quem oxida e quem reduz em um sistema de pilha? Cada eletrodo tem sua característica bem definida, ou seja, existem eletrodos com maior tendência a reduzir e outros a oxidar. A medida dessa característica é observada experimentalmente pelos Potenciais de Eletrodo. A medida de potenciais de eletrodo se baseia em um padrão que é o eletrodo de H2/2H+, ao qual é atribuído E° = 0,0V.

Quanto maior for o E0 red, mais fácil será sua redução e mais forte será o oxidante.Quanto menor for o E0 red, mais fácil será sua oxidação e mais forte será o redutor.

Obs: eletrodos e ponte salina:O conjunto formado pela barra metálica e pela conjunção de seus íons recebe o

nome de eletrodo: O que emite eletros que ocorre oxidação, para o circuito externo é o ânodo, nele está o pólo negativo da pilha; o eletrodo que recebe elétrons onde ocorre a redução do circuito externo é o catodo, nele está o pólo positivo da pilha.

A ponte salina é um tubo de vidro contendo gelatina saturada com um sal, onde a função é permitir o escoamento dos íons acumulados nos eletrodos, mantendo, assim, o equilíbrio de cargas. Onde sem ela a pilha não funciona. Com isso, os elétrons se movimentam pelo fio e os íons se movimentam pela ponte salina. Obs: esta ponte salina pode ser substituída por uma parede porosa, apresentando o mesmo efeito.

Observe a tabela a seguir dos Potencias de Eletrodo

Total pilha grada uma determinada diferença de potencial (DDP) a qual vem expressa na unidade de volts em sua embalagem. Para calcular a DDP de uma pilha basta aplicarmos a relação a seguir:

E0 = E0maior – E0menorExemplificando para a pilha de Daniell, estudada anteriormente:Cu2+ (aq) + 2e- Cu(s) E0 red = +0,34VZn2+ (aq) + 2e- Zn(s) E0 red = -0,76VE0 = E0maior – E0menor.E0 = +0,34 – (-0,76)E0 = +1,10V

Curiosidades interessantes:

IMPORTANTE Podemos proteger superfícies metálicas da corrosão através do uso de eletrodos ou metais de sacrifício. Basta recobrirmos a superfície metálica a proteger totalmente ou parcialmente com um metal de menor potencial de redução, ou seja, mais sensível a oxidação. Dessa forma esse metal é oxidado ou “corroído”, protegendo o outro metal que fica no estado reduzido.

Exemplos: Ferro galvanizado (ferro revestido de zinco), Lata (ferro revestido deestanho), Ferro com plaquetas de Zn ou Mg presas na superfície e que funcionam como eletrodo de sacrifício.

CuriosidadeConheça o mecanismo de uma Bateria Automotiva e uma Pilha Seca.

Pilhas e baterias

As pilhas secas são do tipo zinco-carbono, são geralmente usadas em lanternas, rádios e relógios. Esse tipo de pilha tem em sua composição Zn, grafite e MnO2 que pode evoluir para MnO(OH).

Além desses elementos também é importante mencionar a adição de alguns elementos para evitar a corrosão como: Hg, Pb, Cd, In. Estas pilhas contém até 0,01% de mercúrio em peso para revestir o eletrodo de zinco e assim reduzir sua corrosão e aumentar a sua performance.

O NEMA (Associação Nacional Norte-Americana dos Fabricantes Elétricos) estima que 3,25 pilhas zinco-carbono per capita são vendidas ao ano nos Estados Unidos da América.

As pilhas alcalinas são compostas de um ânodo, um "prego" de aço envolto por zinco em uma solução de KOH alcalina (pH~14), um cátodo de anéis de MnO2 compactado envoltos por uma capa de aço niquelado, um separador de papel e um isolante de nylon.

Até 1989, a típica pilha alcalina continha mais de 1% de mercúrio. Em 1990, pelo menos 3 grandes fabricantes de pilhas domésticas começaram a fabricar e vender pilhas alcalinas contendo menos de 0,025% de mercúrio. A NEMA estima que 4,25 pilhas alcalinas per capita são vendidas por ano nos EUA.

Baterias Recarregáveis

As baterias recarregáveis representam hoje cerca de 8% do mercado europeu de pilhas e baterias. Dentre elas pode-se destacar a de níquel-cádmio (Ni-Cd) devido à sua grande representatividade, cerca de 70% das baterias recarregáveis são de Ni-Cd. O volume global de baterias recarregáveis vem crescendo 15% ao ano.

