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 + SO2-4 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.
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.
