Como funciona uma pilha química

Pilhas alcalinas

O que é a química de uma pilha? Bom, uma pilha ou bateria é um dispositivo que armazena energia química e a converte em eletricidade. Na Química nós chamamos a área que estuda as pilhas de eletroquímica. Para um químico, uma pilha faz parte das células eletroquímicas. Além disso, uma pilha pode ser composta de uma ou várias células eletroquímicas. 

Agora, para os usuários de pilharepresenta, por exemplo

  • Redes Sociais 
  • Comunicar via celular
  • Compra
  • Um investimento
  • Um trabalho escolar
  • Um bom emprego

Para os ambientalista um problema, pois para produzir pilhas tem que extrair os elementos das minas. Esse processo acabar com o meio ambiente. Além disso, depois as pilhas viram lixo e são jogadas em aterros do mundo tudo. Elas contaminam o ambiente com metais tóxicos. Não podemos esquecer, que muitas pilhas de celulares contaminam diversas regiões do planeta como lixo eletrônico. Acesse nossos posts para saber mais

Então, como uma célula eletroquímica obtém sua eletricidade?

Para responder a essa pergunta, precisamos saber o que é eletricidade. Então, a eletricidade é um tipo de energia que é produzida pelo fluxo de elétrons. Bom, uma reação química que acontece em um eletrodo (ânodo) produz os elétrons que vão para um outro eletrodo (cátodo). Para entender isso melhor, precisamos ver mais de perto as partes de uma célula eletroquímica e como elas são montadas.

Figura de uma célula eletroquímica. Você pode observar que na parte verde está o ânodo onde ocorre a oxidação de um elemento químico. Na parte vermelha, você pode observar o cátodo onde ocorre a redução. Observe também que o fluxo de elétrons ocorre da esquerda para a direita.

Eletrodos

Para produzir um fluxo de elétrons, você precisa ter um lugar para os elétrons fluam de um lugar para outro, Você tem que ter em mente que esse processo ocorre nos eletrodos. A figura abaixo mostra muito bem como os elétrons fluem de um eletrodo do ânodo para o cátodo.

Como o ânodo obtém todos esses elétrons?

Então, tudo se resume à química que está acontecendo dentro da célula. Assim, existem algumas reações químicas que ocorrem nos eletrodos que precisamos entender. Dessa forma, no ânodo oxida-se um elemento para produzir elétrons. Esses elétrons se acumulam no ânodo e, ao mesmo tempo fluem para o cátodo. Assim, os elétrons que chegam ao cátodo reduzem um elemento.

Então uma reação eletroquímica chamada oxirredução envolve a troca de elétrons. Outro nome dados a essa reação é redox.

Toda reação redox pode ser dividida em duas semirreações

Então, você pode dividir uma reação de oxirredução em duas semirreações. Assim, existe a reação que ocorre no ânodo que é de oxidação:

Zn →  Zn2+ + 2e

Por outro lado, existe a reação de redução:

Cu2+ + 2e →  Cu

Cada uma dessas semirreações tem um potencial “elétrico” padrão específico (força eletromotriz – fem). Então, você deve pensar nesse potencial como a capacidade/eficiência dos elementos em produzir ou receber elétrons.

No sentido figurado, esse potencial funciona como um cabo de guerra envolvendo a transferência de elétrons. Assim o elemento que tive maior potencial puxa oxida o outro

Então, a voltagem de uma pilhadepende da diferença dos potenciais dos eletrodos. Denomina-se essa diferença de potencial eletroquímico geral da célula. Além disso, quanto maior for a diferença entre os potenciais dos dois eletrodos, maiores serão os potenciais eletroquímicos e a voltagem de uma pilha.

Como aumentar a voltagem de uma pilhas?

Para aumentar a voltagem da pilhas, você tem duas opções 

  • Escolha do material para nossos eletrodos; ou seja, aqueles que darão à célula maior potencial eletroquímico
  • Empilhamento de várias células juntas

Em princípio, quando você combina as células eletroquímicas de uma maneira particular, por exemplo, em série; ou seja, há um efeito aditivo na tensão da pilha. Então, quando combinamos as células eletroquímicas de outra maneira; em paralelo, por exemplo, iremos aumentar a corrente possível da pilha.

Que são os eletrólitos de uma pilha

Mas os eletrodos são apenas parte da pilha. Então, para você oxidar ou reduzir um elemento em uma pilhaé necessário que você tenha uma forma apropriada. Assim, nós chamamos esse meio de eletrólito que pode ser: um líquido; gel; substância sólida. Em princípio, o pré-requisito do eletrólito é ele ser capaz de movimentar íons carregados. Portanto, o eletrólito fornece um meio através do qual os íons positivos e negativo fluam dentro da pilha.

O que acontece quando usamos uma pilha

Conforme  nós usamos uma pilha, diversas reações vão ocorrendo em ambos os eletrodos e novas substâncias químicas vão se formando. Assim, as novas substâncias criam um tipo de resistência que atrapalha o bom funcionamento da pilha. À medida que o tempo passa, essas substâncias químicas reduzem a eficiência da pilha. Em uma pilha, por exemplo alcalina, o aumento da resistência é mais lento; ou seja, formação de novas substâncias químicas é mais lenta. Dessa forma, podemos entender o porquê das pilhas alcalinas duram mais. Portanto, você deve pensar novamente em um cabo de guerra de elétrons entre o cátodo e o ânodo, mas colocando um boi na linha. Ou seja, as novas substâncias atrapalham o funcionamento das pilhas.

