metais e ligas matÁlicas -...

A P I L H A D E D A N I E L LP I L H A S

P O T E N C I A L N O R M A L D E R E D U Ç Ã O

METAIS E LIGAS MATÁLICAS

A PILHA DE DANIELL

TEMPO

Com base nas observações, expliquem o que aconteceu nesta experiência.

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Dulce Campos

PILHA DE DANIELL

Reacção de deslocamento que é também Redox

Equação simplificada

Da qual resulta a equação iónica

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PILHA DE DANIELL

Somando as semi-reações voltamos à equação inicial

Quanto à espontaneidade?

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PILHA DE DANIELL

Zn ceder electrões ao Cu através de um circuito externo temos a PILHA DE DANIELL

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“Parede” porcelana porosa: permite fechar o circuito

- electrões circulam através fio externo

- iões circulam através das soluções

PILHA DE DANIELL

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PILHA DE DANIELL

Observamos que:• a chapa de Zn foi corroída•A solução CuSO4 ficou mais diluída (menos azul)•A massa do eléctrodo de Cu aumentou

Inferimos que:• a solução de ZnSO4 ficou mais concentrada

Tudo isto é traduzido pela equação

Representa a reação global de funcionamento da pilha

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PILHA DE DANIELL

Até quando irá funcionar a pilha?

Até se acabar um dos reagentes

Mas, verifica-se que com o passar do tempo a voltagem da pilha vai diminuindo – Facto. Explicação-?

Explicação – a reação é reversível

Quando a reação atingir o equilíbrio a voltagem será nula e a pilha deixa de funcionar

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PILHA DE DANIELL

A grandeza física que está relacionada com onúmero de cargas eléctricas que passam numcircuito é …

Grandeza física

Unidade SI

Aparelho de medida

Nome Intensidade da corrente

Símbolo

Intensidade da corrente

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PILHA DE DANIELL

A grandeza física que está relacionada com aenergia fornecida às cargas eléctricas é …

Grandeza física

Unidade SI

Aparelho de medida

Nome diferença de potencial

Símbolo

Diferença de potencial

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PILHA DE DANIELL

Representação esquemática da pilha de DANIELL

Devem ser indicados os metais que formam os eléctrodos, as soluções com respectivas concentrações e a temperatura de funcionamento da pilha

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PILHA DE DANIELL

Pilha de DANIELL – Outras montagens

Pilha ou célula electroquímica é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica, por meio de

uma reação redox, com o oxidante e o redutor fisicamente separados de modo a que o redutor transfira eletrões ao

oxidante através de um circuito externo

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A FORÇA ELETROMOTRIZ (FEM) DAS PILHAS

Como explica a Física a queda espontânea da água

numa cascata?

•A água cai de um nível de maior energia para outro de menor energia (energia potencial).

•Quanto maior a massa de água e maior a altura da queda, maior será a energia libertada pela água que pode ser por exemplo transformada em energia eléctrica numa central hidroeléctrica.

Uma analogia

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Facto idêntico ocorre nas pilhas.

Dependendo dos materiais (metais eeletrólitos) que a constituem ela irá“despejar” maior ou menor quantidade deeletrões, com mais ou menos energia,através do circuito externo.

• a quantidade de eletricidade (quantidade, número, de eletrões) que passampor um ponto do fio, na unidade de tempo (por ex. um segundo) denomina-se de intensidade da corrente elétrica;

• a energia que cada carga transporta (altura da queda de água) chama-se dediferença de potencial (ddp), ou, mais especificamente, forçaeletromotriz (fem) da pilha. (medida entre os pólos quando não hápassagem de corrente pelo circuito)

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A reação química que ocorre numa pilha é umareação redox como outra qualquer.

Será de esperar que a fem de uma pilha dependa:1. da natureza dos metais que formam a pilha2. das concentrações das soluções empregadas3. da temperatura de funcionamento da pilha

É importante o conhecimento da fem na utilização diária das pilhas. Uma pilha comum fornece 1,5V.

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A natureza dos metais que formam a pilha

Factor mais importante. Porquê?

Linguagem vulgar podemos dizer que o ânodo (negativo) “empurra” oseletrões para o circuito externo, enquanto o cátodo (positivo) “puxa” oseletrões do circuito externo.

