PILHAS COMERCIAIS

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curso de FARMÁCIA
 
PILHAS E BATERIAS COMERCIAIS
TIPOS DE PILHAS E BATERIAS
Arapongas
2020
 
PILHAS E BATERIAS COMERCIAIS
TIPOS DE PILHAS E BATERIAS
Trabalho apresentado à Universidade Norte do Paraná - UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção de média do 5º semestre
Arapongas
2020
SUMÁRIO
1 PILHAS E BATERIAS COMERCIAIS......................................................................3
2 PILHAS.....................................................................................................................6
3 BATERIAS................................................................................................................9
4 CONCLUSÃO.........................................................................................................15
5 REFERÊNCIAS.......................................................................................................16
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Pilhas e Baterias Comerciais: tipos de pilhas e baterias
(entregar 20/05)
 As pilhas e as baterias são dispositivos estudados em Eletroquímica que transformam energia química em energia elétrica. Dentro desses aparelhos ocorrem reações de oxirredução, em que há transferência de elétrons, produzindo assim corrente elétrica.
 A diferença entre as pilhas e baterias está no fato de que as pilhas, também chamadas de células eletroquímicas, são formadas por dois eletrodos positivo (cátodo) e negativo (ânodo) onde ocorrem respectivamente as semirreações de redução e oxidação, além de um eletrólito, que é uma solução condutora de íons.
 Já as baterias são formadas por várias pilhas ligadas em série ou em paralelo. Graças a isso, as baterias produzem uma corrente elétrica muito mais forte que as pilhas.
 Além disso, as pilhas e baterias podem ser divididas em primárias (não recarregáveis) e secundárias (recarregáveis).
 O processo químico de troca de elétrons, conhecido como oxirredução, é responsável pelo funcionamento e propriedades das pilhas e baterias de nosso cotidiano. “No dia-a-dia usamos os termos pilha e bateria indistintamente. Pilha é um dispositivo constituído unicamente de dois eletrodos e um eletrólito, arranjados de maneira a produzir energia elétrica. Bateria é um conjunto de pilhas agrupadas em série ou paralelo, dependendo da exigência por maior potencial ou corrente.
 Desse modo, o processo eletrolítico envolvido em uma pilha ou em uma bateria é o mesmo, e trata de uma troca de elétrons entre duas espécies, um agente oxidante e um agente redutor. Por exemplo, no caso da pilha alcalina tem-se uma barra de manganês metálico eletroliticamente puro, imerso numa pasta de hidróxido de zinco. Dela são conhecidos os respectivos potenciais-padrão de redução, conforme as equações abaixo:
Mn2+  +  2e → Mn0     E0 = -1,18V
Zn2+  +  2e  → Zn0      E0 = -0,76V
 Inicialmente, ambas as equações apresentam uma redução (recebimento de elétrons). Para se chegar ao potencial gerado pela pilha, deve-se inverter a equação de menor valor, independentemente de sua natureza, invertendo-se assim o sinal matemático da mesma, de modo a chegar-se a:
Mn0 →    Mn2+  +  2e E0 = +1,18V
Zn2+  +  2e  → Zn0      E0 = -0,76V
 Ao se somar os potenciais de oxidação (primeira equação) e de redução (segunda equação), chega-se o potencial gerado pela pilha na associação dos dois metais. No caso, a pilha possui um potencial de +0,42 volts. Ao se associar, em série ou paralelo, conjuntos individuais dessa duplas de metais, aumentando o potencial referido potencial individualmente, formamos uma bateria.
 A função primária de uma pilha é converter energia química em energia elétrica, por meio de uma reação espontânea de troca de elétrons entre duas espécies (eletrodos), geralmente metálicas. Forma-se um eletrodo no momento em que se tem um fragmento metálico imerso em uma solução de seus íons. No caso, pode-se denominar esse dispositivo de pilha galvânica, pilha elétrica ou ainda simplesmente pilha.
 Particularmente em relação às baterias, percebe-se atualmente uma maior preocupação ambiental com o seu descarte, ainda problemático e altamente agressivo ao meio ambiente. Por exemplo, “baterias de hidreto metálico/óxido de níquel e as de íons lítio representam um risco ambiental muito menor do que as de níquel/cádmio. Apesar disso, das 5 milhões de baterias de telefones celulares existentes no Brasil em 1999, 80% ainda eram de níquel/cádmio; apenas 18% eram de hidreto metálico/óxido de níquel e 2% de íons lítio.” Atualmente, as pilhas e baterias de íons de lítio dominam o mercado.
PILHAS
 Pilhas são dispositivos capazes de produzir corrente elétrica (energia elétrica) a partir de reações de oxidação e redução de componentes metálicos presentes em sua estrutura. Vale dizer que:
· Oxidação: é a capacidade que um material apresenta de perder elétrons;
· Redução: é a capacidade que um material apresenta de ganhar elétrons.
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.
 
