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QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Experimentos de Pilhas N° 8, NOVEMBRO 1998

EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO DE QUÍMICA

O tópico ‘pilhas’ faz parte doconteúdo programático dasdisciplinas de química minis-

trado nas escolas do ensino médio.Como exemplo maior, comumente cita-se a pilha de Cuo|Cu2+||Zn2+|Zno,conhecida como ‘pilha de Daniell’.Esse dispositivo é constituído basica-mente por semicélulas de Cuo|CuSO41,0 mol/L e Zno|ZnSO4 1,0 mol/L, emcompartimentos isolados, e unidas pormeio de ponte salina; esta última é feitacom um tubo de vidro, em forma de Uinvertido, contendo solução de ágar-ágar saturada com um eletrólito forteou apenas solução aquosa saturadade eletrólito, tapada nas extremidadespor chumaços de algodão.

Devido à relativa facilidade paramontar essa pilha, alguns professores

chegam a demonstrar, com o auxíliode um voltímetro, a transformaçãoespontânea de energia química emenergia elétrica. Alguns livros adotadosno ciclo básico sugerem a possibili-dade de o sistema permitir acenderlâmpadas pequenas — de voltagemao redor de 1,5 V (Fonseca, 1993;Nehmi, 1993; Dorin e col., 1988). Va-mos então tecer comentários sobre es-se caso.

Ao se conectar os dois eletrodosmetálicos com um fio externo contendouma lâmpada, tem-se uma pilha fun-cionando como fonte de corrente, istoé, realizando um trabalho: acendendouma lâmpada. O fio externo e a pontesalina permitem que o circuito elétricoentre os dois eletrodos seja fechado.No caso, a reação em cada uma das

semicélulas é:

Cu2+ + 2e- Cu0

(ganho de massa na placa de Cu)Eo = 0,34 V

Zn0 Zn2+ + 2e-

(perda de massa da placa de Zn)Eo = - 0,76 V∆Eo = 1,10 V

Conforme ilustrado nas equaçõesacima, o zinco metálico sofre oxidaçãoenquanto o cobre sofre redução, per-mitindo vislumbrar que o fluxo de elé-trons no fio externo vai do eletrodo dezinco para o de cobre. Conseqüente-mente, na solução íons negativos mi-gram para o compartimento de zinco(neutralizando o excesso de íons Zn2+

formados) e, ao mesmo tempo, íonspositivos migram para o de cobre (su-prindo o consumo de íons Cu2+). Nestecaso mantém-se a eletroneutralidadedo sistema e o fechamento do circuito.Tanto o fio como a ponte salina sãocondutores (um eletrônico e o outroiônico) que permitem a passagem decorrente elétrica entre os eletrodos me-tálicos; dos dois condutores, o que ti-ver maior resistência elétrica (usual-mente a ponte salina) praticamentedeterminará o valor da corrente quepoderá circular pela pilha. Daí a impor-tância de que a resistência elétrica daponte salina (conhecida como resis-tência ôhmica) seja a menor possível.Porém a questão é: a lâmpada real-mente acende?

Resposta: geralmente não. Issoocorre porque a ponte salina, em geralmontada inadequadamente (com altaresistência ôhmica), pode apresentardificuldades para que flua a correntenecessária, limitando a corrente resul-tante. Somente pontes salinas comaltas concentrações de eletrólitos e

A seção “Experimentação no ensino de química” descreveexperimentos cuja implementação e interpretação contribuem para aconstrução de conceitos científicos por parte dos alunos. Osmateriais e reagentes usados são facilmente encontráveis,permitindo a realização dos experimentos em qualquer escola. Estaedição traz experimentos que têm como tema a construção de pilhase a análise da composição do solo.

Pilhas modificadas empregadas noacendimentode lâmpadas

Noboru HiokaFlorângela Maionchi

Danil Agar Rocha RubioPatrícia Akemi Goto

Odair Pastor Ferreira

pilhas, corrente, voltagem, lâmpadas

Neste trabalho sugerimos a construção de duas pilhaseletroquímicas a partir de materiais de fácil acesso e que permitemacender lâmpadas de pequeno consumo por intervalo de temporazoável. A primeira delas é uma adaptação da ‘pilha de Daniell’ e asegunda uma modificação da ‘pilha seca’ ou de ‘empilhamento’, queenvolve o mesmo conjunto de reações da primeira.

