Vis˜ ao geral

Uma bateria ´e um dispositivo que converte energia qu´ımica diretamente em energia el´etrica, atrav´es de rea¸c˜oes qu´ımicas espontˆaneas de oxida¸c˜ao-redu¸c˜ao, sendo que este tipo

de rea¸c˜oes envolve transferˆencia de eletr˜oes [30][31]. As baterias encontram-se em todos os aparelhos eletr´onicos e/ou el´etricos que dispensem a liga¸c˜ao `a rede el´etrica.

O termo bateria pode tornar-se amb´ıguo, devido a “popularmente” designar desde c´elulas galvˆanicas a associa¸c˜oes destas em s´erie e/ou paralelo, passando por c´elulas n˜ao-recarreg´aveis a c´elulas recarreg´aveis. Para evitar este tipo de ambiguidades, opta-se por seguir as defini¸c˜oes de alguns fabricantes: as unidades b´asicas respons´aveis pela convers˜ao de energia qu´ımica em energia el´etrica, designam-se por c´elulas eletroqu´ımicas galvˆanicas (ou meramente “c´elulas”). Qualquer c´elula pode ainda ser especificada em “prim´aria” ou “secund´aria” consoante possua a capacidade de efetuar um ou mais ciclos de descarga. De modo a apresentar tens˜oes e/ou capacidades desejadas, qualquer c´elula pode ser associada em s´erie e/ou paralelo com outras. Se essa associa¸c˜ao for com c´elulas prim´arias, ´e usual adotar a designa¸c˜ao de “pilha”. Caso contr´ario, ´e usual adotar a designa¸c˜ao de “bateria”.

Na figura 2.35, ´e poss´ıvel verificar que uma c´elula eletroqu´ımica ´e composta basicamente por: [30][31]

• Um el´etrodo negativo, que fornece eletr˜oes para um circuito externo quando ´e oxidado durante as reac¸c˜oes qu´ımicas;

• Um el´etrodo positivo, que aceita eletr˜oes de um circuito externo quando ´e reduzido durante as reac¸c˜oes qu´ımicas;

• Um eletr´olito ou condutor i´onico, que possibilita a transferˆencia de carga sob a forma de i˜oes, entre os dois el´etrodos;

• Uma ponte salina, ou barreira porosa, que ´e utilizado para manter a c´elula galvˆanica eletricamente neutra.

Figura 2.35: Constitui¸c˜ao de uma c´elula eletroqu´ımica [32]

Tendo em vista a explica¸c˜ao do funcionamento da c´elula eletroqu´ımica, certas no¸c˜oes de qu´ımica ir˜ao ser descritas de seguida.

Cada elemento qu´ımico torna-se completamente est´avel ao obter na camada de valˆencia oito eletr˜oes (regra do Octeto). Deste modo, existem elementos qu´ımicos est´aveis (como os gases nobres) e outros que, enquanto essa estabilidade n˜ao ´e atingida, tendem a efetuar liga¸c˜oes com outros elementos. Essas liga¸c˜oes qu´ımicas podem ser de dois tipos: i´onicas, em que existe transferˆencia de eletr˜oes (rea¸c˜oes oxida¸c˜ao-redu¸c˜ao, ou redox), ou covalentes, em que existe

partilha de eletr˜oes. No presente caso, vamos explorar as liga¸c˜oes i´onicas, uma vez que s˜ao estas as respons´aveis pelo princ´ıpio de funcionamento das c´elulas eletroqu´ımicas.

Cada rea¸c˜ao qu´ımica que envolva transferˆencia de eletr˜oes pode ser dividida em duas semi-rea¸c˜oes: a rea¸c˜ao de Oxida¸c˜ao e a rea¸c˜ao de Redu¸c˜ao. Uma rea¸c˜ao de Oxida¸c˜ao trata- se de um processo qu´ımico, em que existe liberta¸c˜ao de eletr˜oes. Como “na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma (Princ´ıpio da Conserva¸c˜ao da Mat´eria - Antoine Lavoisier)” ´e f´acil entender que esses mesmos eletr˜oes ser˜ao absorvidos por outra esp´ecie (rea¸c˜ao de Redu¸c˜ao).

