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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 não-

espontâneos, recebem uma classificação:

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A oxidação e a redução

• Você ainda lembra o que é uma

oxidação e uma redução?

• Observe o esquema abaixo:

ECEBE

EDUZ

Podemos concluir que:

Quem elétrons,

E obviamente, quem cede elétrons,

oxida.

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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:

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• 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 não-

espontâneo.

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A Pilha de Daniell

• Sua pilha é diferente da de Alessandro Volta;

• A pilha de Daniell funcionava a partir de dois eletrodos interligados;

• 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:

• o zinco da placa doa 2

elétrons para o cátion

zinco da solução e se

transforma em Zn2+;

• o cátion zinco na

solução recebe 2 elétrons

doados pelo zinco

metálico e se transforma

em Zn0;

Podemos esquematizar

todo o processo com a

seguinte equação:

Zn(s) Zn2+(aq.) + 2e-

REDUÇÃO

OXIDAÇÃO

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• O eletrodo de cobre é

análogo ao de zinco, ou

seja, constituído de uma

placa de cobre e uma

solução com íons Cu2+;

• 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:

Cu(s) Cu2+(aq.) + 2e-

REDUÇÃO

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.

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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:

• 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:

Zn(s) Zn2+(aq.) + 2e-

Cu2+(aq.) + 2e- Cu0

(s)

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• Desta forma, temos que a reação global para o fenômeno será:

Zn(s) Zn2+(aq.) + 2e-

Cu2+(aq.) + 2e- Cu0

(s)

Zn(s) + Cu2+(aq.) Zn2+

(aq.) + Cu0(s)

Representação da pilha:

• A notação química da pilha de Daniell e dos

demais tipos de pilha é feita, por definição, pela

representação:

• Desta forma, a representação da pilha de zinco e

cobre acima indicada é:

Substância metálica cátion que cátion que substância metálica que sofre oxidação se forma sofre redução que se forma

Zn Zn2+ Cu2+ 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?

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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.

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• 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;

• 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 Zn2+ em

solução;

• Migração de íons positivos, potássio (K+), para o eletrodo de cobre, por causa do aumento de íons Cu2+ em

solução;

• Fatores que influenciam na ddp de uma pilha:

• Concentração da solução;

• Temperatura.

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Tabela de potenciais-padrão de redução dos metais e de oxidação dos cátions:

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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;

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Pilhas alcalinas

• Possuem uma base ao invés de um ácido como

eletrólito;

• Tipos: ferro-níquel, prata-zinco, mercúrio-zinco, zinco-

manganês, 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...

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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;

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•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.

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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;

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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;