Pilhas e a Composição dos SolosExperimentos sobre

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com altas áreas de contato com as so-luções dos dois eletrodos (por exem-plo, tubo em U com diâmetro maiorque 2 cm) têm resistências ôhmicassuficientemente baixas para reduzir es-ta limitação. Alguns autores (Fel-tre,1988) citam, corretamente, o uso devela de filtro d’água (parede porosa)na semicélula de cobre, pois essematerial permite a rápida passagem deíons, levando a correntes maiores, sufi-cientes para acender a lâmpada. Essesistema, de acesso um pouco maisdifícil, desestimula o professor a efe-tuar a demonstração prática do fenô-meno.

Outro exemplo de pilha é a que usaduas lâminas de zinco, duas de cobree quatro tiras de papel-filtro, sendo du-as embebidas em solução de sulfatode cobre e duas em solução de sulfa-to de zinco (Boff e Frison, 1996). Amontagem da pilha é feita por empilha-mento, seguindo a seqüência: placade cobre, papel com sulfato de cobre,papel com sulfato de zinco, placa dezinco; a seguir, repete-se a mesma se-qüência. Conectando-se uma lâmpa-da às placas de zinco e cobre, a mes-ma acende, porém mantém-se acesapor pouco tempo. Quando em funcio-namento, o fechamento do circuitoocorre de maneira similar à da outrapilha, isto é, íons Zn2+ e íons Cu2+ mi-gram na direção dos eletrodos decobre, enquanto íons sulfato migramna direção dos eletrodos de zinco.

Este trabalho propõe a construçãode duas pilhas com as quais é possívelmanter uma lâmpada acesa por tempoprolongado: pilha de Daniell modifica-da (pilha 1) e pilha de empilhamento(pilha 2).

Materiais empregados

Pilha 1• 1 membrana de casca de salsi-

cha (de celulose regenerada) oucasca de lingüiça (tripa seca bo-vina), ambas existentes em casasfrigoríficas, de 13 cm de compri-mento

• Fio de náilon (linha de pesca)• 1 placa de cobre e 1 de zinco (li-

xadas), de aproximadamente 10cm x 2 cm x 0,1 cm

• 1 L de solução saturada de NaCl

em água (sal de cozinha)• Sulfato de cobre (CuSO4. 5H2O),

1 mol/L (12,5 g em 50 mL deágua), encontrado em lojas de ar-tigos de jardinagem e casasagropecuárias

• Lâmpada de 1,5 V (farolete pe-queno) com os pólos ligados afios

• 1 garrafa plástica descartável derefrigerante 2 L

• 1 placa de madeira ou isopor,com dois orifícios (3,5 cm de diâ-metro) separados por 1,5 cm (es-sa peça serve somente para su-porte)

• Fita adesiva• Elástico• Multímetro (opcional)

Pilha 2• 2 placas de cobre e 2 de zinco

(lixadas)• 4 tiras de feltro (tecido)• 2 tiras de papelão (usado em

confeitarias na embalagem debolos), todas as tiras medindo 10cm x 2 cm

• Sulfato de cobre (CuSO4.5H2O),1 mol/L (aproximadamente 6,2 gem 25 mL de água)

• Aproximadamente 100 mL desolução saturada de NaCl emágua (sal de cozinha)

• Fita adesiva• Lâmpada de 1,5 V com os pólos

ligados a fios

Detalhes experimentais

Pilha 1A compartimentalização da semi-

célula de cobre é feita na casca, que éuma membrana porosa e permite ofluxo de íons. Lave muito bem a mem-brana com águae detergente; cor-te a garrafa plás-tica a uma alturade 15 cm da base(formando um re-cipiente) e corte obocal, conectan-do uma das extre-midades da cas-ca a este, confor-me mostra a Fi-gura 1.