Pode-se traduzir o anteriormente referido em duas equa¸c˜oes: [30]

• Num el´etrodo negativo ocorrer´a a seguinte rea¸c˜ao de oxida¸c˜ao (agente redutor):

M −→ Mn++ ne−

• Num el´etrodo positivo ocorrer´a a seguinte rea¸c˜ao de redu¸c˜ao (agente oxidante):

nX + ne−−→ nX−

Em que: M ´e um metal, X ´e um agente oxidante (como um ´oxido de metal) e e− ´e um eletr˜ao.

Como j´a foi mencionado, numa c´elula eletroqu´ımica, um dos el´etrodos vai perder eletr˜oes, enquanto o outro os vai ganhar. Ent˜ao, redirecionando esse fluxo de eletr˜oes para um circuito externo, ´e poss´ıvel produzir energia el´etrica. Na verdade, n˜ao s˜ao os mesmos eletr˜oes que saem do agente redutor e que s˜ao absorvidos pelo agente oxidante. Pode-se pensar em tal caso como numa onda sonora gerada pela boca, em que diferentes part´ıculas v˜ao chocando entre si at´e chegar ao ouvido do recetor.

Ap´os se ter explicado a origem da corrente el´etrica, falta perceber a natureza do valor de diferen¸ca de potencial associado aos seus el´etrodos. Para tal, conv´em notar que a tendˆencia de cada metal para ganhar eletr˜oes se encontra quantificada num valor denominado “Potencial Padr˜ao de Redu¸c˜ao” (E0). Os potenciais de cada esp´ecie, encontram-se tabelados, e consoante a escolha dos constituintes dos el´etrodos (massa ativa), o valor da diferen¸ca de potencial entre eles ser´a diferente. Esta diferen¸ca de potencial (d.d.p), pode ser calculada diretamente tendo em conta que:

d.d.p = E_{ReducaodoAgenteOxidante}0 − E_{ReducaodoAgenteRedutor}0

Tomando como exemplo a pilha de Daniell da figura 2.36, que se considera ser um marco muito importante na evolu¸c˜ao tecnol´ogica da eletroqu´ımica, tem-se:

• Semi-equa¸c˜ao 1: Zn2++ 2e−−→ Zn0 _E0

Reducao = -0.76

• Semi-equa¸c˜ao 2: Cu2++ 2e−−→ Cu0 _E0

Reducao = +0.34

O Zinco apresenta um potencial de redu¸c˜ao negativo, significa que a sua tendˆencia ´e para oxidar (perder eletr˜oes) e n˜ao para reduzir (ganhar eletr˜oes). Posto isto, inverte-se a semi-equa¸c˜ao, resultando na equa¸c˜ao global:

• Semi-equa¸c˜ao 1: Zn0−→ Zn2+_{+ 2e}− _E0

Reducao = -0.76

• Semi-equa¸c˜ao 2: Cu2++ 2e−−→ Cu0 _E0

Reducao = +0.34

• Equa¸c˜ao Global: Zn0+ Cu2+ −→ Cu0_{+ Zn}2+_{+ 2e}−

Neste caso, a diferen¸ca de potencial toma o valor de: d.d.p = 0.34 − (−0.76) = 1.1V

Figura 2.36: Representa¸c˜ao da Pilha de Daniell [33]

Verifica-se ent˜ao, que a diferen¸ca de potencial imposta nos terminais de uma pilha ´e devida `as caracter´ısticas qu´ımicas das massas ativas que constituem os el´etrodos da c´elula eletroqu´ımica. Esta diferen¸ca de potencial ´e denominada de Tens˜ao de Circuito Aberto (VOC),

visto que ser´a a tens˜ao mensur´avel em situa¸c˜oes de corrente de sa´ıda nula. Esta tens˜ao n˜ao ser´a a mesma em situa¸c˜oes de corrente n˜ao nula (V ), devido `a pilha apresentar uma resistˆencia de sa´ıda n˜ao nula, dependente da constitui¸c˜ao interna da c´elula eletroqu´ımica. Segundo [34] essa resistˆencia interna ´e devida aos seguintes fatores:

• A taxa a que cada corrente pode ser drenada nunca poder´a ser superior `a taxa de ocorrˆencia das rea¸c˜oes qu´ımicas;

• Os el´etrodos contˆem uma resistˆencia n˜ao nula.

Assim, na verdade, para al´em da resistˆencia f´ısica dos el´etrodos, existe ainda outra re- sistˆencia n˜ao nula em s´erie que tende a aumentar com o aumento da corrente.