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iências da Natureza
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LOG
GIIAS
Ficha de Estudo
85
Tema
Origem e evolução do Universo, do planeta e da vida
Tópico de estudo
Pilhas.
Entendendo a competência
Competência 7 – Apropriar-se de conhecimentos da química para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas.
Para melhor apropriar-se de conhecimentos de química, é preciso gostar de estudar química. Você, estudante,
precisa perceber que essa apropriação configura-se como um valioso instrumento para a efetiva formação de cientista. Comece desde já a “ver” a química que ocorre nas diversas situações do seu cotidiano. Não veja a química
como um conjunto de verdades fechadas e prontas e nem aceite os princípios, as leis, conceitos ou teorias como
cópia fiel da realidade. Seja curioso, observador e criativo para interpretar e avaliar um fenômeno e mais ainda
para planejar as devidas intervenções. Não tema em utilizar suas ideias intuitivas e se posicionar a respeito dos
fenômenos observados. Mas estude e procure se informar na literatura especializada e por meio da opinião de
seus professores.
Desvendando a habilidade
Habilidade 25 – Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas,
sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção.
Nesses últimos anos, vimos o aumento de aparelhos eletroeletrônicos portáteis. É comum ao andar pela rua ver muitas
pessoas com seus i-pods, telefones celulares e outros. Ao mesmo tempo aumentou a demanda por pilhas ou baterias
cada vez menores e mais leves. E, é lógico, existe um mercado para atender todas essas necessidades.
A construção de pilhas envolve uma tecnologia muito avançada. Para que possamos compreender o funcionamento
desses materiais é importante que saibamos caracterizá-los.
Utiliza-se metal como anodo de pilhas e baterias, porque são bons doadores de elétrons, mas qual o melhor metal? Qual
material fornece melhor custo-benefício? E como proceder no momento do descarte? O material utilizado é tóxico ou
poluente? Quais as implicações disso tudo?
Esta habilidade pretende responder a maioria dessas perguntas.
Situações-problema e conceitos básicos
Vivemos num mundo tecnológico e convivemos com uma parafernália de aparelhos de todos os tipos. Os aparelhos eletroeletrônicos portáteis utilizam como fonte de energia pilhas e baterias.
Pare um pouco e pense na quantidade de aparelhos que você usa e que necessitam de pilhas ou baterias. Com
certeza são muitos.
Você sabe com o funciona uma pilha? É provável que você responda algo do tipo: Quando os eletrodos são
conectados a um aparelho elétrico uma corrente flui através de um circuito.
Se isso ocorreu saiba que você está certo. Se não conseguiu responder, vamos entender o funcionamento de
uma pilha.
Uma pilha é constituída de dois eletrodos. Para que ela funcione, é necessário que o material de um dos eletrodos
oxide-se espontaneamente liberando elétrons (anodo ou eletrodo negativo), enquanto o material do outro eletrodo
reduza-se usando esses elétrons (catodo ou eletrodo positivo).
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Há dois processos significativos ocorrendo: oxidação e redução. Então responda:
O que é oxidar?
O que é reduzir?
Para que fiquem mais claros esses fenômenos, vamos construir uma pilha.
Primeiramente necessitamos de um material, um metal, que libere elétrons espontaneamente. Vamos considerar
o zinco, Zn.
Quando um metal perde elétrons, transforma-se num íon de carga positiva que pode ser representado da seguinte maneira. Zn(s) Zn+2(aq) + 2 e-.
Para que ocorra um fluxo de elétrons é necessário que outra espécie use esses elétrons. Vamos considerar para
essa situação que essa espécie que vai receber os elétrons seja o Cu2+(aq). Assim: Cu2+(aq) + 2e- Cu(s).
Vejamos um esquema de uma pilha aquosa, a pilha de Daniell.
Amperímetro
A
Ânodo de Zn
Cátodo de Cu
Ponte salina
s
2
Cu2+
Zn2+
2
2+
2 Cu
Cu2+
2+
2
Cu2+ Cu
Cu2+
Cu2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+ Zn2+ 2+
Zn
2+
Zn
Zno
Zn2+ + 2e–
Cu2+ + 2e–
Cuo
No anodo, a placa de Zn oxida, perde elétrons, e vai para a solução aquosa na forma de Zn2+(aq). Os elétrons então
passam através do circuito externo (fio condutor) até a placa de Cu onde ocorre a redução: Cu2+(aq) + 2e- Cu(s).