Apóie o bocal de garrafa (com amembrana) no suporte de madeira/iso-por. Adicione, pelo bocal, a solução deCuSO4. Introduza o conjunto no recipi-ente plástico contendo a solução deNaCl saturado. A seguir coloque a pla-ca de cobre na solução de sulfato decobre e a placa de zinco diretamentena solução de NaCl (use o outro orifíciodo suporte); conecte os fios da lâm-pada às placas metálicas com fita ade-siva, conforme mostrado na Figura 2.Observe o efeito.

Pilha 2Monte a pilha com a seguinte se-

qüência de empilhamento: placa decobre, feltro encharcado com a solu-ção de sulfato de cobre; papelão en-charcado com a solução de NaCl; fel-tro encharcado com a solução deNaCl; placa de zinco (Figura 3); conti-nua-se o empilhamento repetindo-sea mesma seqüência. Conecte os fiosda lâmpada às placas laterais (de co-bre e de zinco). Observe.

Membrana

Bocal dagarrafa

Transpassara membranapela boca

Elástico

Amarrar comfio de nailon

Inverter

Figura 1: Ilustração da seqüência de adaptação da casca (membra-na) ao bocal de garrafa.

CuSO

Suporte

Membranaporosa

Lâmpada

4

Zn0 Cu0

Sol. NaCl(sat)

Figura 2: Ilustração da pilha de Daniell mo-dificada

QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Experimentos de Pilhas N° 8, NOVEMBRO 1998

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Resultados e discussões

Pilha 1A tensão elétrica da pilha sem a

lâmpada, medida com voltímetro, re-sultou em aproximadamente 0,9 V.Apesar da baixa voltagem, a lâmpadaacende e mantêm-se acesa por maisde duas horas.

A corrente medida foi de aproxima-damente 190 mA, suficiente para acen-der a lâmpada, e é conseguida pelaalta concentração de eletrólito e a gran-de área de contato da membrana comas soluções. Fechado o circuito elé-trico, a principal migração iônica é ados íons Na+ em direção ao com-partimento do eletrodo de cobre (su-prindo a redução de íons Cu2+). Apresença dos íons Cl- do lado de forada casca de salsicha ajuda a contraba-lancear a formação de íons Zn2+. Alémdos íons Na+ que migram para dentro,íons sulfato migram para fora da mem-brana na direção do eletrodo de zincoe, dependendo do tempo de funciona-mento, os íons Zn2+ formados acabamatravessando a membrana na direçãodo eletrodo de cobre. Essas migraçõesfazem com que a eletroneutralidadeseja mantida nos compartimentos dosdois eletrodos. Por outro lado, nessapilha não podem ser evitados os pro-cessos de difusão de íons (provocadospelas diferenças de concentração), co-mo por exemplo a lenta saída de íonsCu2+ da casca ou a entrada de íons Cl-

.Em pilhas de Daniell montadas com

pontes salinas inadequadas (por

exemplo, com tubos em U de peque-no diâmetro), a eletroneutralidade noscompartimentos não consegue sermantida por muito tempo, o que leva auma polarização da pilha (excesso decargas negativas no compartimento doeletrodo de cobre e de cargas posi-tivas no lado do eletrodo de zinco) e,conseqüentemente, à redução da cor-rente para valores insuficientes paraacender a lâmpada.

Pilha 2A lâmpada acende com uma inten-

sidade razoavelmente grande e man-tém-se por aproximadamente 40 minu-tos. A corrente medida foi de 204 mAe a voltagem, 2,0 V. Dois problemasinterligados podem surgir nessa pilha:o primeiro ocorre quando os feltros nãoestão suficientemente carregados deíons Cu2+, caso em que a lâmpadaapagará em pouco tempo devido aodecréscimo de corrente, ocasionadopela diminuição de concentração des-ses íons. O segundo problema ocorrequando os feltros estão demasiada-mente encharcados, caso em que osíons Cu2+ podem difundir-se na direçãoda placa de zinco, levando à formaçãode cobre metálico nesta, modificandosua superfície e conseqüentementearruinando a pilha.

