Com a invenção da
pilha ,em 1800, pelo italiano Alessandro Volta, surgiu no ramo da química, a
eletroquímica, que estuda a relação entre as reações químicas e a energia
elétrica. As reações químicas podem gerar energia elétrica, mas pode também
esta provocar a ocorrência de reações.
Qualquer sistema de oxidação-redução
capaz de produzir energia elétrica é denominado pilha. Na eletrolise, ao
contrário, a reação consome energia elétrica.
Tanto as reações que geram corrente
elétrica quanto as que utilizam uma corrente externa são reações de
oxi-redução, pois, nesses casos, elétrons são transferidos de uma para outra
espécie química. Lembre-se que o processo em que há ganho de elétrons chama-se
redução, e o elemento é chamado de oxidante pois provoca a oxidação de um outro
que, por sua vez, é conhecido como agente redutor.
Pilhas
Quando uma barra de Zn é imersa em uma
solução de Cu2+, nota-se que o Zn fica
totalmente recoberto por uma camada de
cobre metálico. A presença de íons Zn2+ na solução poderá ser detectada por
meio de uma analise química.
Dois processos
estão ocorrendo nesse exemplo: a oxidação do Zn
Zn à Zn²+ + 2e-
E a redução dos
íons Cu2+
Cu2+
+ 2e- à Cu
Processos em que só ocorrem oxidação ou
só redução são chamados de semi-reações. Portanto, cada uma das reações
descritas acima é chamada de semi-reação, mas, em conjunto, resultam na reação
global da pilha que,neste caso, pode ser representada por:
Zn
+ Cu2+ à Zn2+
+ Cu
Pilha de volta
A pilha de volta era constituída por
uma pilha de placas metálicas de Zn e Cu
entremeada por discos de feltro embebidos em H2SO4 diluído.
Pilha de Daniell
O inglês John Daniell construiu a
primeira pilha com soluções liquidas. A pilha foi construída utilizando placas metálicas
de Zn e Cu mergulhadas, respectivamente, em soluções de íons Zn2+ e Cu2+ de
concentração 1mol/L a 25°C.
O
sistema redox da pilha de Daniell pode ser representado pelas seguintes equações:
Anodo(oxidação) Zn0 à Zn2+ + 2e-
Catodo(redução) Cu2+ + 2- à Cu0
Reação da pilha Zn + Cu2+ à Zn2+ + Cu0
Variando a temperatura e as
concentrações das soluções,obtém-se potenciais diferentes de 1V.
Os elétrons passam de forma espontânea
da barra de Zn para a de Cu pelo fio. À medida que a pilha funciona ou
descarrega, a lâmina de zinco se desgasta, enquanto a de cobre aumenta. Dessa
forma, aumenta a concentração de íons Zn2+ em solução, enquanto a concentração
de íons Cu2+ diminui. Esse aumento e diminuição de cargas elétricas nas
soluções poderiam fazer com que a pilha parasse de funcionar, mas esse problema
pode ser contornado com o uso de uma ponte de salina. Ela é constituída de um
tubo recurvado, contendo uma solução saturada de algum eletrólito que mantém
contato com ambas as soluções. Os íons negativos dessa solução migram para a
semicela em que ocorre a formação de excesso de cargas elétricas positivas,
nesse caso para o zinco. Os íons positivos migram para a semicela em que houver
deficiência de cargas elétricas positivas, no caso do cobre. A função da ponte
salina é, portanto, a de manter o equilíbrio das soluções.
Para voltar a situação inicial, os
elétrons devem ser “forçados” a ir da barra de cobre para a de zinco por meio
de uma fonte de corrente elétrica externa ou gerador. Então, a lâmina de Zn irá
se recompor, enquanto a de cobre tem sua massa reduzida.
Dessa forma, há uma transferência
direta de elétrons dos átomos de zinco da barra para os íons Cu2+ da solução da
outra cela.
