Pilhas: Principais tipos e seus funcionamentos – Química Enem

Principais pilhas usadas e seus funcionamentos

Células secundárias

São células galvânicas que podem ser recarregadas antes do uso, são recarregáveis (baterias de carros, computadores, celulares, entre outros).

• Acumulador ou bateria de automóvel (chumbo/ácido)

É uma associação de pilhas (ou elemento) ligadas em série. Cada pilha gera aproximadamente 2 V.

Certos metais traço (impurezas) presentes no sistema diminuem a vida da bateria, pois são oxidados pelo ácido sulfúrico e liberam hidrogênio. A diferença fundamental entre uma bateria com garantia de 48 meses e uma de 72 meses é a concentração de impurezas nela.

A reação global quando a célula está descarregada é:

Pb(s) + PbO₂(s)+ 2HSO₄^– + 2H⁺ → 2PbSO₄(s) + 2H₂O

No ânodo

polo negativo

{Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2e^–

No cátodo

polo positivo

{PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O

A bateria de chumbo/ácido comporta-se como uma célula galvânica (pilha) durante a descarga e como uma célula eletrolítica quando está sendo carregada.

Obs.: Durante a recarga, as reações acima se invertem.

Eram usadas, no passado, como fontes de tensão em eletrólise, porém, foram superadas pelas fontes modernas ligadas à rede elétrica.

Potencial: 2 V, em uma série de seis pilhas = 12 V

Vantagens – muito barata, alta densidade de potência, vida útil longa, recarga fácil.

Desvantagens – feita de chumbo (tóxico), pode gerar gás hidrogênio no cátodo quando está sendo recarregada (explosivo) e tem baixa energia específica.

• Pilha Nicad (Ni/Cd)

Pilha usada em aparelhos celulares, computadores. Devido à toxicidade do cádmio, está sendo substituída por baterias de lítio.

Potencial – 1,25 V

Reações que ocorrem nesse tipo de pilha:

Cd(s) | Cd(OH)₂(s) | KOH(aq) | Ni(OH)₃(s) | Ni(OH)₂(s) | Ni(S), 1,25V

Ânodo: Cd(s) + 2OH^–(aq) → Cd(OH)₂(s) + 2e^–

Cátodo: 2 Ni(OH)₃(s) + 2e^– → 2Ni(OH)₂(s) + 2 OH^–(aq)

• Baterias de Lítio

Usadas em celulares, computadores entre outros aparelhos devido ao lítio não ser tóxico.

Potencial – 3,7 V

• Pilha sódio-enxofre

É uma das baterias mais surpreendentes. Tem reagentes líquidos (sódio e enxofre) e um eletrólito sólido (uma cerâmica porosa de óxido de alumínio); deve operar a temperaturas próximas a 320ºC, é altamente perigosa em caso de quebra. Tem aplicação em células elétricas (2.000 células de sódio-enxofre) usadas em automóveis elétricos.

Potencial – 2,2 V

Vantagens – energia específica muito alta.

Densidade – caríssima, leva 6h para recarregar, vida curta, o sódio é altamente reativo (pode explodir em contato com a água ou ar atmosférico).

Reações que ocorrem nesse tipo de pilha:

Na(l) | Na⁺ (solução) || S^2-(solução | S(l), 2,2 V

Ânodo: 2 Na(l) → 2 Na⁺ (solução) + 2e^–

Cátodo: S₈(l) + 16e^– → 8 S^2- (solução)

Células primárias

As células primárias são células galvânicas com os reagentes selados dentro de um recipiente. Elas não podem ser recarregadas, ou seja, devem ser descartadas após descarregadas.

• Pilhas secas

São as pilhas comuns usadas em rádios, lanternas, aparelhos portáteis em geral.

Possui uma vasilha cilíndrica de zinco como ânodo e, no centro, fica o cátodo, um bastão de carbono.

O interior da vasilha é forrado com papel que serve como barreira porosa. O eletrólito é uma mistura pastosa e úmida de cloreto de amônio, óxido de manganês(IV), carbono finamente pulverizado, e um suporte inerte, usualmente goma.

