As pilhas e baterias e suas reações redox

Muitas são as reações redox espontâneas, e tais reações podem ser usadas para produzir energia elétrica se forem executadas em uma pilha galvânica, visto que este tipo de pilha converte energia química em energia elétrica (MASTERTON; SLOWINSKI; STANITSKI; 2009). Pilhas são dispositivos constituídos unicamente de dois eletrodos e um eletrólito, arranjado de maneira a produzir energia elétrica. O eletrólito deve ser um condutor iônico.

Quando os eletrodos são ligados a um aparelho elétrico uma corrente flui pelo circuito, pois o material de um dos eletrodos oxida-se espontaneamente liberando elétrons (chamamos esse de ânodo, eletrodo negativo) enquanto o material do outro eletrodo reduz-se usando esses elétrons (denominado cátodo, eletrodo positivo) (BOCCHI et al, 2000).

A forma mais simples e utilizada para explicação do funcionamento de uma pilha é a pilha de Daniell (Figura 18), que leva este nome por ter sido construída pelo britânico Jonh Daniell em 1836 (ATKIN; JONES, 2006).

Figura 18 - Pilha de Daniell

Fonte: Adaptação de <http://quimicasemsegredos.com/eletroquimica-pilhas.php>

Os átomos de zinco da barra metálica passam para a solução na forma de íons Zn2+, e cada átomo deixa dois elétrons na barra. Isso faz com que a barra perca massa e a solução fique

mais concentrada em íons Zn2+. Esse processo é uma semi-reação de oxidação expressa pela Figura 19:

Figura 19 - Semi-reação de oxidação

Zn0_(s) Zn2+_(aq) + 2e-

Fonte: Autores

Os elétrons da barra de zinco percorrem o circuito externo e chegam à barra de cobre. Esse fluxo de elétrons gera uma corrente elétrica e pode, por exemplo, fazer uma lâmpada acender.

Esses elétrons, chegando à barra de cobre, atraem os íons Cu2+ da solução, que, em contato com a barra de cobre, recebendo os elétrons e se convertem em átomos de cobre (Cu0), depositando-se na barra. Assim a solução de cobre fica mais diluída e a massa da barra de cobre aumenta. Esse processo é a semi-reação de redução e é expresso pela Figura 20.

Figura 20 - Semi-reação de redução

Cu2+(aq) + 2e- Cu0(s) Fonte: Autores

A reação global da pilha é (Figura 21):

Figura 21 - Reação global da pilha de Daniell

Zn0_(s) +Cu2+_(aq) Cu0_(s) + Zn2+_(aq)

À medida que o tempo passou, diferentes tecnologias foram sendo criadas devido às necessidades, e hoje existem diversos tipos de pilhas e baterias. Os sistemas eletroquímicos podem ser diferenciados uns dos outros, de acordo com a maneira como funcionam.

No Quadro 7 apresentamos as reações de oxirredução envolvidas em cada tipo de pilha ou bateria e abaixo fornecemos uma explicação sucinta de cada uma.

Quadro 7 - Tipos de pilhas e baterias e suas reações de oxirredução Tipo de pilha ou bateria Reação de oxirredução Pilha de zinco/dióxido de

manganês

Pilha de Zinco/ dióxido de manganês (Alcalina)

Pilha de Lítio/ Dióxido de manganês

Bateria de chumbo/ácido

Bateria de níquel/cádmio

Fonte: Autores

O tipo de pilha mais comum é a pilha de zinco/dióxido de manganês (Leclanché), inventada em 1860 pelo químico francês George Leclanché. A versão utilizada hoje é muito parecida com a original. Este tipo de pilha é usado em lanternas, rádios, gravadores etc. O eletrólito é uma pasta formada pela mistura de cloreto de amônio e cloreto de zinco. O ânodo é o zinco metálico e o cátodo um bastão de grafite rodeado por uma mistura em pó de dióxido de manganês e grafite (BOCCHI et al, 2000).

Um problema observado neste tipo de pilha são as reações paralelas, que durante o período que permanecem em repouso entre distintas descargas, podem provocar vazamentos.

Para evitar esse fato, a maioria dos fabricantes adiciona pequenas quantidades de sais de mercúrio ao eletrólito da pilha, agentes tensoativos e quelantes, cromatos e dicromatos. Isso diminui a taxa de corrosão do zinco e desprendimento de gás hidrogênio no interior da pilha, minimizando a pressão interna e assim diminuindo os vazamentos (BOCCHI et al, 2000).

Outro tipo de pilha bastante comum é a de zinco/dióxido de manganês (alcalina), uma versão modificada da anterior. Utiliza-se os mesmos eletrodos, porém o eletrólito é uma solução aquosa de hidróxido de potássio (por isso se chama de alcalina) contendo uma certa quantidade de oxido de zinco (BOCCHI et al, 2000).

Esta reação é reversível, assim essa pilha pode ser também produzida como pilha recarregável. Do ponto de vista ambiental, as pilhas alcalinas representam menor risco por não apresentam metais tóxicos (BOCCHI et al, 2000). Além disso, são mais resistentes a altas temperaturas e oferecem maior segurança contra vazamentos, assim duram quatro vezes mais que as pilhas de zinco/dióxido de manganês, porém, devido a isso, seu custo é mais alto (KEMERICH et al, 2013).

Outro tipo de pilha é a de lítio/dióxido de manganês, usada como ânodo o lítio metálico e como cátodo três grupos de compostos: (i) sólidos com baixa solubilidade no eletrólito (cromato de prata, dióxido de manganês, oxido de cobre etc.); (ii) produtos solúveis no eletrólito (dióxido de enxofre) e (iii) líquidos (cloreto de sulfurila e cloreto de fosforila) (BOCCHI et al, 2000). Este tipo de pilha não apresenta reações paralelas e mostra excelente desempenho. O maior problema é o risco associado com o lítio metálico, que pode provocar chamas em contato com a umidade se a pilha não for bem vedada (BOCCHI et al, 2000).

Outro exemplo é a bateria de chumbo/ óxido de chumbo (chumbo/ácido), bastante conhecida por seu utilizada em automóveis. Esta foi criada pelo físico francês Raymond Planté em 1859. Essa bateria apresenta em ambos eletrodos o mesmo elemento químico, o chumbo. No cátodo, o dióxido de chumbo reage com ácido sulfúrico durante o processo de descarga, produzindo sulfato de chumbo e água. No anodo, o chumbo reage com íons sulfato de chumbo. O chumbo por ser um metal tóxico representa um sério risco ao meio ambiente. A bateria deve passar por um processo de recuperação de chumbo (BOCCHI et al, 2000).

As baterias de celular são normalmente baterias de cádmio/óxido de níquel (níquel/cádmio), proposta pelo sueco Waldemar Jungner em 1899, está bateria consiste de um anodo formado por uma liga de cádmio e ferro e um cátodo de hidróxido de níquel (III) imersos em solução aquosa de hidróxido de potássio (BOCCHI et al, 2000).

Por possuir cádmio na composição, essa bateria é grande causadora de impacto ambiental. Devido a isso, existe um tendência mundial em se substituir esse tipo de bateria pelas

baterias de hidreto metálico/oxido de níquel, cujas as características operacionais são muito semelhantes. A principal diferença é que as baterias de hidreto metálico/óxido de níquel usam como ânodo o hidrogênio absorvido na forma de hidreto metálico (BOCCHI et al, 2000).