Funcionamento de uma pilha
Para explicar o funcionamento de uma pilha, vamos utilizar uma das primeiras pilhas construídas, a pilha de Daniell:
Esquema da pilha de Daniell
Na pilha de Daniell, temos:
· Um ânodo de zinco (formado por uma placa) imerso em uma solução formada por água e sulfato de zinco (ZnSO4). A placa de zinco, ao sofrer oxidação, libera elétrons, formando o cátion Zn+2, que permanece na solução. Com isso, a placa tem seu tamanho diminuído e a solução fica com excesso de cátions;
· Um cátodo de cobre (formado por uma placa) imerso em uma solução formada por água e sulfato de cobre (CuSO4). Na solução, existem cátions cobre (Cu+2), os quais, ao receber os elétrons vindos do ânodo, transformam-se em cobre sólido (Cu) e aderem-se à placa. Com isso, a placa tem seu tamanho aumentado e a solução fica com deficiência de cátions;
· Uma ponte salina, formada por uma solução de água e cloreto de potássio (KCl), que possui cátions potássio (K+) e ânions cloreto (Cl-). Durante o funcionamento da pilha, cátions da ponte salina deslocam-se para a solução do cátodo, e os ânions da ponte salina deslocam-se para a solução do ânodo;
· Um fio condutor conecta o ânodo ao cátodo.
 
Componentes de uma pilha qualquer
 
· 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. Geralmente, apresenta uma mistura pastosa com íons capazes de sofrer redução;
· Condutor de elétrons: é o material por onde os elétrons percorrem o caminho do ânodo até o cátodo.
 
