As pilhas em nosso cotidiano.

Qualquer reação de oxi-redução serve para construir uma pilha eletroquímica. Até o final do século XIX, tinham sido inventados cerca de cem tipos de pilhas diferentes. A tendência foi a de se construírem pilhas de utilização cada vez mais prática, sem a presença de soluções líquidas que poderiam vazar, sem pontes salinas ou membranas porosas, que complicavam a construção da pilha.

1.      Acumulador ou bateria de automóvel ou bateria de chumbo

O acumulador foi inventado pelo francês Gaston Planté em 1860. É uma associação de pilhas ligadas em série.

A bateria de 12 volts usada nos automóveis, por exemplo, é formada por seis compartimentos (que podem ser reconhecidos pelas seis tampinhas por onde se repõe água). Cada compartimento é uma pilha (ou elemento) e produz uma fem de 2 volts (a ligação dos seis elementos em série produz, portanto, 6 " 2 volts % 12 volts). Associações com maior número de elementos dão voltagens maiores e são usadas em tratores, aviões e em instalações fixas, como centrais telefônicas, aparelhos de PABX, etc.

Durante o uso da bateria, como acontece quando damos partida no motor do automóvel, ocorrem as seguintes reações:

No anodo: polo – {Pb + SO^2-₄ à PbSO4  2e^-

No catodo: polo positivo + {PbO₂  + SO₄^-2 + 4 H⁺ + 2e^- à PbSO₄ + 2 H₂O

Reação global: { Pb + PbO₂  + 2 H₂SO₄  à 2PbSO₄  + 2 H₂O

O H2SO4 vai sendo consumido, o que causa a diminuição da densidade da solução.

Por outro lado, para carregar a bateria, deve-se ligá-la a um gerador de corrente contínua que movimente a corrente elétrica em sentido contrário ao do seu funcionamento normal; com isso, todas as reações acima serão invertidas.

Vantagens das baterias:

•       Produzem corrente elétrica elevada em tempo curto, como é necessário para dar partida no motor do carro;
•     São recarregáveis.

Desvantagens das baterias:

•          Têm peso elevado, em comparação com a energia total que produzem;
•           Contêm uma solução de ácido sulfúrico, que produz vapores tóxicos e corrosivos e oferece o risco de um eventual vazamento.

2.      Pilha de Leclanché.

A pilha seca comum, que usamos atualmente, foi inventada por George Leclanché em 1865. Pilhas desse tipo dão voltagem de 1,5 V, são relativamente baratas e, por isso, são muito usadas em lanternas, aparelhos de som portáteis, brinquedos, etc.

O polo negativo é o zinco, que constitui o próprio corpo interno da pilha. O polo 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 polo positivo apenas na condução de corrente elétrica. As reações são complicadas e não totalmente esclarecidas. Em linhas gerais, ocorre o seguinte:

                                     

No anodo: polo – {Zn  à Zn²⁺ + 2e^-

No catodo: polo positivo + {2MnO₂  + 2 NH₄⁺  + 2e^- à Mn₂O₃  + 2NH₃  + H₂O

Reação global: {Zn + 2MnO₂ + 2 NH₄⁺ à Zn²⁺ + Mn₂O₃ + 2 NH₃ +H₂O

Na verdade, essas pilhas não funcionam totalmente a seco; no seu interior as pastas são úmidas, o que dificulta a migração dos íons. Por isso, só obteremos delas um rendimento máximo intercalando períodos de uso e de repouso. Além disso, considerando que suas reações são muito complexas e que a migração dos íons através da pasta é muito lenta, concluímos facilmente que essas pilhas não podem ser recarregadas como a bateria de um automóvel.

33.      Pilhas alcalinas

As pilhas alcalinas baseiam-se no mesmo esquema e, praticamente, nas mesmas reações das pilhas secas comuns, apenas sendo trocado o eletrólito NH4Cl (que é ácido) pelo KOH (que é alcalino) — daí o nome de pilhas alcalinas. As pilhas alcalinas dão voltagem de 1,5 V, e também não são recarregáveis. Comparando-as com as pilhas secas comuns, as pilhas alcalinas duram mais, mantêm a voltagem constante por mais tempo e produzem cerca de 50% a mais de energia, porque o KOH é melhor condutor eletrolítico e por isso a resistência interna dessa pilha é menor.

