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Tudo sobre Pilhas

O que é uma pilha?

Produção de corrente elétrica, de forma espontânea, a partir de dois metais diferentes em um meio ácido ou eletrolítico. Transformação de energia química em energia elétrica.
Um metal sempre irá se oxidar, perder elétrons, corroer (agente redutor), e o outro sempre irá reduzir, ganhar elétrons (agente oxidante).
Em uma pilha sempre há os eletrodos, que é o sistema formado por um metal e a solução eletrolítica vizinha; o eletrodo é uma região.
O eletrodo onde ocorre a oxidação é denominado Ânodo, e é o pólo negativo da pilha, por onde os elétrons saem.
O eletrodo onde ocorre a redução é denominado Cátodo, e é pólo positivo da pilha, por onde os elétrons chegam.


Como foi descoberta a pilha

Alessandro Volta, que iniciou o estudo moderno da eletricidade, foi professor da Universidade de Pávia, na Itália. Recebeu o título de conde, conferido por Napoleão Bonaprte. A invensão da pilha por Volta originou-se de uma observação do biólogo italiano Luigi Galvani, professor de anatomia da universidade de Bolonha.
Certa ocasião, Galvani pendurou pernas de rã, através de ganchos de cobre, a um suporte de ferro, com a finalidade de secá-las. Devido à brisa, as pernas balançavam, e Galvani notou que, cada vez que as pernas tocavam no suporte de ferro, elas contraíam. Ele atribuiu as contrações a uma corrente elétrica produzida pela rã.


FIGURA 1. Experimento de Galvani.

Alessandro Volta não concordou com Galvani, explicando que a corrente elétrica era originada pela existência de dois metais diferentes em contato com substâncias ácidas existentes no corpo da rã. Para demonstrar a sua teoria, construiu a primeira pilha elétrica.

A pilha original inventada por Alessandro Volta tinha a seguinte disposição: um disco de cobre, sobre ele um disco de pano embebido em ácido sulfúrico diluído em água e um disco de zinco; sobre este, outro disco e assim por diante, formando um conjunto de discos empilhados uns sobre os outros. Assim o nome pilha elétrica. Aos discos extremos ligam-se fios condutores, que são os terminais da pilha.

Tipos de Pilha

• Pilhas não recarregáveis

• Pilha Seca

A pilha foi desenvolvida por Leclanché por volta de 1865 e aperfeiçoada por Gassner em 1866.

A reação química neste tipo de pilha é irreversível. Uma vez que todos os reagentes foram transformados, a pilha cessa o seu funcionamento.

A pilha é formada por um invólucro de zinco, que funciona como o ânodo da pilha. O cátodo é constituído por uma barra cilíndrica central de grafite mergulhado numa pasta úmida contendo MNO2, NH4Cl e carvão em pó. As reações que ocorrem na descarga são complexas e ainda não totalmente esclarecidas. Provavelmente essas reações são:


FIGURA 2. Esquema da pilha seca

Quando deixamos uma pilha dentro de um aparelho, pode ocorrer a corrosão do invólucro de zinco, acarretando o vazamento da pasta úmida (eletrólito) e prejudicando o aparelho.

Quando se utiliza continuamente uma pilha, a amônia (NH3) formada na semi-reação do cátodo envolve o bastão de grafite, dificultando a descarga e, com isto, acarretando uma diminuição da voltagem. Retirando essa pilha do aparelho, após um certo tempo ela irá funcionar relativamente bem de novo, pois os íons Zn2+ removem o NH3:

Se colocarmos a pilha na geladeira, vai evitar de formarem os gases em torno do eletrodo de carvão, fazendo com que a pilha dure mais, pois desde que compramos a pilha, ela já está usada, porque a reação não pára. Assim com a diminuição da temperatura, há uma diminuição na velocidade da reação.

• Pilha Alcalina

Este tipo de pilha é semelhante à de Leclanché. A diferença é que a sua mistura eletrolítica contém hidróxido de potássio, uma base fortemente alcalina, que substitui o NH4Cl das pilhas comuns (seca).
A reação global é:

Não há produção de gás, sendo então mais durável que a pilha seca. Também não é recarregável.

• Pilha de Mercúrio

As pilhas de mercúrio são muito utilizadas em relógios, câmaras fotográficas, aparelhos para melhorar a audição, calculadoras, etc..
A reação global da pilha é:

• Pilhas de Lítio

As pilhas de lítio são leves e originam uma grande voltagem (3,4 volts), sendo muito usadas em marcapassos.

O ânodo dessa pilha é o lítio, enquanto o cátodo é uma mistura complexa de substâncias, entre elas o cloreto de sulfurila (SOCl2).
A reação global da pilha é:

• Pilhas recarregáveis

• Bateria de níquel-cádmio

Muito utilizado em filmadoras, flashes, aparelhos eletrônicos, portáteis, telefones, etc..
O ânodo da bateria de níquel-cádmio é feita do metal cádmio (Cd); o cátodo contém óxido de níquel IV (NiO2) e a solução eletrolítica é hidróxido de potássio. A reação global dessa bateria durante a sua descarga é:

Como os hidróxidos de Ni e Cd são insolúveis, eles acabam se depositando nos eletrodos. Quando isso ocorre, a bateria pára de funcionar, mas, se fornecermos energia elétrica de um fonte externa, a reação ocorre no sentido oposto, regenerando o Cd e o NiO2. Assim, a bateria funciona novamente.

