Baixe Eletroquímica e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity!
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Ponta Grossa
Coordenação de Engenharia Eletrônica
Data:
Disciplina: Química Geral e Experimental Prof Cesar Arthur
Eletroquímica - Pilhas
Folha 1/
h�p://cepa.if.usp.br/e-fisica/eletricidade/basico/cap11/cap11_03.php
A pilha de Volta é constituída por uma solução de ácido sulfúrico em água, na qual é mergulhado um e cobre e um de zinco. Se ligarmos o cobre ao zinco por um condutor c, passará corrente elétrica nesse dirigida do cobre para o zinco, o que indica que há uma diferença de potencial entre eles (fig. 209). A so os dois eletrodos constitui então um gerador. Os dois eletrodos são chamados pólos, ou terminais do Chama-se pólo positivo àquele por onde a corrente sai, e pólo negativo àquele por onde a corrente entra. pilha de Volta, o cobre é o pólo positivo, e o zinco, o negativo. A pilha elétrica foi inventada pelo físi Alessandro Volta. Sua pilha original não tinha a disposição que indicamos na figura 209. Era composta d modo: um disco de cobre, sobre ele um disco de feltro embebido em ácido sulfúrico diluído em água, d disco de zinco, sobre este, outro disco de feltro embebido em ácido sulfúrico diluído, depois outro disco d assim sucessivamente (fig. 210). Esses discos eram colocados um sobre o outro de maneira a formar u Daí se originou o nome que até hoje se conserva para esses geradores.
Figura 209
Figura 210
No funcionamento da pilha de Volta podemos distinguir duas fases: 1 a^ ) aparecimento de uma diferença de potencial inicial entre o cobre e o zinco; 2 a^ ) manutenção dessa diferença de potencial.
Muitos metais, quando colocados dentro d’água, soltam íons seus na água. Assim, o zinco liberta, na solu ácido sulfúrico, íons positivos bivalentes de zinco, Zn +2^. Os dois elétrons que com esse íon formavam um (neutro) são retidos no eletrodo de zinco. Ao redor desse eletrodo ficam então muitos íons positivos de zin eletrodo fica com um excesso de elétrons (fig. 211).
Figura 211
A libertação de íons de zinco não continua indefinidamente, porque a carga positiva dos íons que contorna eletrodo atingem valor tal que impede a libertação de novos íons; isto é, qualquer novo íon solto na soluçã repelido pela carga positiva e volta ao zinco, aí se unindo a dois elétrons e formando novamente um átomo (neutro).
O zinco fica então com carga negativa, devida aos elétrons, e a solução com carga positiva, devida aos ío consequêncta é que o zinco fica com um potencial mais baixo que a solução.
Com a lâmina de cobre acontece o mesmo. Ela também solta na solução íons positivos bivalentes de cob retém elétrons (fig. 211). Então, o cobre também fica com potencial mais baixo que a solução.
Mas, os metais não tem todos a mesma facilidade para soltar íons. O cobre solta menos íons que o zinco portanto, retém menos elétrons que o zinco. A consequência é que o cobre fica com potencial mais alto qu embora ambos tenham potencial mais baixo que a solução. Esses potenciais estão esquematizados na fig abaixo.
Figura 212
A diferença de potencial entre o cobre e o zinco aparece então porque esses dois metais não tem a mesm facilidade para libertar íons na solução.
Sentido da corrente elétrica
Como o zinco possui mais elétrons que o cobre, quando eles são reunidos pelo condutor c há passagem d do zinco para o cobre, isto é, carga negativa, do zinco para o cobre. Mas, convencionamos que a corrente metais seja constituída por movimento de partículas positivas imaginárias que se desloquem do cobre para
Poderíamos levantar a seguinte dúvida: se o zinco vai cedendo elétrons ao cobre, através do condutor c, d algum tempo o zinco e o cobre ficarão com igual número de elétrons, e portanto, ao mesmo potencial, e a deixará de funcionar. Veremos que o ácido sulfúrico impede que isso aconteça.
As moléculas de ácido sulfúrico se dissociam em íons hidrogênio e0 0 1 F SO 4 -2 , segundo a equação:
O íon SO 4 -2^ se dirige para o zinco, aí reage com ele, formando-se sulfato de zinco, segundo a equação:
libertando-se nessa reação dois elétrons que o zinco manda depois para o condutor c. Essa reação quími fonte de elétrons para o zinco, isto é, é a origem dos elétrons que a pilha fornece para constituírem a corre elétrica no circuito externo.