Aplicações
Pilha
seca ou pilha de Leclanché
As
pilhas utilizadas em rádios e lanternas são exemplos da pilha seca. Em seu
interior existe um material umedecido, e não uma solução líquida, daí o nome
pilha seca.As pilhas comuns oferecem uma diferença de potencial de 1,5V.
As semi-reações que ocorrem são:
Catodo 2MnO2 + 2NH4+ + 2e- à Mn2O3 + 2NH3 + H2O
Anodo Zn0 à Zn2+ + 2e-
As pilhas comuns não podem ser
descarregadas; no entanto,existem no mercado pilhas formadas de determinados
materiais que podem receber elétrons de uma fontes externa e se regenerar.
Acumulador
ou bateria
O acumulador ou bateria mais comum
possui um elemento de PB e outro de PbO, imersos em uma solução aquosa de ácido
sulfúrico de densidade 1,2g/mL. A bateria comum,utilizada em automóvel, é
constituída de várias pilhas de PB interligadas
Para fornecer a
ddp necessária. Como se trata de uma série de pilhas, ela é chamada de bateria.
A bateria pode ser recarregada
utilizando-se um gerador externo, e as semi-reações, então, ocorrem no sentido
imerso.
Pilha alcalina
A pilha alcalina é um
tipo de fonte portátil de energia. Tem voltagem de 1,5 V e não é recarregável. É
indicada para equipamentos que requerem descargas de energia rápidas e fortes,
como brinquedos, câmeras fotográficas digitais, MP3 players, lanternas, walkmans, discmans etc.
Pilhas Alcalinas
Uma pilha de mercúrio é um tipo de pilha alcalina. Por ter mercúrio em grandes concentrações, sua comercialização foi
banida em muitos países. Hoje, as pilhas de mercúrio são utilizadas, por
exemplo, em relógios, calculadoras, marca-passos, aparelhos auditivos, máquinas fotográficas e brinquedos.
A parte negativa da pilha (ânodo) é uma amálgama de zinco
(reagente) e de mercúrio, a parte positiva (cátodo) é o óxido de
mercúrio II (HgO) e a solução eletrolítica é uma pasta de papel
umedecido contendo o hidróxido de potássio
(KOH), que funciona como uma ponte salina, ligando as
duas semi-celas.
Essa solução eletrolítica tem
como função manter a neutralidade elétrica das pilhas. Os ânions da ponte fluem
na solução no mesmo sentido que os elétrons fluem no fio. Já os cátions da ponte salina fluem na solução no sentido contrário
ao dos elétrons. Logo abaixo da pasta de papel umedecido, é colocado um
separador poroso, que funciona como isolante.
As reações que ocorrem nestas
pilhas estão dispostas a seguir, as reações que ocorrem no ânodo e no cátodo.
- ânodo: Zn → Zn2+ + 2e-
(pólo -)
- cátodo: HgO + H2O + 2e- →
Hg + 2OH- (pólo +)
A parte negativa da pilha (ânodo) é uma amálgama de zinco
(reagente) e de mercúrio, a parte positiva (cátodo) é o óxido de
mercúrio II (HgO) e a solução eletrolítica é uma pasta de papel
umedecido contendo o hidróxido de potássio
(KOH), que funciona como uma ponte salina, ligando as duas semi-celas.
Essa solução eletrolítica tem
como função manter a neutralidade elétrica das pilhas. Os ânions da ponte fluem
na solução no mesmo sentido que os elétrons fluem no fio. Já os cátions da ponte salina fluem na solução no sentido contrário
ao dos elétrons. Logo abaixo da pasta de papel umedecido, é colocado um
separador poroso, que funciona como isolante.
As reações que ocorrem nestas pilhas estão dispostas a seguir, as
reações que ocorrem no ânodo e no cátodo.
- ânodo: Zn → Zn2+ + 2e- (pólo -)
- cátodo: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH- (pólo +)
Pilha de mercúrio
Postado por: Gregory Sousa e Lucas Cabral
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