• Pilhas de combustível

Esta pilha é recarregável. Isto ocorre porque os produtos da reação são depositados diretamente nos eletrodos. A passagem de corrente elétrica por uma pilha de combustível pode reverter as reações no eletrodo e levar a pilha à sua condição original.
A pilha mais conhecida deste tipo é a pilha combustível de chumbo. A bateria de 12 V usada nos automóveis apresenta duas vantagens: sua capacidade de fornecer grandes quantidades de energia durante um período curto e a sua capacidade de ser recarregada. Uma desvantagem é a sua grande razão massa energia.

O ânodo da pilha é formado por um grupo de placas de chumbo, cujas grades são preenchidas com chumbo cinza esponjoso. O cátodo consiste em outro grupo de placas de tamanho semelhante cheias com óxido de chumbo IV, PbO2. Estes dois conjuntos de placas alternam-se na bateria. Eles estão imersos em uma solução aquosa de ácido sulfúrico, que atua como eletrólito.
Quando a pilha está fornecendo corrente, o chumbo na tela do ânodo é oxidado a íons Pb2+. Estes imediatamente reagem com íons SO4- no eletrólito, precipitando PbSO2 nas placas. No cátodo, dióxido de chumbo é reduzido a íons Pb2+, que também precipitam como PbSO4-:

Lentamente acumulam-se depósitos de chumbo nas placas, cobrindo e substituindo parcialmente o chumbo e o dióxido de chumbo. À medida que a pilha descarrega, a concentração de ácido sulfúrico diminui. Para cada mol de chumbo que reage, dois moles de H2SO4 são substituídos por dois moles de água. A carga de uma bateria de combustível pode ser checada medindo-se a densidade do eletrólito. Quando está a plena carga, a densidade está na faixa de 1,25 a 1,30 g/cm3. Densidade abaixo de 120 g/cm3 indica baixa concentração de ácido sulfúrico e, portanto, uma bateria parcialmente descarregada.


FIGURA 3. A bateria do carro.

Para recarregar a pilha é necessário passar uma corrente contínua na direção oposta, assim ela atua como uma célula eletrolítica (ocorre um eletrólise).
A energia elétrica necessária para levar a efeito esta reação não-espontânea em um automóvel é fornecida por um alternador equipado com um retificador que converte corrente alternada em corrente contínua.

Corrosão

"A corrosão é a transformação de um material pela sua interação química ou eletroquímica com meio em que se encontra".

Geralmente quando se fala em corrosão a primeira coisa que pensamos é em um pedaço de ferro enferrujado. De fato, este é um exemplo clássico de corrosão, mas não podemos nos limitar apenas a isto.
A corrosão pode ser classificada em dois tipos:

Uniforme: o ataque é homogêneo na superfície atingida.
Localizada: estabelece-se preferencialmente em alguns pontos e tem subdivisões.

• Pites
• Alvéolos
• Placas
• Intergranular (micrografia)
• Intragranular (micrografia)
• Seletiva: Grafitização
Dezincificação
Em torno de solda
• Esfoliação
• Frestas
• Correntes de fuga

Sempre quando há corrosão é porque formou uma pilha.
Como já vimos muitos pilhas são viáveis, mas outras não, pois podem danificar materiais, superfícies.

Para se proteger da corrosão existem alguns métodos:

• Inibidores
• Modificação de processo
• Modificação das propriedades dos metais
• Modificação de projetos
• Emprego de revestimentos protetores metálicos
• Proteção catódica (É o único método capaz de reduzir a corrosão a zero. Princípio: transformar a superfície de interesse em cátodo de um pilha)
• Proteção anódica

Estes serão melhor estudados no tópico eletrólise.

Um método comumente utilizado é o uso do "metal de sacrifício", que consiste um revestir o metal por um outro metal que tenha tendência maior em oxidar, assim ele oxida primeiro que o outro, protegendo-o.

O aço inoxidável

Objetos de inox são preferidos porque "não oxidam". O segredo deste material é que na verdade ele já está oxidado. Sua superfície é revestida por um óxido de cromo. A composição do aço inoxidável é também bastante resistente à corrosão: liga de ferro que contém de 12 a 30% de cromo e 22% de níquel em massa.
Esses materiais também oxidam, mas são mais resistentes e se degradam em uma velocidade bem menor. Nenhum material conhecido é totalmente imune à corrosão.


Referências bibliográficas

FERRARO, Nicolau Gilberto. Eletricidade: história e aplicações. 10ª ed. São Paulo: Editora Moderna, 1986.p. 31-35.

PERUZZO, Tito Miragaia; CANTO, Eduardo Leite do. Química na abordagem do cotidiano. São Paulo: Moderna, 1993. v 2 p. 116-77.

GENTIL, Vicente. Corrosão.2ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1983, 453 p.