Como funcionam as pilhas e baterias

Autor: 
Marshall Brain
Pilhas e baterias

As baterias estão em todos os lugares,  carros, computadores, laptops , MP3 players e telefones celulares. Uma bateria é essencialmente uma lata cheia de químicos que produz elétrons. As reações químicas que produzem elétrons são chamadas de reações eletroquímicas. Neste artigo, aprenderemos tudo sobre baterias, desde o conceito básico de funcionamento, a verdadeira química que acontece dentro delas e o que o futuro reserva para as baterias e as possíveis fontes de energia que poderiam substituí-las.

bateria

Se você examinar qualquer bateria, notará que ela tem 2 terminais. Um terminal está marcado (+), ou positivo, enquanto o outro terminal está marcado (-), ou negativo. Em uma bateria tipo AA, C ou D (baterias normais de lanternas), as pontas das baterias são os terminais. Em uma bateria grande de carro, existem 2 terminais de chumbo.


Elétrons se agrupam no terminal negativo da bateria. Se você conectar um fio entre os terminais positivo e negativo, os elétrons fluirão do terminal negativo para o terminal positivo o mais rápido que eles puderem (descarregar a bateria muito rápido pode ser perigoso, especialmente com baterias grandes, então não o faça). Normalmente, você conecta algum tipo de carga para a bateria usando um fio. Esta carga pode ser algo como uma lâmpada, um motor ou um circuito eletrônico, como um rádio.

Dentro da bateria, uma reação química produz os elétrons. A velocidade da produção de elétrons por esta reação química (a resistência interna da bateria), controla quantos elétrons podem fluir entre os terminais. Os elétrons fluem da bateria para dentro do fio e passam do terminal negativo para o terminal positivo para que a reação química aconteça. Esta é a razão pela qual a bateria pode ficar em uma prateleira por um ano e ainda estar cheia de energia. Uma vez conectado o fio, a reação começa.

 

A primeira bateria foi criada por Alessandro Volta em 1800. Para criar essa bateria, ele fez uma pilha de camadas alternadas de zinco, papel mata-borrão ensopado em água salgada e prata, desse jeito:


Este arranjo ficou conhecido como uma pilha voltaica. As camadas de cima e de baixo da pilha precisam ser de metais diferentes, como mostrado. Se você conectar um fio em cima e um embaixo da pilha, poderá medir a voltagem e a corrente geradas. A pilha pode ser sobreposta quantas vezes for preciso para obter a voltagem desejada.

 

No século 19, antes da invenção do gerador elétrico (o gerador não foi inventado e aperfeiçoado até 1870), a Célula de Daniell, que é conhecida por outros 3 nomes: "célula de Crowfoot" por causa do formato típico do zinco, "célula de gravidade" por que a gravidade mantém os 2 sulfatos separados e "célula molhada", oposta à "célula seca" moderna, porque usa líquidos para os eletrólitos, era extremamente comum para o funcionamento dos telegráfos e das campainhas das portas. A célula de Daniell consiste de placas de cobre e zinco e sulfatos de cobre e zinco.


Para fazer a célula de Daniell, a placa de cobre é colocada no fundo de uma jarra de vidro. A solução de sulfato de cobre é colocada sobre a placa até a metade da jarra. Uma placa de zinco é então pendurada na jarra - como mostrado - e uma solução de sulfato de zinco é colocada cuidadosamente na jarra. O sulfato de cobre é mais denso que o sulfato de zinco, então o sulfato de zinco "flutua" sobre o sulfato de cobre. Obviamente, este arranjo não funciona bem em uma lanterna, mas funciona bem para aplicações fixas. Se você tiver acesso a sulfato de zinco e sulfato de cobre, pode tentar fazer a sua própria célula de Daniell.

 

Experiências
Se você quiser aprender sobre as reações eletroquímicas usadas para criar baterias, é fácil fazer experiências em casa para tentar combinações diferentes. Para fazer estes experimentos corretamente, precisa comprar um voltímetro (US$ 10 a US$ 20) em uma loja de material eletrônico ou de construção. Esteja certo de que o voltímetro pode ler baixas voltagens (cerca de 1 volt) e baixas correntes (cerca de 5 a 10 miliampêres). Desta maneira, você será capaz de ver exatamente o que a sua bateria está fazendo.

Você pode criar a sua própria pilha voltaica usando moedas e papel toalha. Misture sal com água (a maior quantidade de sal que a água suportar) e ensope o papel toalha nesta salmoura. Faça então uma pilha alternando moedas de cobre e de níquel. Veja que tipo de voltagem e corrente esta pilha produz. Tente um número de camadas diferentes e veja qual o efeito que isto tem na voltagem. Depois, tente alternar moedas de cobre e de prata e veja o que acontece. Tente também moedas de prata e de níquel. Outros metais que você pode tentar incluem o papel alumínio e o aço. Cada combinação metálica deverá produzir uma pequena diferença na voltagem.


Um outro experimento simples que você pode tentar envolve um pote, ácido diluído, fio e pregos. Encha o pote com suco de limão ou vinagre (ácidos diluídos) e coloque um prego e um pedaço de fio de cobre dentro dele sem que um encoste no outro. Tente pregos revestidos de zinco (galvanizados) e pregos de ferro comuns. Meça a voltagem e a corrente conectando o seu voltímetro aos pedaços de metal. Substitua o suco de limão por água salgada e tente também com moedas e metais diferentes para ver o efeito na voltagem e na corrente.

Provavelmente a bateria mais simples que você pode criar é chamada de bateria zinco-carbono. Entendendo a reação química que acontece dentro da bateria, você pode entender como as baterias funcionam.

Imagine que você tenha um pote de ácido sulfúrico (H2SO4). Enfie uma varinha de zinco dentro do pote e o ácido imediatamente começa a corroer o zinco. Você verá as bolhas de gás hidrogênio formando-se no zinco e a varinha e o ácido começarão a esquentar. O que está acontecendo é:

  • as moléculas de ácido estão se quebrando em 3 íons: 2 H+ íons e 1 SO4- íon.

     

  • os átomos de zinco na superfície da varinha de zinco perdem 2 elétrons (2e-) para se tornar Zn++ íons.

     

  • o Zn++ íons combinados com o SO4-- íon para criar ZnSO4, o qual dissolve o ácido.

     

  • os elétrons dos átomos de zinco combinam com os íons de hidrogênio no ácido para criar moléculas de H2 (gás de hidrogênio). Nós vemos o gás de hidrogênio como as bolhas se formando na varinha de zinco.

Nada acontece com uma varinha de carbono quando colocada no ácido. Mas se você conectar um fio entre a varinha de zinco e a varinha de carbono, 2 coisas mudarão:

  • os elétrons fluirão através do fio e se combinarão com o hidrogênio na varinha de carbono, então o gás de hidrogênio começa a borbulhar na varinha de carbono;

     

  • existe menos calor. Você pode fornecer energia para uma lâmpada ou carga similar, usando os elétrons que fluem através do fio e pode medir a voltagem e a corrente no fio. Alguma energia do calor é transformada em movimento de elétrons.

Os elétrons movem-se para a varinha de carbono porque a combinação com o hidrogênio é mais fácil. Existe uma voltagem característica na célula de 0,76 volts. Eventualmente, a varinha de zinco se dissolverá completamente ou os íons de hidrogênio no ácido se desgastam e a bateria "morre".