Quanto maior a tendência do ânodo em “soltar” eletrões e maior atendência do cátodo em “puxar”/”capturar” os eletrões, tanto maior será ad.d.p .exibida pela pilha


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As concentrações das soluções empregadas

Princípio de Chatelier, um aumento da concentração de CuSO4favorece o deslocamento do equilíbrio em sentido direto aumentando a femda pilha.

Um aumento da concentração de ZnSO4 favorece o deslocamento doequilíbrio em sentido indireto, contrariando o funcionamento da pilhae diminuindo a sua fem.

Por esse motivo, foi escolhido arbitrariamente a concentração de1mol/dm3, para ser a concentração normal ou padrão de qualquermeia célula


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A temperatura de funcionamento da pilha

A temperatura influencia os estados de equilibrio e avelocidade da grande maioria das reações químicas

Foi escolhida arbitrariamente a temperatura de 25ºC comotemperatura normal ou padrão de qualquer meia célula

ELECTRODO PADRÃO DE HIDROGÉNIO

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É possível medir valores absolutos de altitudes, potenciais elétricos,energias potenciais, etc,;

Isso obriga-nos a fazer medidas em relação a um padrão arbitrário, porex., o nível do mar, considerado como altitude zero.

Analogamente, é impossível medir o potencial absoluto de umeletrodo metálico.

Adota-se um padrão (definido arbitrariamente) e atribui-se a essepadrão um determinado valor (também de modo arbitrário).

No caso das medidas eletroquímicas , o padrão escolhido foi o eletrodo-padrão (ou eletrodo normal) de hidrogénio.


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Por quê o de hidrogénio?

Porque o ião H+ é o catião mais comum em soluções aquosas

Como se faz?

• Utiliza-se uma placa esponjosa de platina, que tem a propriedade de reter o gás hidrogénio;

• Forma-se uma película de H2 sobre a platina e por isso podemos dizer que o eletrodo é realmente de hidrogénio, funcionando a platina como suporte inerte.


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Reação de eletrodo

Convencionou-se, arbitrariamente, que o potencial deste eletrodo (Eº) é zero


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Estabelecidas essas condições, todos os metais serão confrontados comesse eletrodo-padrão. Considerando, por exemplo, o zinco


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Potencial normal ou potencial-padrãoou potencial de meia-célula oupotencial de oxidação-redução do zinco– Eº

Neste caso o zinco funciona como pólo negativo (ânodo), e o hidrogénio, comopólo positivo (cátodo).

Trocando o metal, a situação poderá inverter-se: dependendo do metal, ohidrogénio pode ceder ou receber eletrões, funcionando ora como pólonegativo, ora como pólo positivo.

POTENCIAIS PADRÃO DE ELECTRODO

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CÁLCULO DA FEM DAS PILHAS

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É consequência imediata da tabela dos potenciais-padrão de eletrodo

1º Exemplo – cálculo da fem da pilha de Daniell em condições padrão

Na tabela temos:


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Conclusão

Na tabela, todo o elemento ou substância que está maisacima funciona como redutor em relação ao elemento ousubstância que está mais abaixo (que funciona comooxidante).

A fem (∆Eº) de uma pilha, em condições padrão é a diferença entre o Eº do oxidante (cátodo) e o Eº do redutor (ânodo).

∆Eº = Eº oxidante – Eº redutor

Se ∆Eº >0 indica que o funcionamento da pilha é espontâneo no sentido considerado


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Exercício

AS PILHAS NO QUOTIDIANO

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Acumulador ou bateria de automóvel ou bateria de chumbo

Inventado pelo francês Gaston Planté em 1860 é uma associação(daí o nome bateria) de pilhas (ou elementos) ligadas em série.


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A bateria de 12 volts usada nos automóveis é formada por seiscompartimentos (que podem ser reconhecidos pelas seis tampinhas poronde se repõe água). Cada compartimento é uma pilha (ou elemento) eproduz uma fem de 2 volts (a ligação dos seis elementos em série produz,portanto, 6 . 2 volts : 12 volts). Cada pilha ou elemento obedece aoseguinte esquema:


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Durante a descarga (uso) ocorrem as reações:

Observe as reações que ocorrem durante a descarga da bateria e explique oporquê de se poder utilizar um densímetro para testar a carga da bateria.


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Vantagens:• Produzem corrente elétrica

elevada em pequenos intervalos de tempo;

• São recarregáveis

Desvantagens:• Peso elevado vs energia total

que produzem;

• Contém ác. Sulfurico que produz vapores tóxicos e corrosivos;

• Oferece risco de eventual vazamento.