As baterias de níquel-cádmio têm um eletrodo (cátodo) de Cd, que se transforma em Cd(OH)2, e outro (ânodo) de NiO(OH), que se transforma em Ni(OH)2. O eletrólito é uma mistura de KOH e Li(OH)2. As baterias recarregáveis de Ni-Cd podem ser divididas basicamente em dois tipos distintos: as portáteis e as para aplicações industriais e propulsão. Em 1995 mais de 80% das baterias de Ni-Cd eram do tipo portáteis.  Com o aumento da utilização de aparelhos sem fio, notebooks, telefones celulares e outros produtos eletrônicos aumentaram a demanda de baterias recarregáveis. Como as baterias de Ni-Cd apresentam problemas ambientais devido à presença do cádmio outros tipos de baterias recarregáveis portáteis passaram a ser desenvolvidos.  Esse tipo de bateria é amplamente utilizado em produtos que não podem falhar como equipamento médico de emergência e em aviação. As baterias recarregáveis de níquel metal hidreto (NiMH) são aceitáveis em termos ambientais e tecnicamente podem substituir as de Ni-Cd em muitas de suas aplicações, mas o preço de sua produção ainda é elevado quando comparado ao das de Ni-Cd. Foi colocado no mercado mais um tipo de bateria recarregável visando uma opção à utilização da bateria de Ni-Cd. Esse tipo de bateria é o de íons de lítio. As baterias de Ni-Cd apresentam uma tecnologia madura e bem conhecida, enquanto os outros dois tipos são recentes e ainda não conquistaram inteiramente a confiança do usuário.

Descartes de pilhas e baterias

O local de descarte de pilhas e baterias não mais utilizadas é uma dúvida constante da população. Isso ocorre pois há diferença nos limites de metais pesados em suas constituições, o que acarreta cuidado diferenciado com determinados produtos, já que algumas substâncias que fazem parte da composição química são potencialmente perigosas e podem afetar a saúde e agredir o meio ambiente.

Conforme determina a Resolução 257 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), pilhas comuns e alcalinas, utilizadas em rádios, gravadores, walkman e brinquedos, podem ser jogadas no lixo doméstico sem qualquer risco ao meio ambiente.

As pilhas e baterias especiais tipo botão e miniatura, freqüentemente utilizadas em equipamentos fotográficos, agendas eletrônicas, calculadoras, filmadoras, relógios e sistemas de segurança, também não oferecem risco, podendo ser descartadas da mesma forma. Isso ocorre pois fabricantes legalizados atendem as determinações, no que diz respeito aos limites máximos de metais pesados em suas constituições.

CUIDADOS ESPECIAIS:

Enquanto isso, alguns produtos oferecem grande risco e devem ser encaminhados aos fabricantes e importadores, assim que perderem sua função. É o que ocorre com os materiais de níquel-cádmio, utilizados em alguns celulares, telefone sem fio e aparelhos que usam sistemas recarregáveis. O chumbo-ácido, presente em pilhas e baterias de veículos, e em algumas filmadoras antigas, também necessita de cuidados especiais. Finalizando a lista dos que pedem descarte especial, há o material de óxido de mercúrio, dificilmente encontrado, mas útil para instrumentos de navegação e aparelhos de instrumentação e controle.

Por decisão das indústrias, os postos de recolhimento receberão todos os tipos de bateria, mesmo as que atendem a Resolução Conama, a fim de facilitar o entendimento da população.

Resumo: Na utilização de pilhas, baterias e etc., acontece o fenômeno de transferência de

elétrons do qual a eletroquímica explica, o que é de grande importância no nosso dia-a-dia. Através deste estudo podemos observar a transferência de elétrons de um pólo para o outro da pilha e suas soluções entrando em contato através de uma ponte salina, permitindo um fluxo iônico das soluções eletrolíticas . Observamos que quando os átomos de zinco passam para a solução na forma de íons, deixando, cada átomo dois elétrons na barra, perde massa e deixa a solução mais concentrada, diminuindo a barra; tal fenômeno recebe o nome de semi-reação de oxidação. Quando tais elétrons chegam a barra de cobre atraindo os íons da solução, que em contato com a barra, ao receberem elétrons se convertem em átomos de cobre depositando-se na barra, ficando a solução mais diluída e aumentando a barra de cobre. Esse tal fenômeno recebe o nome de semi-reação de redução.

Pelo fato de não termos mais o local apropriado para o descarte de pilhas e baterias, observa-se dúvidas de onde se deve joga-las. As pilhas comuns e alcalinas utilizadas por exemplo, em rádios, gravadores e brinquedos, podem ser jogadas no lixo doméstico. Do mesmo modo que, as pilhas e baterias especiais do tipo botão e miniatura, utilizadas em equipamentos fotográficos, agendas eletrônicas, calculadoras, filmadoras, relógios e sistemas de segurança, também não oferecem riscos e podem ser descartadas da mesma forma.

Devemos tomar cuidado ao descartar determinadas pilhas e baterias de determinados produtos tais como: de telefone celular, de telefone sem fio, de veículo automotivo, etc..., pois algumas substâncias químicas que fazem parte da sua composição, são perigosas e podem afetar a saúde do homem e agredir o meio ambiente. Segundo a norma do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) que entrou em vigor em 22 de julho de 2000, atribui aos fabricantes a responsabilidade sobre o material tóxico que produzem; por esse motivo, tais produtos devem ser encaminhados aos seus fabricantes e importadores, logo que perdem a sua função.

Bibliografia:

http://www.profcupido.hpg.ig.com.br/pilhas_e_baterias.htm

http://ecoviagem.uol.com.br/ecoviagem-brasil/ecoreporter/reciclagem-de-pilhas-e-baterias-uma-questao-que-pode-e-deve-ser-resolvida.asp

http://www.mundovestibular.com.br/articles/1072/1/PILHAS-E-BATERIAS/Paacutegina1.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Pilha

Feltre, Ricardo, Fundamentos da Química, volume único, editora moderna