Exemplos de pilhas existentes no mercado
a) Pilha comum (pilha de Leclanché)
Foi a primeira pilha desenvolvida sem a presença de soluções. Trata-se de uma pilha capaz de produzir uma voltagem (diferença de potencial) em torno de 1,5 V e apresenta os seguintes componentes:
· Ânodo: formado por uma placa de zinco metálico;
· Cátodo: formado por uma pasta com dióxido de manganês (MnO2), cloreto de amônio (NH4Cl), água e amido.
Representação esquemática dos componentes de uma pilha comum
Trata-se de uma pilha muito utilizada em brinquedos e dispositivos eletrônicos gerais (controle remoto, lanternas etc.).
b) 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 e apresenta os seguintes componentes:
· Ânodo: geralmente formado por uma placa de zinco, cádmio e outros metais;
· Cátodo: formado também por uma mistura pastosacom óxidos de alguns metais, mas com a presença de cloreto de potássio (Kcl) em vez do cloreto de amônio.
Essa pilha apresenta as mesmas aplicações de uma pilha comum.
c) Pilha de lítio e iodo
Pilha alcalina capaz de produzir uma voltagem em torno de 2,8 V e apresenta os seguintes componentes:
· Ânodo: formado por uma placa de lítio;
· Cátodo: formado por um complexo de iodo.
Essa pilha é utilizada em aparelhos de marca-passo, por exemplo.
d) Pilha de mercúrio e zinco
Pilha alcalina capaz de produzir uma voltagem em torno de 1,35 V e apresenta os seguintes componentes:
· Ânodo: formado por uma placa de zinco;
· Cátodo: formado por uma pasta com óxido de mercúrio (HgO).
Essa pilha é muito utilizada em relógios e calculadoras, por exemplo.
BATERIAS
 As baterias são conjuntos de pilhas ligadas em série, ou seja, são dispositivos eletroquímicos nos quais ocorrem reações de oxidorredução, produzindo uma corrente elétrica. Podem ser chamadas ainda de pilhas secundárias, baterias secundárias ou acumuladores.
Obs.: As pilhas ou baterias primárias são as chamadas pilhas comuns, ou seja, aquelas que não podem ser recarregadas.
 As baterias, assim como as pilhas, apresentam um ânodo e um cátodo, ambos em contato com um eletrólito (na forma de solução ou em gel). O conjunto de pilhas que formam uma bateria é ligado da seguinte forma:
· O polo positivo de uma liga-se ao polo negativo de outra;
· Isso pode ser feito em série ou em paralelo.
 Assim, se tivermos a associação de seis pilhas (cada uma capaz de gerar uma voltagem de 2 V) formando uma bateria, essa bateria terá a capacidade de gerar uma corrente elétrica de 12 V.
Principal diferença entre uma pilha (bateria primária) e uma bateria
 A principal diferença que uma bateria apresenta com relação a uma pilha comum (bateria primária) é o fato de poder ser recarregada, ou seja, voltar a sofrer o processo de oxidação e redução, o que produz a corrente elétrica.
 Como em qualquer pilha, na bateria ocorre a oxidação (perda de elétrons) em um eletrodo e a redução (ganho de elétrons) em outro. Essa reação acaba quando não existe mais o eletrodo de oxidação. Todavia, quando recebe uma descarga elétrica externa, o eletrodo da oxidação é formado novamente, ou seja, volta a existir, favorecendo um novo ciclo de oxidação e redução.
Tipos de baterias
 Atualmente existem alguns tipos de baterias que variam de acordo com a finalidade.
a) Bateria de chumbo/ácido
Trata-se de uma bateria que apresenta, no ânodo, o metal chumbo, e, no cátodo, o dióxido de chumbo (PbO2), ambos imersos em uma solução aquosa com ácido sulfúrico (H2SO4).
· No ânodo: o metal chumbo sofre oxidação (perde elétrons) e interage com ânions sulfato (SO4-2, oriundos do ácido), formando o sal sulfato de chumbo II:
Pb + SO4-2 → PbSO4 + 2 e
· No cátodo: o dióxido de chumbo sofre redução e interage com os íons H+ e SO4-2 do ácido, formando água e sulfato de chumbo II:
PbO2 + 4H+ + SO4-2 → PbSO4 + 2H2O + 2 e
b) Bateria níquel/cádmio
Trata-se de uma bateria que apresenta um ânodo formado por uma liga metálica de ferro e cádmio e um cátodo formado por hidróxido de níquel III (NiO(OH)2). Esses dois eletrodos ficam imersos em uma solução com água e hidróxido de potássio, que é o eletrólito:
· No ânodo: o cádmio presente na liga metálica sofre oxidação (perde elétrons) e interage com os cátions hidróxido (OH-) presentes na solução:
Cd + OH- → Cd(OH)2 + 2 e
· No cátodo: o hidróxido de níquel III, em contato com a água da solução, recebe os elétrons perdidos pelo cádmio e sofre redução, formando hidróxido de níquel II hidratado e liberando ânions hidróxido:
NiOOH + 2 H2O + 2e → Ni(OH)2.H2O + OH-
 Quando todo o cádmio sofre oxidação, a bateria para de gerar corrente elétrica. Porém, ao fornecer energia elétrica do meio externo, ambas as equações passam a ocorrer de forma inversa, restabelecendo os dois eletrodos.
c) Bateria hidreto metálico/óxido de níquel
Trata-se de uma bateria com o mesmo princípio da bateria níquel/cádmio, mas, em vez de utilizar a liga de cádmio, utiliza um hidreto metálico (composto em que o hidrogênio é o elemento mais eletronegativo, acompanhado de um metal das famílias IA ou IIA).
Nessa bateria, quem oxida é o hidrogênio, que interage com íons OH- do meio e forma água, além da formação de um metal.
· No Cátodo, a mesma reação que na bateria de níquel cádmio:
NiOOH + 2 H2O + 2e → Ni(OH)2.H2O + OH-
Quando todo o hidrogênio do hidreto oxida, a bateria para de gerar corrente elétrica. Porém, ao fornecer energia elétrica do meio externo, ambas as equações passam a ocorrer de forma inversa, restabelecendo os dois eletrodos.
d) Bateria de íons lítio
Na bateria de íons lítio temos um ânodo formado pela associação de lítio e grafite (carbono), enquanto que no cátodo temos um óxido formado por lítio e cobalto.
· No ânodo: o carbono sofre oxidação e libera íons lítio e elétrons
LiyC(s) → C(s) + yLi+ + e
· No cátodo: os íons lítio chegam juntamente com os elétrons, sendo que esses íons se incorporam ao óxido formado por lítio e cobalto, aumentando a quantidade de lítio no óxido:
LiCoO(s) + Li+ + e → Li2CoO(s)
 Quando todo carbono oxida, a bateria para de gerar corrente elétrica. Porém, ao fornecer energia elétrica do meio externo, ambas as equações passam a ocorrer de forma inversa, restabelecendo os dois eletrodos.
Principais utilizações dos tipos de baterias estudados
a) Chumbo/ácido
Bateria muito utilizada em veículos como:
· Carros de passeio
· Caminhões
· Motos
b) Bateria níquel/cádmio, bateria hidreto metálico/óxido de níquel, bateria de íons lítio.
Bateria utilizada em alguns aparelhos celular
Essas baterias podem ser utilizadas em aparelhos portáteis como:
· Máquinas fotográficas
· Celulares
· Notebooks
· Filmadoras
· Telefones sem fio
· Brinquedos eletrônicos de uma forma geral.
 Porém, a bateria de níquel/cádmio vem sendo gradativamente substituída pela bateria de hidreto metálico/óxido de níquel, pelo fato de que essa última contém componentes e resíduos menos poluentes.
 As baterias de íon lítio tem sido utilizadas de forma específica em aparelhos smartphones e tablets, por apresentar uma maior durabilidade de carga, menor quantidade de substâncias utilizadas e uma menor ocorrência do efeito memória (que é o chamado vício da bateria, ou seja, perde a carga com mais facilidade).
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS
Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas-baterias.htm
Disponível em: https://www.infoescola.com/quimica/pilhas-e-baterias/
Disponível em: https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/pilhas.htm
Disponível em: https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/baterias.htm
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