John Daniel - o princípio da pilha

John Daniell – O princípio da pilha

Em 1836, o químico e meteorologista inglês John Frederic Daniell (1790-1845) construiu uma pilha diferente da até então conhecida na época: a pilha de Alessandro Volta. Nesta pilha ele interligou dois eletrodos, que eram sistemas constituídos por um metal imerso em uma solução aquosa de um sal formado pelos cátions desse metal.

Um dos eletrodos, o eletrodo de cobre, era constituído de uma placa de cobre mergulhada em uma solução de sulfato de cobre (CuSO4). O outro eletrodo era o de zinco, constituído de uma placa de zinco mergulhada em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4).

Esses dois eletrodos foram interligados por um circuito elétrico que continha uma lâmpada, pois se ela acendesse, indicaria o surgimento de uma corrente elétrica.

Além disso, havia uma ponte salina entre elas. Essa ponte era constituída de um tubo de vidro em U contendo uma solução aquosa concentrada de um sal bastante solúvel, como o cloreto de potássio (KCl(aq)), por exemplo. As extremidades do tubo são revestidas com um algodão ou com ágar-ágar.

Abaixo temos a estrutura dessa pilha ou cela eletroquímica, que ficou conhecida como pilha de Daniell. Lembrando que cada eletrodo recebe a denominação de semicela.

Com o circuito fechado, a lâmpada se acende e após, algum tempo, a placa de zinco é corroída e tem a sua massa diminuída, já na de cobre ocorre o contrário, sua massa aumenta (conforme a figura abaixo). Nota-se também que há um aumento da concentração em mol/L dos íons Zn2+ e uma diminuição dos íons Cu2+.

Ponte salina

A parede porosa (de porcelana, por exemplo) tem por função manter constante a concentração de íons positivos e negativos, durante o funcionamento da pilha. Ela permite a passagem de cátions em excesso em direção ao cátodo e também a passagem dos ânions em direção ao ânodo. Atravessando a parede porosa, os íons em constante migração estabelecem o circuito interno da pilha.

Cátodo e Ânodo

Cátodo – placa de menor potencial de oxidação – Cu. Onde ocorre redução.

Ânodo – placa de maior potencial de oxidação – Zn. Onde ocorre oxidação.

Tipos de pilhas

Para cada equipamento é indicado um tipo de pilha e, entre as pilhas primárias usadas atualmente, temos que as principais são: pilhas secas de Leclanché (pilhas comuns ou pilhas ácidas), pilhas alcalinas e pilhas de lítio/dióxido de manganês.

Pilhas Secas de Leclanché:

Essas pilhas são formadas basicamente por um envoltório de zinco, separado por um papel poroso e por uma barra central de grafite envolvida por dióxido de manganês (MnO2), carvão em pó (C) e por uma pasta úmida contendo cloreto de amônio (NH4Cl), cloreto de zinco (ZnCl2) e água (H2O).

O zinco funciona como o ânodo, perdendo elétrons; e o grafite funciona como o cátodo, conduzindo os elétrons para o dióxido de manganês:

Esse tipo de pilha é indicado para equipamentos que requerem descargas leves e contínuas, como controle remoto, relógio de parede, rádio portátil e brinquedos.

Pilhas alcalinas:

Seu funcionamento se assemelha muito com o das pilhas secas de Leclanché, porém, a única diferença está que no lugar do cloreto de amônio (que é um sal ácido), coloca-se uma base forte, principalmente o hidróxido de sódio (NaOH) ou o hidróxido de potássio (KOH).

As pilhas alcalinas são mais vantajosas que as ácidas no sentido de que elas têm uma maior durabilidade, em geral, oferecem de 50 a 100% mais energia que uma pilha comum do mesmo tamanho, além de haver menos perigo de vazamentos.

São indicadas principalmente para aparelhos que exigem descargas rápidas e mais intensas, como rádios, tocadores de CD/DVD e MP3 portáteis, lanternas, câmeras fotográficas digitais etc.

Pilhas de lítio/dióxido de manganês:

Essas pilhas são leves e originam uma grande voltagem (cerca de 3,4 V), devido a isso, elas são muito utilizadas em equipamentos pequenos como relógios e calculadoras.

O ânodo é o lítio, o cátodo é o dióxido de manganês e o eletrólito é uma solução salina.

Diferença de potencial de uma pilha

A diferença de potencial de uma pilha é também denominada de força eletromotriz, e pode ser medida por meio de um voltímetro. Existe um potencial de redução e um potencial de oxidação em ambos os eletrodos que compõem a pilha. Estes possuem valores iguais, e sinais diferentes.

Se adaptarmos um voltímetro, em uma dessas pilhas, será medida a intensidade da corrente elétrica produzida por elas, isto é, a sua força eletromotriz (fem ou E) oudiferença de potencial (U ou ddp). O valor é indicado em volts (V), aparecendo normalmente nas embalagens e rótulos das pilhas.

Calculo da DDP

Potencial de Redução e Potencial de Oxidação

Condições para Condução da Corrente Elétrica

– Uma diferença de potencial (ddp);

– Um meio condutor.

Como o eletrodo de cobre (Cu2+/Cu) possui maior potencial de redução que o eletrodo de zinco (Zn2+/Zn), podemos dizer que entre os eletrodos existe uma ddp. Se entre esses eletrodos intercalarmos um fio condutor, agora teremos condições para condução da corrente elétrica.

Teoricamente a d.d.p. é calculada da seguinte forma:

Exercícios

1-Se interligarmos a um eletrodo-padrão de hidrogênio um eletrodo de zinco nas condições-padrão, como mostra a ilustração, iremos ler no voltímetro o valor +0,76 volt.Isso significa que a corrente de elétrons flui do eletrodo de zinco-ânodo para o eletrodo de hidrogênio –cátodo.

A reação global dessa pilha será: Zn2+(aq)

Zn(s) + 2 H3O1+(aq) Zn2+(aq) + H2(g) + 2 H2O(l)

O zinco sofre oxidação e provoca e redução dos