ESTUDO SOBRE O FUNCIONAMENTO DA PILHA
Autores: Julia Perre e Nathalia Halchuk 9°ano B Parecerista: Juliana Mewes Orientadora: Prof.ª Dr;ª Fabiana Gasparin
Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta é físico, nasceu na cidade de Como, na Itália. A partir dos seus 6 anos passou a estudar em uma escola jesuítica, pois seus pais queriam que ele seguisse carreira eclesiástica, mas com 14 anos abandonou tudo e foi estudar física. Em 1774, tornou-se professor de Física e um ano depois inventou o eletróforo (máquina que produz eletricidade estática). Em 1779, lecionou a disciplina de Física, na Universidade de Paiva. Após 5 anos se casou com Teresa Peregrini, tendo 3 filhos. Em 1800, desenvolveu a pilha voltaica, determinando que os melhores pares de metais eram zinco e prata. Em 1810, Napoleão nomeou Volta um conde, 5 anos depois, o imperador da Austrália nomeou Volta professor de Filosofia, na Universidade de Paiva. Em 1827, faleceu e foi enterrado em sua cidade natal.
Algumas curiosidades sobre o Inventor:
Construiu o templo “voltaico” em homenagem ao seu trabalho.
Após sua morte, em 1881, uma importante unidade elétrica foi nomeada de “volt” em sua homenagem.
“A linguagem da experiência tem mais autoridade do que qualquer raciocínio: fatos podem destruir o nosso raciocínio, o contrário, não”.
(Alessandro Volta)
1. Introdução
A busca pela produção de energia era uma necessidade absoluta para a evolução da humanidade. Entretanto, não bastava produzi-la, era preciso desenvolver meios de armazená-la.
A primeira conquista nesse sentido pertenceu ao alemão Otto von Guericke que, em 1600, idealizou uma máquina capaz de produzir eletricidade. Logo adiante, Luigi Galvani descobriu que a eletricidade poderia ser armazenada nos músculos, e que os nervos eram capazes de transferir essa energia. A partir daí, os estudiosos começaram a investigar o uso da química na geração da energia elétrica.
Mas, foi somente em 1800 que Alessandro Volta elaborou um dispositivo formado por discos de cobre e zinco empilhados, separados por um disco de material poroso, embebido em uma solução de sal. Surgia, assim, o primeiro gerador móvel de energia, a pilha.
As pilhas têm a capacidade de armazenar energia elétrica sob a forma de energia química, de maneira portátil, barata e segura e sua invenção propiciou a criação e o uso de aparelhos eletrônicos portáteis, que independem de conexão por meio de fios a um gerador ou a uma rede elétrica para funcionar.
Presentes no nosso dia a dia, seja nos controles remotos, máquinas fotográficas, rádios ou brinquedos, estes dispositivos revolucionaram a maneira do homem dominar e utilizar a energia. Assim, faz-se necessário entender sua composição, funcionamento e as formas corretas de utilização, visando evitar acidentes e ferimentos do usuário. Além disso, o descarte correto da pilha pode evitar prejuízos ambientais significativos, como a poluição do solo e lençóis freáticos.
2. Objetivo Geral
Compreender o funcionamento da pilha como gerador de eletricidade portátil.
2.1 Objetivos Específicos
Explicar como se dá o mecanismo de condução de eletricidade por meio da pilha.
Descrever como as pilhas representam um avanço no funcionamento de equipamentos eletrônicos.
Relatar como as pilhas afetam o meio ambiente quando descartadas erroneamente.
3. Fundamentação Teórica
3.1 Experimentos para compreender a geração de eletricidade
A pilha é um dispositivo eletroquímico no qual reações de oxidação e redução promovem a produção de corrente elétrica a partir de energia química. Esse dispositivo foi inventado pelo físico italiano Alessandro Volta. O cientista foi motivado a inventar a pilha a partir da teoria da “eletricidade animal” de Galvani. Ao dissecar uma rã, o cientista Luigi Galvani observou contrações nos músculos do animal no momento em que seu assistente tocou com a ponta de seu bisturi no nervo interno da coxa da rã, ou seja, os movimentos aconteciam no momento em que os tecidos da rã eram tocados por dois metais diferentes. Galvani acreditava que os músculos da rã armazenavam a energia e os metais eram apenas condutores, como ilustrado na Figura 1.