Pilha Seca

Tem potencial de 1,5 V, diminuindo com o uso até 0,8 V.

Vantagens – baixo custo, feita de material não tóxico.

Desvantagem – não pode ser reciclada, pode vazar, curta vida útil, potencial e corrente instáveis.

Reações que ocorrem nesse tipo de pilha.

Zn(s) | ZnCl₂(aq), NH₄Cl(aq) | MnO(OH)(s) | MnO₂ (S) | grafite

Ânodo: Zn(s) → Zn²⁺ (aq) +2e^– seguida por: Zn²⁺(aq) + 4 NH₃(g) → [Zn(NH₃)₄]²⁺(aq)

Cátodo: MnO₂(s) + H₂O(l) e^– → MnO(OH)(s) + OH^–(aq)

seguida por: NH₄⁺(aq) + OH^–(aq) → H₂O(l) + NH₃(g)

• Pilha alcalina

Usa eletrólito alcalino, com o qual o eletrodo de zinco não reage diretamente quando a bateria não está sendo usada.

Potencial = 1,5 V

Vantagens – baixo custo, feita de materiais não tóxicos, vida útil relativamente longa (cerca de 5 anos), corrente e potencial estáveis, pouco risco de vazamento.

Desvantagens – não pode ser reciclada, mais cara que a convencional.

Reações que ocorrem nesse tipo de pilha:

Zn(s) | ZnO(s) | OH-(aq) | Mn(OH)₂(s) | MnO₂(s) | grafite, 1,5 V

Ânodo: Zn(s) + 2 OH^– (aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e^–

Cátodo: MnO₂(s) + 2H₂O(l) + 2 e^– → Mn(OH)₂(s) + 2 OH^–(aq)

• Zn/Ag

Tem um cátodo de Ag₂O.

Potencial – 1,6 V

Vantagens – pode ser feita em tamanhos muito pequenos, aplica um potencial confiável e estável por longo período de tempo, tem toxicidade relativamente baixa.

Desvantagem – não pode ser reciclada, muito cara.

Reações que ocorrem nesse tipo de pilha:

Zn(s) | ZnO(s) | KOH(aq) | Ag₂O(s) | Ag(s) | aço, 1,6V

Ânodo: Zn(s) + 2 OH^–(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2 e^–

Cátodo: Ag₂O(s) + H₂O(l) + 2 e^– → 2Ag(s) + 2 OH^–(aq)

Células a combustível

Nos primeiros anos do programa espacial, manter a vida no espaço era um dilema, pois as espaçonaves precisavam ser leves e terem fontes de energia eficientes (as baterias eram muito pesadas e a combustão desperdiçava muita energia).

A célula combustível, desenvolvida por Francis Bacon, gera eletricidade diretamente de uma reação química, como em uma bateria, mas usa reagentes que são fornecidos continuamente, como em um motor.

A célula combustível de hidrogênio/oxigênio foi produzida para ser usada como combustível espacial e tem por vantagem gerar como único produto a água, que pode ser bebida pela tripulação (a fonte de água no espaço também era um problema).

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Desafios

Questão 1

(UFRGS)

Um acumulador de chumbo (bateria convencional) é uma célula galvânica que funciona através das semirreações abaixo, cujos potenciais de redução estão especificados:

PbSO₄ + H+ + 2e^– → Pb + HSO₄^–

Eº = -0,300 V

PbO₂ + HSO₄^– + 3H⁺ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O

Eº = 1,630 V

Com base nesse dados, são feitas as seguintes afirmações:

I- há deposição de PbSO₄ no cátodo e no ânodo;

II- no processo, há consumo de ácido sulfúrico;

III- dióxido de chumbo é empregado na constituição do ânodo;

IV- são necessárias, seis células desse tipo ligadas em série para a obtenção de uma tensão nominal aproximada de 12 V.

Quais estão corretas?

a) apenas I e III.

b) apenas II e IV.

c) apenas IV.

d) apenas I, II e IV.

e) I, II, III e IV

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Questão 2

Pilhas e baterias são dispositivos tão comuns em nossa sociedade que, sem percebermos, carregamos várias delas junto ao nosso corpo (aparelhos de MP3, relógios, rádios, celulares, etc.). As semirreações, descritas a seguir, ilustram o que ocorre em uma pilha de óxido de prata.