Qual seria o polo negativo? Justifique.
Qual seria o polo positivo? Justifique.
Mas há um elemento na pilha que é muito importante: a ponte salina. Para que ele serve?
Vamos pensar um pouco sobre o que ocorre no eletrodo de Zn(s). À medida que a pilha funciona, o Zn se torna
Zn2+ e vai para a solução. Isso significa que a solução, antes eletricamente neutra (não se esqueça que foram representados apenas os cátions no esquema), torna-se positiva por causa dos cátions de zinco.
Fenômeno contrário ocorre na solução de Cu2+ que, antes eletricamente neutra, começa a ficar negativa, por
causa dos íons positivos que deixam a solução após sofrer redução e se tornam metálicos.
Se isso ocorrer, a pilha não irá funcionar. É necessário que se mantenha a eletroneutralidade das soluções.
É aí que entra a ponte salina. Nesse caso, a ponte salina é um tubo em U que contém outra solução salina (eletrólito). Ela tem a função de repor para solução de zinco, íons negativos e para a solução de cobre íons positivos,
mantendo assim a neutralidade das soluções.
Pronto temos uma pilha pronta para funcionar. De uma maneira geral todas as pilhas funcionam sob o mesmo
princípio. Existe no anodo uma espécie que cederá elétrons e outra espécie, no catodo, que receberá esses elétrons.
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Vejamos uma pilha seca, dessas que são usadas em aparelhos domésticos.
(+)
Cátodo
Cobertura de aço
Camada isolante
de areia
Lacre de cera
Bastão de grafite
NH4C
ZnC 2
MnO2
(pasta)
Separação porosa
Folha de zinco
Envoltório externo
(–)
Ânodo
Fonte: http://2.bp.blogspot.com/-ndj-MuXKfdA/Tb3K0T3i4pI/AAAAAAAAAAw/3UlqvssW1nE/s1600/vcsabia_pilha.jpg
Nessa pilha o anodo é o zinco metálico, o catodo é um bastão de grafite rodeado por uma mistura de dióxido de
manganês e um eletrólito formado pela mistura de cloreto de amônio e cloreto de zinco.
As reações que ocorrem durante o funcionamento da pilha são complexas, mas resumidamente podemos representá-las da seguinte maneira.
Anodo: Zn(s)
Zn+2(aq) + 2 e-
Catodo: 2MnO2 + H3O+ + 2e-
Mn2O3 + 2H2O
Essa pilha oferece um custo benefício muito bom além de ser barata. Mas apresenta alguns problemas que você
já deve conhecer.
Vamos a eles:
Depois de um certo tempo de uso contínuo da pilha, há formação de gases hidrogênio e amônia que impedem o
fluxo de elétrons, fazendo com que a corrente caia. Então a pilha para de funcionar. Se retirarmos a pilha do aparelho, após um certo tempo ela volta a funcionar.
É lógico que a pilha não recarregou. Simplesmente as bolhas de gases formados são desfeitas. É daí que surgiu a
crença que, se deixarmos esse tipo de pilha na geladeira, elas voltam a se recarregar. Não é nada disso, agora você já sabe.
Outro problema muito comum é que essas pilhas vazam. A explicação para isso está no fato de que essas pilhas
são ácidas, e ácidos atacam metais. Então ela pode vazar por dois motivos: pelo ataque ácido ou pela pressão dos
gases formados a ponto de romper o invólucro da pilha. O grande “problema” dessas pilhas é o fato de ter um eletrólito ácido. Se trocarmos esse eletrólito por um básico esses problemas desaparecem.
Já ouviu falar em pilhas alcalinas? Nessas pilhas o princípio continua o mesmo, apenas o eletrólito é alcalino.
Além disso, o recipiente externo é feito de aço para garantir melhor vedação e prevenir o risco de vazamento.
Polo positivo
+
Eletrólito
(NaOH)
Recipiente em aço
Coletor de
corrente
Catodo
(dióxido de
manganês)
Anodo
(zinco em pó)
Separador
Tubo isolante
(polietileno)
–
Polo negativo
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E por que não podemos jogar essas pilhas no lixo comum?
Em muitos casos o material utilizado no anodo é uma liga de zinco com cádmio, chumbo ou mercúrio que são
metais pesados.
Então, da próxima vez que for descartar essas pilhas por favor faça-o em um local adequado. Muitas lojas e
agências bancárias aceitam esse material para descartá-lo adequadamente.
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