No entanto, Alessandro Volta não acreditava nisso. Ele realizou novamente essa experiência de Galvani e repetiu uma série de experimentos, utilizando metais diferentes. Volta observou que quando a placa e o fio eram constituídos do mesmo metal, os movimentos musculares da rã não apareciam, mostrando que não havia fluxo de eletricidade. Assim, ele passou a defender o conceito de que a eletricidade não se originava dos músculos da rã, mas do contato entre os metais distintos, e a rã apenas reagia a essa eletricidade externa, tendo seus tecidos como condutores desta eletricidade.
Hoje já se sabe que os materiais podem ser classificados em condutores (os metais são os melhores condutores de eletricidade), isolantes (não permitem o deslocamento de eletricidade) e semicondutores (propriedades intermediárias de condução elétrica).
3.2 A pilha de Volta
Os dispositivos de condução de eletricidade receberam o nome de pilha, porque quando inventados por Alessandro Volta, no ano de 1800, eram formados por discos de zinco e cobre separados por um algodão embebido em salmoura, como pode ser observado na Figura 2.
Figura 2. A coluna de discos empilhados que originou a pilha voltaica
Tal conjunto era colocado de forma intercalada, um em cima do outro, empilhando os discos e formando uma grande coluna. Como era uma “pilha” de discos, começou a ser chamada por esse nome. E em homenagem a seu nome, também é chamada de pilha voltaica. Os discos de metais foram denominados por
Volta de “condutores secos” ou de “primeira classe”, enquanto o embebido em salmoura foi denominado de “condutor úmido” ou de “segunda classe”.
A partir da invenção de Volta, todos os aparelhos que produziam eletricidade por meio de processos químicos passaram a ser denominados pelos seguintes nomes: celas voltaicas (em homenagem a Volta), pilhas galvânicas (em homenagem a Luigi Galvani) ou, simplesmente, pilhas.
3.3 Transformação da energia química em elétrica
O funcionamento de uma pilha se baseia na transferência de elétrons de um metal que tem a tendência de doar elétrons (oxidação) para um que tem a tendência de ganhar elétrons (redução), ou seja, ocorre por meio de reações de oxirredução. Essa transferência é feita por meio de um fio condutor. Assim, pode-se dizer que a corrente elétrica é constituída pelo movimento de elétrons que vão passando de um átomo a outro com grande facilidade. Assim, em uma pilha, como os elétrons partem de um componente e chegam até outro, forma-se uma corrente elétrica, que é capaz de fazer funcionar diversos dispositivos eletrônicos. Uma pilha é constituída pelos seguintes componentes que irão integrar o campo elétrico:
Ânodo: é o polo da pilha que sofre o processo de oxidação, ou seja, aquele que perde os elétrons.
Cátodo: é o polo da pilha que sofre o processo de redução, ou seja, aquele que recebe os elétrons.
Condutor de elétrons: é o material por onde os elétrons percorrem o caminho do ânodo até o cátodo.
Quando se produz o campo elétrico, os elétrons ficam sujeitos a forças que têm sentido oposto ao desse campo e se deslocam no sentido dessas forças.
No funcionamento da pilha, é possível observar a reação de oxidorredução que ocorre entre o zinco e o cobre. Na presença de uma placa de zinco em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4) constitui-se um eletrodo de zinco. Da mesma maneira, uma placa de cobre imersa em uma solução de sulfato de cobre (CuSO4) constitui um eletrodo de cobre.
O zinco tem a tendência de doar elétrons para o cobre, visto que é mais reativo que o cobre. Assim, quando esses dois eletrodos são ligados por meio de um fio condutor externo, ocorrerá a transferência dos elétrons e, consequentemente, a passagem de corrente elétrica. Os elétrons, por apresentarem carga negativa, migram do eletrodo negativo, ânodo; para o positivo, cátodo. Isso é visível, pois, depois de um tempo, observa-se que a lâmina de cobre tem um aumento em sua massa, enquanto que a de zinco sofre corrosão.
Em 1836, o químico inglês John Frederic Daniell (1790-1845) aperfeiçoou a pilha de Volta. Essa nova pilha, que passou a ser conhecida como Pilha de Daniell, era constituída por duas semicélulas eletroquímicas. A primeira era formada por uma placa de zinco mergulhada em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4) em um béquer, e a outra era formada por uma placa de cobre mergulhada em uma solução de sulfato de cobre II (CuSO4) em outro béquer. Essas duas placas eram interligadas por um fio de cobre condutor. Além disso, as duas soluções estavam conectadas por um tubo que continha uma solução eletrolítica, isto é, uma ponte salina. A Figura 3 ilustra uma pilha de Daniell antes e após seu funcionamento.
