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Pilhas & Baterias I

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Tópicos: Célula Básica | Célula de Volta |

1) Célula Básica

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Conforme Figura 1-I, em um eletrólito aquoso de caráter ácido ou alcalino, encontram-se dois eletrodos de metais diferentes. No anodo onde ocorre uma reação de oxidação. No catodo ocorre uma reação de redução.

Na oxidação, o metal do anodo libera elétrons e íons positivos para o eletrólito. Esses elétrons seguem pelo caminho externo (carga) até o catodo, onde se combinam com o metal, liberando íons negativos, que é o processo de redução. Na superfície do catodo os íons fazem as moléculas da água do eletrólito separarem-se em íons de hidrogênio (H+) e hidróxido (OH).

Os íons positivos de hidrogênio combinam-se com os íons negativos do metal do catodo, tornando-os neutros. Os íons negativos de hidróxido caminham pelo eletrólito até o anodo, onde encontram os íons positivos do seu metal. Eles se combinam, resultando em moléculas de água e de óxido do metal. Assim, o anodo é consumido.

Célula básica de uma bateria
Fig 1-I

Os valores de tensões elétricas gerados pelas reações de oxidação e redução são características de cada metal e são obtidos experimentalmente, tomando-se como referência o hidrogênio, considerado de potencial nulo. A tabela a seguir dá os valores para alguns metais. Valor negativo significa reação de redução.

Potenciais de oxidação para alguns elementos metálicos e hidrogênio
Al Al3+ + 3e  1,71 V
Zn Zn2+ + 2e  0,76 V
Fe Fe2+ + 2e  0,41 V
Pb Pb2+ + 2e  0,13 V
H2 2H+ + 2e  0,00 V
Cu Cu2+ + 2e −0,34 V
Ag Ag+ +  e −0,80 V

Portanto, a tensão de uma célula é dada pela diferença dos potenciais de cada eletrodo:

$$V = V_{\text{anodo}} - V_{\text{catodo}} \tag{1A}$$
Desde que não há nenhum parâmetro de massa ou de volume, a tensão gerada não depende do tamanho físico da célula. Pode-se também notar que os níveis de tensões são baixos e, muitas vezes, associações em série são necessárias em aplicações práticas.


2) Célula de Volta

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A invenção da primeira pilha elétrica coube ao físico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, em 1800. Em homenagem, o nome volt foi adotado para a unidade de tensão elétrica. A pilha de Volta era formada por discos de cobre e zinco alternadamente empilhados e, entre eles, tecido embebido com ácido sulfúrico (Figura 2-I). Portanto, zinco é o anodo e cobre, o catodo.

A tensão teórica de cada célula, conforme tabela e fórmula do tópico anterior, é dada por:

$$V = 0,76 - (-0,34) = 1,1 \text{ volts} \tag{2A}$$
A reação global é a do zinco com o ácido sulfúrico:

$$\ce{Zn(s) + H2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + H2(g)} \tag{2B}$$

Pilha de Volta
Fig 2-I

Considerando que compostos iônicos se dissociam em água, pode-se escrever essa equação na forma:

$$\ce{Zn(s) + 2H^+(aq) + SO4^{--}(aq) -> Zn^{++}(aq) + SO4^{−−}(aq) + H2(g)} \tag{2C}$$

Removendo o íon SO4 comum em ambos os lados, obtém-se a equação iônica líquida:

$$\ce{Zn(s) + 2H^+(aq) -> Zn^{++}(aq) + H2(g)} \tag{2D}$$

Para que isso ocorra, é preciso uma troca de elétrons, de forma que a equação anterior pode ser dada pelas duas seguintes.

• Reação no anodo (perda de elétrons, isto é, oxidação):

$$\ce{Zn(s) -> Zn++(aq) + 2e-} \tag{2E}$$
• Reação no catodo (ganho de elétrons, isto é, redução):

$$\ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \tag{2F}$$
Entretanto, a célula de Volta tem uma limitação prática: o hidrogênio formado no catodo cria uma barreira para a passagem dos elétrons (polarização). E a tensão da célula cai rapidamente com o uso. As células atuais contém substâncias que se combinam com o hidrogênio antes que ele consiga polarizar o eletrodo.
Referências
Pesquisa na Internet em Jul/2007. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mai/2018