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Pilha de Leclanché

Pilha seca comum, foi inventada por George Lecclanché em 1865.


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• O pólo negativo é o zinco, que constitui o próprio corpo interno da pilha.

• O pólo positivo é o MnO2 em pó, que está presente na pasta interna da pilha.Essa pasta tem caráter ácido, devido à presença do NH4Cl.

• A barra de grafite funciona como pólo positivo apenas na condução decorrente elétrica.


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As reações são complicadas e não totalmente esclarecidas

Estas pilhas não funcionam totalmente a seco; no seu interior as pastassão húmidas, o que dificulta a migração dos iões. Por isso, sóobteremos delas um rendimento máximo intercalando períodos de usoe de repouso.

Além disso, considerando que as reações são muito complexas e que amigração dos iões através da pasta é muito lenta, concluímosfacilmente que estas pilhas não podem ser recarregadas como abateria de um automóvel.


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Pilhas alcalinas

Baseiam-se no mesmo esquema e, praticamente, nas mesmas reações das pilhassecas comuns, apenas é trocado o eletrólito NH4Cl(que é ácido) pelo KOH (queé alcalino) – daí o nome. de pilhas alcalinas


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Pilhas alcalinas

Comparando-as com as pilhas secas comuns:

• Também não são recarregáveis

• Maior durabilidade - mantêm a voltagem constante pormais tempo e produzem cerca de 50% a mais de energia,porque o KOH é melhor condutor eletrolítico e por isso aresistência interna dessa pilha é menor

• Dispõem de medidor de carga -pressiona-se com os dedosdois pontos indicados no corpo da pilha; com isso, uma tirametálica, que está sob o rótulo da pilha, encosta nos pólos da pilha;a corrente elétrica gerada aquece a tira metálica; com o calor, umcorante situado no rótulo muda de cor, mostrando, desse modo,a situação da carga da pilha.


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Pilhas mercúrio


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Pilhas mercúrio

• Não são recarregáveis

• Grande durabilidade

• Debitam voltagem 1,35V, que se mantém constante pormuito tempo

• Tamanho diminuto

Pilha semelhante é a de Zn-Ag que emprega Ag2O em lugar de HgO


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Pilhas níquel-cádmio

• Debitam 1,4 V constante até àdescarga;

• Demoram mais tempo a descarregar;

• Podem ser recarregadas até cerca de4000 vezes

• Muito mais caras do que as pilhas dechumbo


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Pilha de lítio ou lítio-iodo

Revolucionou a história do marca passo cardíaco

Pilha de lítioMarca passo

Titânio; (58 x 48 x 8 mm); 50gContém sistema eletrónico gerador de impulsos

elétricos de frequência fixa ou programável


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Pilha de lítio ou lítio-iodo

• O primeiro marca-passo da história da medicina foi implantado em 1958. No início, o grande problema residia nas pilhas que alimentam o aparelho - se elas falham, a vida do paciente corre perigo.

• Em 1967, a Catalyst Research Corporation, nos Estados Unidos, iniciou aspesquisas, que culminaram com a fabricação das pilhas de lítio-iodo

• Funciona com base na reação 2Li + I2 2 Lil e obedece ao esquema

Fornece uma voltagem de 2,8 V e não pesamais que 20 g

Vantagens são :• a não-emissão de gases (o que permite fechá-la hermeticamente) e,

• o que é mais importante, uma duração de 5 a 8 anos, evitando assim que o paciente seja obrigado a frequentes cirurgias para trocar o marca-passo


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Pilhas de combustão são dispositivos de conversão contínuade energia química em energia elétrica.

Pilhas descritas anteriormente são dispositivos que armazenamenergia elétrica

Pilha de combustível

A queima dos combustíveis produz energia; por exemplo

Esse calor (energia) pode ser usado numa central termoelétrica paraproduzir eletricidade, quando se obtém um rendimento da ordem de 40 %


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Pilha de combustível

• As combustões são reações de oxi-redução,

• A idéia das pilhas de combustão é obter a energia liberada pelacombustão já diretamente na forma de energia elétrica, o que eleva orendimento para cerca de 55%

Usadas nas naves espaciais ex.Gemini, Apolo.

Funcionam pela reação de combustão entre o hidrogénio e o oxigénio, produzindo água.


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Grande vantagem • funcionamento contínuo e a produção apenas de água, que não polui o

meio ambiente• mais leve do que, por exemplo, as baterias de chumbo

Desvantagem•Custo


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