Figura 3. (A) A Pilha de Daniell antes de seu funcionamento, (B) A corrosão na placa de zinco comprova o funcionamento da pilha
3.4 Tipos de Pilha
Apresentamos, a seguir, os tipos de pilha existentes:
Pilha Comum: Trata-se de uma pilha capaz de produzir uma voltagem em torno de 1,5 V. Também é uma pilha muito utilizada em brinquedos e dispositivos eletrônicos gerais (controle remoto, lanternas etc.). Apresenta os seguintes componentes:
Cátodo: formado por uma pasta com dióxido de manganês (MnO2), cloreto de amônio (NH4Cl), água e amido.
Pilha alcalina: Trata-se de uma pilha que apresenta o mesmo padrão de estrutura da pilha comum. O diferencial está na composição do ânodo e do cátodo. É capaz de produzir uma voltagem em torno de 1,5 V. Apresenta os seguintes componentes:
Ânodo: geralmente formado por uma placa de zinco, cádmio e outros metais.
Cátodo: formado também por uma mistura pastosa com óxidos de alguns metais, mas com a presença de cloreto de potássio (KCl) em vez do cloreto de amônio.
Pilha de lítio e iodo: Pilha alcalina capaz de produzir uma voltagem em torno de 2,8 V, utilizada em aparelhos de marca-passo, por exemplo. Apresenta os seguintes componentes:
● Ânodo: formado por uma placa de lítio. ● Cátodo: formado por um complexo de iodo.
Pilha de mercúrio e zinco: Pilha alcalina capaz de produzir uma voltagem em torno de 1,35 V, muito utilizada em relógios e calculadoras. Apresenta os seguintes componentes:
● Ânodo: formado por uma placa de zinco.
● Cátodo: formado por uma pasta com óxido de mercúrio (HgO).
3.5 Contribuição da pilha no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos
A pilha de Volta foi inventada antes da revolução tecnológica que trouxe alguns aparelhos ao nosso mundo como lanternas, rádios e muitos brinquedos mecânicos. Quando essa invenção ocorreu no mundo ela foi muito importante para a evolução da eletroquímica, e da tecnologia em si, pois causou grande impacto no mundo após e continuou sendo aprimorada por outros cientistas até o modelo atual.
Recentemente, mudanças no formato de muitos equipamentos exigiram ao mercado pilhas mais finas (pilhas “palito”) e mais achatadas, destinadas a relógios de pulso e máquinas fotográficas. As baterias recarregáveis também são derivadas das pilhas e são utilizadas tanto em carros como em telefones celulares.
3.6 O impacto ambiental do descarte incorreto das pilhas
As pilhas e baterias em funcionamento não oferecem riscos, uma vez que o perigo está contido no interior delas. O problema é quando elas são descartadas ou deformadas: amassam, estouram, e deixam vazar o líquido tóxico de seus interiores (Figura 4).
Figura 4. Pilha em processo de corrosão interno pelo líquido
Esse líquido é composto de metais como chumbo, mercúrio, níquel e cádmio, os quais são capazes de causar doenças renais, cânceres e problemas relacionados ao sistema nervoso central. Os metais pesados se acumulam na natureza e representam o lixo não biodegradável, ou seja, não é consumido com o passar dos anos. A contaminação envolve o solo e lençóis freáticos prejudicando a agricultura e a hidrografia.
Uma pilha demora entre 100 a 500 anos para se degradar no meio ambiente, logo, o descarte incorreto de pilhas e baterias pode resultar em diversas complicações, desde contaminação do solo e da água até doenças que podem afetar quem entrar em contato com um local onde esses materiais foram descartados incorretamente.
Para evitar este problema, as pilhas e baterias podem ser descartadas em redes de supermercado e drogarias que disponibilizam coletores apropriados. A empresa Duracell informa em seu site uma lista de postos de coleta. Em municípios dos estados de São Paulo, Minas Gerais e Bahia, os caminhões da rede Ultragaz também aceitam esse tipo de material. Uma alternativa são as caixas coletoras do
programa Papa-Pilhas, nas agências do banco Santander, que recebem pilhas, baterias, celulares e eletrônicos portáteis. As pilhas e baterias podem ser recicladas, reutilizadas, ou podem passar por algum tipo de tratamento que possibilite um descarte não nocivo ao meio ambiente.