ConclusãoAs modificações sugeridas para as

duas pilhas permitem um fluxo razoá-vel de elétrons, suficiente para garantiro funcionamento de uma lâmpada debaixo consumo por tempo relativa-mente grande, e utilizam-se materiaisfacilmente encontrados no comércio.

A pilha 2 é mais fácil de manuseare a intensidade luminosa é maior quea da pilha 1, entretanto esta última per-mite um tempo de iluminação superior.

Os sistemas propostos permitemainda ao professor demonstrar a con-versão de energia química em energiaelétrica, mostrar a importância do prin-cípio da eletroneutralidade e aplicarconceitos teóricos no cotidiano dosalunos.

Questões propostas1. A tensão da pilha depende da

superfície de contato entre placa esolução? Sugere-se alterar a área de

Feltro com solução de NaCl

Feltro com solução de CuSO

Placa de Zinco

Papelão com solução de NaCl

Placa de Cobre

4

Figura 3: Ilustração de parte da pilha deempilhamento.

contato fazendo emergir/imergir par-cialmente as placas metálicas da pilha1 e medindo-se, durante esse proce-dimento, a tensão (lembre-se de medirsem a lâmpada).

2. Nas pilhas apresentadas, real-mente é a corrente o fator limitante pa-ra o acendimento da lâmpada? Suge-re-se emergir/imergir as placas metáli-cas da pilha 1 e observar a intensidadeluminosa.

3. Nas pilhas propostas, em vez desoluções contendo íons Zn2+ utiliza-ram-se soluções de NaCl. Tal fato geratensões ligeiramente diferentes de 1,1V. Por que os resultados qualitativossão os mesmos?

4. Na pilha 1, após uma hora de fun-cionamento e conhecendo-se a cor-rente gerada pela mesma, calcule: i) aquantidade de elétrons que circuloupela lâmpada e ii) a massa de cobredepositada no eletrodo de cobre. Com-pare com o valor experimental, deter-minando a massa da placa de cobreantes e depois do experimento.

SugestãoPara introduzir o conceito de pilha,

o professor pode efetuar um experi-mento simples, isto é, colocar uma pla-ca de zinco em contato com uma so-lução de íons cobre (será visível a redu-ção para cobre metálico na placa), ou

Referências bibliográficasBOFF, E.T.O, FRISON, M.D. Quí-

mica Nova na Escola. n. 3, p. 11-14,maio 1996.

DORIN, H, GABEL, D, DEMMIN,P. Chemistry: the study of matter. En-glewood Cliffs: Prentice Hall, 1988.p. 642-644.

FELTRE, R. Química (2o Grau).São Paulo: Moderna, 1988. v. 2, p.331-336.

FONSECA, M.R.M. Química inte-gral, 2o Grau. São Paulo: FTD, 1993.p. 535-537.

NEHMI, V.A. Química. São Paulo:Ática, 1993. v. 2, p. 208.

Para saber maisMAHAN, B.M., MYERS, R.J. Quí-

mica: um curso universitário. Tradu-ção da 4a. edição. São Paulo:Edgard Blucher, 1993.

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ainda, colocar um metal como o ferroem meio ácido (ocorrência de evolu-ção de hidrogênio). Os dois sistemasevidenciam um fluxo de elétrons es-pontâneo sem que a energia químicaseja aproveitada. Diante desse fato, umsistema, quando montado adequada-mente, pode ser utilizado para dispo-nibilizar energia química na produção

Experiências sobre solos

de trabalho elétrico.

AgradecimentosÀ Capes/PADCT, Subprograma

SPEC, pela construção do Laboratóriode Ensino de Química (LABENQ) daUEM. Ao Programa PET/Capes.Agradecimento especial ao prof. JulioCezar Foschini Lisbôa pelo apoio na

elaboração deste artigo.

Noboru Hioka, doutor em físico-química, é docentedo departamento de química da Universidade Estadualde Maringá (UEM). Florângela Maionchi, doutoraem físico-química, é docente do Departamento de Quí-mica da UEM. Danil Agar Rocha Rubio, doutoraem química orgânica, é docente do Departamento deQuímica da UEM. Patrícia Akemi Goto e OdairPastor Ferreira, acadêmicos do curso de químicada UEM, são bolsistas do grupo PET/Capes.