Zn(s) + OH^–(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + e^–

Ag₂O(s) + H₂O(l) + e^– → Ag(s) + OH^–

Pode-se afirmar que esta pilha:

a) É uma pilha ácida.

b) Apresenta o óxido de prata como ânodo.

c) Apresenta o zinco como agente oxidante.

d) Tem como reação de células a seguinte reação: Zn_(s) + Ag₂O_(s) → ZnO_(s) + 2 Ag_(s).

e) Apresenta fluxo de elétrons na pilha do eletrodo de Ag₂O para o Zn.

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Questão 3

A pilha de sódio-enxofre, usada em automóveis movidos a energia elétrica, é uma inovação. Quanto a ela é correto afirmar:

a) Funciona a temperatura ambiente.

b) Tem baixo custo de fabricação.

c) Altamente estável e segura.

d) Facilmente recarregada.

e) Possui vida útil curta.

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Questão 4

O crescimento da produção de energia elétrica ao longo do tempo tem influenciado decisivamente o progresso da humanidade, mas também tem criado uma séria preocupação: o prejuízo ao meio ambiente.

Nos próximos anos, uma nova tecnologia de geração de energia elétrica deverá ganhar espaço, as células a combustível hidrogênio/oxigênio.

Com base no texto e na figura, a produção de energia elétrica por meio da célula a combustível hidrogênio/oxigênio diferencia-se dos processos convencionais porque:

a) transforma energia química em energia elétrica, sem causar danos ao meio ambiente, porque o principal subproduto formado é a água.

b) converte a energia química contida nas moléculas dos componentes em energia térmica, sem que ocorra a produção de gases poluentes nocivos ao meio ambiente.

c) transforma a energia química em energia elétrica, porém emite gases poluentes da mesma forma que a produção de energia a partir de combustíveis fósseis.

d) converte a energia elétrica proveniente dos combustíveis fósseis em energia química, retendo os gases poluentes produzidos no processo sem alterar a qualidade do meio ambiente.

e) converte a energia potencial acumulada nas moléculas de água contidas no sistema em energia química, sem que ocorra a produção de gases poluentes nocivos ao meio ambiente.

Questão 5

A composição média de uma bateria automotiva esgotada é de aproximadamente 32% Pb, 3% PbO, 17% PbO₂ e 36% PbSO₄. A média de massa da pasta residual de uma bateria usada é de 6kg, onde 19% é PbO₂, 60% PbSO₄ e 21% Pb. Entre todos os compostos de chumbo presentes na pasta, o que mais preocupa é o sulfato de chumbo (II), pois nos processos pirmometalúrgicos, em que os compostos de chumbo (placas das baterias) são fundidos, há a conversão de sulfato em dióxido de enxofre, gás muito poluente.

Para reduzir o problema das emissões de SO₂, a indústria pode utilizar uma planta mista, ou seja, utilizar o processo hidrometalúrgico, para a dessulfuração antes da fusão do composto de chumbo. Nesse caso, a redução de sulfato presente no PbSO₄ é feita via lixiviação com solução de carbonato de sódio (Na₂CO₃) 1M a 45ºC, em que se obtém o carbonato de chumbo (II) com rendimento de 91%. Após esse processo, o material para a fundição pra obter o chumbo metálico:

PbSO₄ + Na₂CO₃ → PbCO₃ + Na₂SO₄

Dados: massas molares em g/mol, Pb=207; S=32; Na=23; O=16; C=12

Segundo as condições do processo apresentado para a obtenção de carbonato de chumbo (II) por meio da lixiviação por carbonato de sódio e considerando uma massa de pasta residual de uma bateria de 6kg, qual quantidade aproximada, em quilogramas, de PbCO₃ que é obtida?

a) 1,7 kg

b) 1,9 kg

c) 2,9 kg

d) 3,3 kg

e) 3,6 kg