Recarregando uma pilha

Quando conectamos uma pilhaquase vazia a uma fonte externa de eletricidade, nós enviamos energia de volta para a pilha. Assim, ela reverte a reação química que ocorreu durante a descarga. Ou seja, os íons positivos liberados no ânodo para o eletrólito quando estamos usando a pilhavolta ao ânodo. Por outro lado, os elétrons que o cátodo absorveu também de volta ao cátodo. Dessa forma, essa volta ocorre todas as vezes que recarregamos uma pilha.

Todavia, esse processo não é perfeito. À medida que vamos carregando e descarregando uma pilhaocorre uma substituição dos íons negativos e positivos do eletrólito. Ou seja, cada ciclo de carga degrada os eletrodos sofrem um descarte. E ao longo de vários ciclos de carga e descarga, a forma dos cristais da pilhatorna-se menos ordenada. E a pilhavai morrendo ao longo do tempo.

Efeito de memória e autodescarga

As reações de descarga e recarga não são completamente reversíveis também contribuem para algo chamado ‘efeito memória’. Quando você recarrega alguns tipos de pilhas recarregáveis sem descarregá-las primeiro, elas ‘lembram’ onde estavam e não recarregam corretamente. 

Outro aspecto das pilhas recarregáveis é que a química que as torna recarregáveis também tem uma tendência para a autodescarga. Isso ocorre por causa das reações internas da pilha, mesmo quando elas não estão ligadas. Isso faz com que a célula perca parte de sua energia química ao longo do tempo. Uma alta taxa de autodescarga limita seriamente a vida útil da pilha- e faz com que morram durante o armazenamento.

As pilhas de íon-lítio em nossos telefones celulares têm boa taxa de autodescarga de cerca de 2-3 por cento ao mês, e nossas pilhas de chumbo-ácido para carros também são bastante razoáveis – elas tendem a perder 4-6 por cento ao mês. As pilhas à base de níquel perdem cerca de 10-15 por cento de sua carga por mês, o que não é muito bom se você planeja armazenar uma tocha por uma temporada inteira quando não precisa dela! Uma pilhaalcalina não recarregável perde apenas cerca de 2–3 por cento de sua carga por ano.  

Tensão, corrente, potência, capacidade … qual é a diferença?

Todas essas palavras descrevem basicamente a força de uma pilha, certo? Bem, mais ou menos. Mas são todos sutilmente diferentes.

Tensão

Força na qual a reação que conduz os elétrons através da célula. Nós conhecemos esse processo de  potencial elétrico e depende da diferença de potencial entre as reações que ocorrem em cada um dos eletrodos. Quanto mais alta a voltagem, mais trabalho o mesmo número de elétrons pode fazer. 

Corrente

O número de elétrons que passam por qualquer ponto de um circuito em um determinado momento. Quanto mais alta a corrente, mais trabalho ele pode fazer com a mesma voltagem. Dentro da célula, você também pode pensar na corrente como o número de íons que se movem através do eletrólito, vezes a carga desses íons.

Potência

Tensão x corrente. Quanto maior a potência, mais rápida a taxa em que uma pilhapode funcionar – esta relação mostra como a tensão e a corrente são importantes para descobrir para que uma pilhaé adequada.

Capacidade

A potência da pilhaem função do tempo, que é usada para descrever por quanto tempo uma pilhaserá capaz de alimentar um dispositivo. Uma pilhade alta capacidade será capaz de funcionar por um período mais longo antes de ficar sem carga / sem corrente. Algumas pilhas têm uma pequena peculiaridade – se você tentar extrair muito delas muito rapidamente, as reações químicas envolvidas não conseguirão acompanhar e a capacidade será menor! Portanto, sempre temos que ter cuidado quando falamos sobre a capacidade da pilhae lembrar para que ela será usada.

Por que tantos tipos?

Você pode usar uma variedade de materiais (costumavam ser apenas metais)  como eletrodos em uma pilha. Ao longo dos anos, muitas, muitas combinações diferentes foram testadas, mas há apenas algumas que realmente foram longe. Mas por que usar combinações diferentes de metais? Se você tem um par de metais que funcionam bem juntos como eletrodos, por que se preocupar em brincar com os outros?

Materiais diferentes têm propriedades eletroquímicas diferentes e, portanto, produzem resultados diferentes quando você os coloca juntos em uma célula de pilha. Por exemplo, algumas combinações irão produzir uma alta tensão, muito rapidamente, mas depois cair rapidamente, incapaz de sustentar essa tensão por muito tempo. Isso é bom se você precisar produzir, digamos, um flash repentino de luz como o flash de uma câmera.

Outras combinações produzirão apenas um fio de corrente, mas manterão esse fio por muito tempo. Não precisamos de uma grande quantidade de corrente para alimentar um detector de fumaça, por exemplo, mas queremos que nossos detectores de fumaça continuem funcionando por muito tempo. 

Outra razão para usar diferentes combinações de metais é que muitas vezes duas ou mais células de pilhaprecisam ser empilhadas para obter a voltagem necessária, e acontece que algumas combinações de eletrodos se empilham com muito mais felicidade do que outras combinações. Por exemplo, as pilhas de fosfato de ferro-lítio (um tipo de pilhade íon lítio) usadas em carros elétricos empilham-se para fazer sistemas de alta tensão (100 ou mais volts).

Saiba mais sobre as pilhas leia o post “A descoberta dos detalhes das baterias de lítio

Fonte:


Australian Academy of Science

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