“Laboratório Aberto” - GEPEQ - IQ - USP

Este artigo propõe experimentos simples paraestudar a composição dos solos

Aformação do solo pela nature-za leva milhares de anos. Asrochas, expostas à ação do

sol, dos ventos, das chuvas, com opassar do tempo vão se fragmentandoe se transformando em outros materi-ais, como pedra, argila e areia. Damesma forma e ainda por ação de mi-croorganismos, restos de animais e ve-getais vão sofrendo decomposição,formando o húmus, ou seja, a matériaorgânica presente no solo.

Os solos são formados por quatrocomponentes principais: os minerais,a matéria orgânica, a água e o ar. Estãopresentes ainda muitos microrganis-mos importantes na preservação e nafertilidade do solo. O solo destinado àagricultura corresponde a uma cama-da de 20 a 40 cm de espessura. A pro-dutividade agrícola depende dascaracterística dessa camada, afetadapor fatores como temperatura, acidezou alcalinidade, facilidade de infiltraçãode água, estrutura e presença de mi-croorganismos.

Verificação da condutibilidadeelétrica dos solos

A água existente no solo dissolve osminerais solúveis e dessa maneira tor-na-os disponíveis para as plantas. Po-demos evidenciar a presença de mine-rais solúveis em água no solo mediantemedidas de condutibilidade elétrica.

Material• Água destilada• Amostra de solo (colete o solo em

um recipiente limpo e seco, evi-tando solo recém-fertilizado)

• 1 colher (de chá) de plástico• Sistema para aquecimento (lam-

parina ou bico de gás, tripé comtela refratária)

• 1 béquer de 100 mL• 1 sistema elétrico para medir a

condutibilidade (vide Figura 1)com lâmpadas de diferentes po-tências (lâmpada de neon, de 5e 25 W, por exemplo)

ProcedimentoColoque água no béquer até meta-

de de sua capacidade (cerca de 50mL) e, utilizando o sistema, meça acondutibilidade elétrica, introduzindoos fios desencapados do aparelho naágua. Meça novamente, desrosquean-do as lâmpadas uma a uma. Aqueçaa água até próximo à ebulição e meçaa condutibilidade da água aquecida.A seguir, adicione quatro colheres daamostra do solo e misture bem. Aque-ça por mais um ou dois minutos. Re-tire do fogo e teste a condutibilidadeda solução resultante. Casonenhuma das lâmpadas acenda,desrosqueie a de maior potênciae observe.

A solução resultante da mis-tura do solo com água apresentacondutibilidade elétrica maior quea da água destilada, como ficaevidenciado pelo acendimentodas lâmpadas. No caso da águadestilada, apenas a lâmpada deneônio se acende, enquanto no

caso do solo acende também, emborafracamente, uma lâmpada de 5 watts.A água destilada conduz fracamentea corrente elétrica porque, sendo ele-trólito fraco, a quantidade de íons émuito pequena.

Íons Fe3+ no soloPodemos também verificar a pre-

sença de compostos solúveis de ferrono solo. O elemento ferro é um micro-nutriente dos vegetais, estando relacio-nado à formação de clorofila.

Material

• Solução de ácido clorídrico 3 mol/L (cerca de 22 mL)

• Solução de tiocianato de potássioou de amônio 0,02 mol/L (pode-se usar ‘aspirina’ – veja as notas)

• Amostra de solo• 1 béquer de 100 mL• 1 erlenmeyer de 50 mL• 2 tubos de ensaio• 1 funil com suporte• 1 proveta de 25 mL (ou algum

utensílio doméstico como mama-deira, jarra graduada etc.)

• Papel-filtro (ou coador de papel)• 1 colher (de chá) de plástico• 1 bastão de vidro (ou outro mate-

rial que sirva para provocar agita-ção, como palito de madeira)

• 1 conta-gotas

Figura 1: Aparelho de condutibilidade.

QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Experimentos sobre Solos N° 8, NOVEMBRO 1998

fios desencapados

interruptor