4. Conclusão
Com a realização desta pesquisa, é possível concluir que a invenção da pilha por Alessandro Volta constitui-se em um evento transformador para a humanidade. O domínio da eletricidade permitiu sua utilização no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos, facilitando a vida das pessoas e propiciando o desenvolvimento de novos produtos. Apesar de seguras enquanto usadas, as pilhas representam um risco potencial ao meio ambiente e ao homem, quando descartadas incorretamente. Logo, a educação ambiental faz-se necessária para evitar problemas causados por estes dispositivos que em tanto beneficiam a vida do homem. 5. Referências resumoescolar.com.br/fisica/condutores-isolantes-e-semicondutores/ portalsaofrancisco.com.br/fisica/historia-das-pilhas mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/descarte-correto-pilhas-baterias-usadas.htm brasilescola.uol.com.br/quimica/historia-das-pilhas.htm historiadetudo.com/pilha setorreciclagem.com.br/reciclagem-de-lixo-eletronico/por-que-pilhas-e-baterias-nao-podem-ir-para-o-lixo/ brasilescola.uol.com.br/quimica/alessandro-volta.htm mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/pilha-alessandro-volta.htm 6. Proposta de Releitura
Batateria: bateria elétrica a partir de uma batata, capaz de dar energia para um relógio durante 2 meses. Com cuidados, ela pode durar até 4 meses.
MATERIAIS:
● 1\2 batata
● 2 plaquinhas de cobre (+) ● 2 plaquinhas de zinco (-)
● Fio de cobre flexível ● Relógio
● Soldador
COMO FAZER:
Corte uma batata pela metade, e duas chapinhas, uma de cobre outra de zinco, com cerca de (2 x 4) cm. Solde em cada uma dessas plaquinhas um fio de cobre flexível (cabinho 22) com cerca de 20 cm de comprimento. Espete as plaquinhas na meia-batata, deixando para fora apenas cerca de 1 cm e separada por cerca de 0,8 cm. Não deixe as plaquinhas se encontrarem dentro da meia-batata.
Essa pilha de meia-batata apresentará força eletromotriz (f.e.m.) de cerca de 0,7 V. Como iremos necessitar de cerca de 1,4 V para acionar o relógio digital, deveremos construir uma bateria a partir de duas dessas pilhas primárias e associando-as em série.
Qualquer relógio digital que utilize uma bateria botão poderá ser usado. A primeira coisa a fazer é remover a tampinha em forma de disco do alojamento da bateria botão, logo após retire a bateria 'pifada’, olhe bem a bateria e repare que o "corpo" dela corresponde ao pólo positivo enquanto que o "botão superior" corresponde ao pólo negativo. Dentro do local de alojamento dessa bateria as duas lâminas de contato, uma que encosta no pólo positivo da bateria e outra que encosta no pólo negativo. Solde nessas pequenas lâminas dois pedaços de cabinho 22, um vermelho ligado na 'lâmina positiva' e um preto ligado na 'lâmina negativa'. O fio que vem da plaquinha de cobre da 'batateria' deve ser ligado ao fio vermelho do relógio e o fio que vem da plaquinha de zinco da 'batateria' deve ser ligado ao fio preto do relógio.
Bateria Humana
Nesse experimento, obteremos uma corrente elétrica a partir de nosso próprio corpo ou, mais especificamente, de nossas mãos.
● Base isolante ● 1 placa de Cobre ● 1 placa de Alumínio ● Micro Amperímetro DC COMO FAZER:
Em uma placa de madeira bem seca (ou outro material bom isolante elétrico), monte duas placas metálicas de (12 x 20) cm, conecte a placa de cobre a um dos terminais de um microamperímetro DC e a placa de alumínio ao outro terminal.
PROCEDIMENTO:
Molhe suas mãos e coloque-as sobre as placas, logo após olhe o medidor e veja a quantidade de eletricidade presente em seu corpo.
Se perceber que a tendência do ponteiro do medidor é ir para trás (leituras abaixo do zero), inverta as ligações nos terminais desse medidor. Caso não tiver qualquer movimento no aparelho é porque as placas precisam de uma boa limpeza (utilize Bombril).