Em linhas gerais, suas reações são:

No anodo: polo – {Zn + 2OH à Zn(OH)₂ + 2e^-

No catodo: polo positivo + {2MnO₂  + 2 H₂O + 2e^-                à Mn₂O₃  + 2OH

Reação global: {Zn + 2MnO₂ + H₂O            à Zn(OH)₂ + Mn₂O₃

4.      Pilhas de Mercúrio

As pilhas de mercúrio não são recarregáveis; têm vida longa, boa capacidade de armazenar energia e apresentam voltagem de 1,35 V, que se mantém constante por longo tempo. São, em geral, construídas em tamanho diminuto e, por isso, são empregadas em aparelhos pequenos, como calculadoras portáteis, aparelhos de surdez, relógios de pulso, etc.

A pilha de mercúrio baseia-se nas seguintes reações, em meio alcalino (KOH):

No anodo: polo - { Zn  + 2OH^- àZn(OH)₂ + 2e^-

No catodo: polo + { HgO + H₂O + 2e^- à Hg + 2OH^-

Reação global: { Zn + HgO+ H₂O à Zn(OH)₂ + Hg

5.      Pilha de níquel-cádmio.

A pilha de níquel-cádmio é baseada nas seguintes reações em meio alcalino (KOH):

No anodo: pólo - { Cd + 2 OH^- à Cd(OH)₂  + 2e^-

No catodo: pólo + { 2 NiO(OH) + 2 H₂O + 2e^-à 2 Ni(OH)₂  + 2OH^-

Reação global: { Cd + 2 NiO(OH) + 2 H₂O àCd(OH)₂ + 2 Ni(OH)₂

Essas pilhas dão voltagem de 1,4 V, que se mantém constante até a descarga e, quando fora de uso, demoram mais tempo para se descarregarem. A grande vantagem é que elas podem ser recarregadas até 4.000 vezes, sendo, por isso,

empregadas em aparelhos elétricos sem fio, como câmeras de vídeo, barbeadores elétricos, telefones sem fio, ferramentas portáteis e em alguns modelos de telefones celulares. A desvantagem é que são muito mais caras do que as baterias de chumbo.

6.      Pilha de lítio ou pilha de lítio-iodo

A pilha de lítio-iodo revolucionou a história do marca-passo cardíaco. No coração existe o chamado nódulo sinusal, que controla as batidas cardíacas por meio de impulsos elétricos. Em nosso dia-a-dia as batidas cardíacas variam, mas um coração sadio consegue regularizá-las. No entanto, com a idade, ou por motivo de doenças, infecções, etc., o coração pode se tornar lento, provocando cansaço, tonturas, palpitações, etc. Torna-se necessária, então, uma cirurgia para o implante de um marca-passo no peito do paciente.

Através de um fio, que é colocado em uma grande veia e chega até o coração, o marca passo transmite seus impulsos elétricos, que voltam a regularizar as batidas cardíacas. O primeiro marca-passo da história da medicina foi implantado em 1958. No início, o grande problema residia nas pilhas que alimentam o aparelho.

Em 1967, a Catalyst Research Corporation, nos Estados Unidos, iniciou as pesquisas, que culminaram com a fabricação das pilhas de lítio-iodo. Essa pilha funciona com base na reação 2 Li + I2       2 LiI e obedece ao esquema abaixo. O iodo é aglomerado a um polímero na proporção de 6 : 1, fica envolto pelo lítio, e o conjunto é blindado com um revestimento de níquel ou aço inoxidável. A pilha de lítio fornece uma voltagem de 2,8 V e não pesa mais que 20 g. Suas 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.

8.      Pilha ou célula de combustível.

Ao contrário das pilhas descritas anteriormente, que são dispositivos que armazenam energia elétrica, as pilhas de combustão são dispositivos de conversão contínua de energia química em energia elétrica. A idéia, em linhas gerais, é simples. A queima dos combustíveis produz energia.

Esse calor (energia) pode ser usado numa usina termoelétrica para produzir eletricidade, quando se obtém um rendimento da ordem de 40%. Considerando que as combustões são reações de oxi-redução, a idéia das pilhas de combustão é obter a energia liberada pela combustão já diretamente na forma de energia elétrica, o que eleva o rendimento para cerca de 55%.

Pilhas desse tipo foram usadas nas espaçonaves Gemini, Apolo e, agora, nos ônibus espaciais. Elas funcionam pela reação de combustão entre o hidrogênio e o oxigênio, produzindo água. As reações são:

No anodo: { H₂ + 2OH à2H₂O + 2e^-

No catodo: {1/2 O₂ + H₂O + 2e^-à2OH^-

Reação global: {H₂ + ½ O₂ àH₂O

A grande vantagem da célula de combustível é seu funcionamento contínuo e a produção apenas de água, que não polui o meio ambiente (nas espaçonaves, essa água é usada pela tripulação). Outra vantagem é ser mais leve do que, por exemplo, as baterias de chumbo. Sua principal desvantagem ainda é seu alto custo.