O íon de hidrogênio, H+^ dirige para o cobre; aí recebe um elétron e se transforma num átomo de hidrogêni segundo a equaçao:
H +^ + elétron → H
Os átomos de hidrogênio se unem dois a dois formando moléculas de hidrogênio, que se desprendem junt cobre. Em resumo: a reação química SO 4 -2^ + Zn → Zn SO 4 + 2 elétrons fornece elétrons ao zinco; este o condutor c, que os conduz até o cobre; o cobre recebe elétrons e os cede aos íons de hidrogênio.
Energia transformada na pilha
Agora podemos compreender claramente o que significa a expressão: “a pilha transforma energia química energia elétrica”. Significa que a reação química SO 4 -2^ + Zn → Zn SO 4 + 2 elétrons liberta dois elétrons, i liberta carga elétrica.
Com o funcionamento da pilha, a reação SO 4 -2^ + Zn → Zn SO 4 + 2 elétrons continua, e o zinco vai sendo consumido, e transformado em sulfato de zinco. Podemos então, dizer que a energia elétrica fornecida pe provém da energia química do consumo do zinco. Depois de algum tempo de uso, o zinco desaparece. P restaurar a pilha precisamos usar nova lâmina de zinco.
Podemos resumir o funcionamento da pilha de Volta do seguinte modo: inicialmente se estabelece uma dif potencial entre o cobre e o zinco, provocada pelo fato de esses dois metais não terem a mesma facilidade libertar íons na água. Depois, os íons SO 4 -2^ e H+^ permitem que a diferença de potencial se mantenha.
1 a^ ) Vemos que não é possível construir-se uma pilha com água pura, pois, sem a presença dos íons que p reações químicas, a diferença de potencial inicial não se mantém.
2 a^ ) Concluímos também que na construção de uma pilha podemos usar dois metais quaisquer, contanto q não tenham a mesma facilidade para soltar íons.
resistência interna fica muito grande, a pilha se torna inutilizada. Acredita-se que isso seja devido à transformação do bióxido de manganês em monóxido de manganês, que não é despolarizante.
Estas pilhas são usadas em todos os dispositivos em que se necessitam pilhas portáteis, como lanternas elétricas, “rádio de pilha”, etc..
Vimos, nas pilhas de Volta e de Daniell que, enquanto elas funcionam, o eletrodo de zinco vai se gastando,
transformando-se em sulfato de zinco, e que é dessa reação química que provém a energia elétrica da pilha. Se quisermos restaurar as condições primitivas dessas pilhas, precisamos usar novo eletrodo de zinco. Mas, existem pilhas nas quais, para se restaurarem as condições iniciais, não é necessária a substituição de eletrodo, mas, basta passar por elas uma corrente elétrica em sentido oposto ao sentido da corrente que elas fornecem. São chamadas pilhas secundárias, ou acumuladores, sendo este último nome o mais conhecido.
Usam-se atualmente dois tipos de acumulador: o de chumbo e o de Edison.
É o mais comum. São desse tipo os acumuladores que se usam nos automóveis.
Possui um eletrodo negativo de chumbo, e um positivo de peróxido de chumbo ( PbO 2 ), imersos em uma solução de ácido sulfúrico em água. O eletrodo de peróxido de chumbo é constituído por uma pasta desse óxido moldada em uma grade de chumbo, e preparada de maneira a se tornar muito esponjosa, para aumentar a área em contacto com a solução. O eletrodo negativo de chumbo é também esponjoso, pela mesma razão.
O sulfato de chumbo, sendo insolúvel, fica aderente ao chumbo. Essa reação química é a fonte de elétrons para o acumulador. São os elétrons que provém dessa reação que o chumbo cede ao condutor c que os transporta ao polo positivo. Essa é, portanto, a reação química que liberta carga elétrica, isto é, que transforma energia química em energia elétrica. Vemos que, enquanto o acumulador funciona, o eletrodo de chumbo vai sendo consumido, e transformado em sulfato de chumbo.
3 o^ ) O cátion H+^ se desloca para o peróxido de chumbo, e aí recebe elétrons, que chegam pelo condutor c e se transforma em átomo de hidrogênio. Este hidrogênio reduz o peróxido de chumbo, transformando-o em óxido de chumbo e formando água:
O óxido de chumbo imediatamente reage com o ácido sulfúrico, formando sulfato de chumbo e mais água:
Vemos que, como resultado final da chegada do íon de hidrogênio ao peróxido de chumbo, este se transforma em sulfato de chumbo, que por ser insolúvel, fica aderente à placa de peróxido de chumbo. Duas consequências importantes da descarga, e que não podem ser esquecidas, são: 1a^ ) o ácido sulfúrico vai desaparecendo, e vai se formando água; então a concentração do ácido sulfúrico diminui; 2 a^ ) os dois eletrodos vão ficando cobertos por sulfato de chumbo.
O sulfato de chumbo que cobre os eletrodos na descarga diminui muito a área desses eletrodos. A diferença de potencial entre eles vai diminuindo, e a resistência interna do acumulador vai aumentando, passando-se a obter uma corrente cada vez menor, até não se obter praticamente nenhuma. Dizemos que o acumulador está descarregado. Para fazê-lo voltar às condições iniciais não é necessário substituir os eletrodos, como nas pilhas; basta ligá-lo a um gerador de f.e.m. de uns 6 volts, ligando o polo positivo do gerador ao positivo do acumulador, e o negativo com o negativo (fig. 221). Passa então pelo acumulador uma corrente em sentido oposto ao da corrente que ele fornece. Essa operação é chamada carga do acumulador. A corrente que passa é chamada corrente de carga. Durante a carga se dá a a reação:
Figura 221
e assim se reconstitui o chumbo, o peróxido de chumbo, e o ácido sulfúrico que haviam sido gastos durante a descarga.
Quando carregamos o acumulador, fazendo passar a corrente elétrica, gastamos energia. Por sua vez, quando o acumulador fornece corrente, ele está fornecendo energia. Nas reações químicas que descrevemos acima, nos limitamos a assinalar como reagem quimicamente os corpos, mas, não levamos em conta as energias das reações. Considerando as energias, podemos resumir as reações químicas da carga e da descarga da seguinte maneira:
Carga:
Descarga:
Vemos, portanto, que o acumulador é um armazenador de energia. Pois, quando o carregamos, gastamos energia elétrica, e ele armazena essa energia sob a forma de energia química. Quando o descarregamos, ele converte a energia química em energia elétrica, e nos restitui essa energia.
Pelo fato de o acumulador fornecer corrente elétrica, muita gente pensa que ele seja um armazenador de carga elétrica. Essa é uma noção errada, pois o que ele armazena é energia química.
Durante a descarga, o acumulador não fornece toda a energia que ele recebeu durante a carga, mas pouco menos. Chama-se rendimento do acumulador à relação entre a energia que ele fornece na descarga pela energia que recebe na carga. Costuma-se exprimir em porcentagem, isto é:
%
O rendimento dos acumuladores é, em média, de 80%.
Este é o elemento mais importante do acumulador. Chama-se capacidade do acumulador à carga elétrica total que ele é capaz de fornecer até se descarregar. Isto é, é o produto da intensidade da corrente que fornece pelo tempo durante o qual deve fornecer essa corrente até se descarregar.
A capacidade é avaliada em ampères-hora. Os acumuladores de chumbo encontrados no comércio tem capacidade de 60 a 80 ampères-hora. A capacidade de 60 ampères-hora significa que o acumulador pode fornecer corrente de 10 ampères durante 6 horas, ou de 2 ampères durante 30 horas, etc.. Mas, nunca se deve exigir de um acumulador uma corrente demasiadamente alta durante muito tempo. Por exemplo, de um acumulador de capacidade 60 A-h não se deve exigir corrente de 60 ampères durante uma hora, pois tão alta corrente ele somente forneceria durante alguns minutos e logo se descarregaria.
Quando carregado, a força eletromotriz de um acumulador de chumbo é de 2,1 volts. À medida que vai se descarregando, sua força eletromotriz vai baixando. Para aumentar a vida do acumulador, isto é, não estragar os eletrodos, nunca se deve deixar a f.e.m. cair abaixo de 1,8 volts. Quando ela atingir esse valor, deve-se imediatamente dar nova carga ao acumulador.
Os acumuladores encontrados no comércio são na verdade associação de três ou seis acumuladores em série, todos montados numa mesma caixa. Cada um dos acumuladores parciais é chamado um elemento. Assim, certos tipos de automóvel usam acumuladores de três elementos, que tem, em plena carga, a força eletromotriz de:
Esses são os que na prática, chamamos simplesmente acumuladores de 6 volts. Outros tipos de automóvel usam acumuladores de seis elementos, que tem, em plena carga, a força eletromotriz de:
A esses chamamos simplesmente acumuladores de 12 volts.
Para sabermos se um acumulador ainda está carregado, ou se já necessita nova carga, podemos usar dois processos: 1 o^ ) com um voltímetro medimos a f.e.m. de cada elemento, e verificamos se é maior que 1,8 volts; 2 o^ ) dissemos acima que, durante a descarga, a concentração do ácido sulfúrico vai diminuindo. Mas, quando a concentração de uma solução diminui, sua densidade também diminui. Medindo a densidade da solução de ácido sulfúrico podemos saber se ele já foi muito gasto ou não, e, portanto, se a carga ainda é boa. Existem densímetros especiais para provarmos essa densidade com graduação que já indica o estado do acumulador.
