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Pilhas e Baterias - Teoria

Pilhas
Pilha é qualquer dispositivo no qual uma reação de oxirredução espontânea produz corrente elétrica.
Cátodo é o eletrodo no qual há redução (ganho de elétrons). É o pólo positivo da pilha.
Ânodo é o eletrodo no qual há oxidação (perda de elétrons). É o pólo negativo da pilha.
Os elétrons saem do ânodo (pólo negativo) e entram no cátodo (pólo positivo) da pilha.

Pilhas comerciais

Pilha seca comum eclanché)
 

Pilha alcalina comum

Pilha de mercúrio (Hg)

Bateria de níquel-cádmio (Ni-Cd)

Bateria de chumbo (Pb)

Pilha de combustível


PILHA SECA COMUM OU PILHA DE LECLANCHÉ

Esse tipo de pilha é constituído por um invólucro de zinco que funciona como o ânodo (pólo negativo), enquanto que o cátodo é formado por uma barra de grafita e mergulhado numa pasta úmida contendo

MnO2, NH4Cl, ZnCl2 e carvão em pó (C).
As reações que ocorrem neste tipo de pilha são as seguintes:

Ânodo: Zn(s) --> Zn²+(aq) + 2e-
Cátodo: 2MnO2 + 2NH4+ 2e- --> Mn2O3(s) + H2O

Por ser resultado de uma equação química sempre existirá o componente limitante da reação, quando ele acaba a reação para de acontecer impedindo que a pilha funcione, mesmo colocando-a na geladeira.

Onde são usadas as pilhas secas?
As pilhas secas são do tipo zinco-carbono, são geralmente usadas em lanternas, rádios e relógios. Esse tipo de pilha tem em sua composição Zn, grafite e MnO2 que pode evoluir para MnO(OH). Além desses elementos também é importante mencionar a adição de alguns elementos para evitar a corrosão como: Hg, Pb, Cd, In.
Estas pilhas contêm até 0,01% de mercúrio em peso para revestir o eletrodo de zinco e assim reduzir sua corrosão e aumentar a sua performance. O NEMA (Associação Nacional Norte-Americana dos Fabricantes Elétricos) estima que 3,25 pilhas zinco-carbono per capita são vendidas ao ano nos Estados Unidos da América.

Como descartar pilhas secas?
Verifique na embalagem se elas devem ou não ser devolvidas ao fabricante para serem recicladas.
Os fabricantes devem facilitar a troca de pilhas e baterias e facilitar o acesso a elas. Em caso de dúvida entre em contato com o fabricante.

OBS: Métodos de acordo com a lei

PILHA DE LECLANCHÉ
(PILHA SECA ou PILHA COMUM)

Esta pilha foi inventada em 1866 pelo engenheiro francês George Leclanhé (1839-1882). A pilha de Leclanché é a precursora das modernas pilhas secas de uso tão diversificado.
Dão voltagem de 1,5V, e são extensivamente usadas em lanternas, rádios portáteis, gravadores, brinquedos, flashes, etc.
A pilha de Leclanché é formada por um cilindro de zinco metálico, que funciona como ânodo, separado das demais espécies químicas presentes na pilha por um papel poroso. O cátodo é o eletrodo central.
Este consiste de grafite coberto por uma camada de dióxido de manganês, carvão em pó e uma pasta úmida contendo cloreto de amônio e cloreto de zinco. Esta pilha tem caráter ácido, devido a presença de cloreto de amônio.
A expressão pilha seca é apenas uma designação comercial que foi criada há muitos anos para diferenciar este tipo de pilha (revolucionário na época) das pilhas até então conhecidas, que utilizavam recipientes com soluções aquosas, como a pilha de Daniell.
Depois que a pilha comum para de funcionar (descarrega) ela pode ser recarregada e voltar a funcionar novamente?
Não. Porque a pilha de Leclanché não é recarregável (semi-reação de redução irreversível). A pilha cessa seu funcionamento quando todo o dióxido de manganês é consumido.
Por que será que ocorrem alguns vazamentos nas pilhas comuns, causando muitas vezes estragos nos equipamentos?
Porque essa pilha não funciona totalmente a seco, ocorrem paralelamente, lentas reações redox, causando ruptura do cilindro de zinco e vazamento da pasta ácida corrosiva, por isso é importante não deixar pilhas sem uso dentro dos equipamentos durante longos períodos.
Será que a pilha comum dura mais se intercalar períodos de uso e de repouso?
Sim. Pois ao utilizar continuamente a pilha, os gases formados: hidrogênio e gás amônia impedem o fluxo de cargas elétricas fazendo com que a corrente caia.
Retirando a pilha do aparelho, após um certo tempo ela irá funcionar, pois as bolhas gasosas formadas serão desfeitas.
Se colocarmos uma pilha gasta na geladeira ela é recarregada?
Não, ela volta a funcionar durante algum tempo, porque a baixa temperatura faz com que o gás amônia seja removido, o que não significa que ela foi recarregada.
E na água quente a pilha é recarregada?
Recarregada não, mas o aumento de temperatura irá favorecer a perda de elétrons, fazendo com que ela funcione por mais algum tempo.

PILHAS ALCALINAS

As pilhas alcalinas são compostas de um anodo, um “prego” de aço envolto por zinco em uma solução de KOH alcalina (pH14), um catodo de anéis de MnO2 compactado envoltos por uma capa de aço niquelado, um separador de papel e um isolante de nylon (5).

Até 1989, a típica pilha alcalina continha mais de 1% de mercúrio. Em 1990, pelo menos 3 grandes fabricantes de pilhas domésticas 2 começaram a fabricar e vender pilhas alcalinas contendo menos de 0,025% de mercúrio.

A NEMA estima que 4,25 pilhas alcalinas per capita são vendidas por ano nos EUA (4).

PILHA SECA ALCALINA ou PILHA COMUM ALCALINA

Essas pilhas são semelhantes à de Leclanché. As principais diferenças são: sua mistura eletrolítica que contém hidróxido de potássio ou de sódio (bases), ao invés de cloreto de amônio (sal ácido), e o ânodo é feito de zinco altamente poroso, que permite uma oxidação mais rápida em relação ao zinco utilizado na pilha seca comum.
As pilhas alcalinas dão voltagem de 1,5 V, e não são recarregáveis. Comparando-as com as pilhas secas comuns, as alcalinas são mais caras, mantêm a voltagem constante por mais tempo e duram cinco vezes mais.

Isso ocorre porque o hidróxido de sódio ou potássio é melhor condutores eletrolíticos, resultando uma resistência interna da pilha muito menor do que na pilha de Leclanché.
Por que será que as pilhas alcalinas duram mais que as comuns?
Nas pilhas alcalinas, o meio básico faz com que o eletrodo de zinco sofra uns desgastes mais lentos, comparados com as pilhas comuns que possuem um caráter ácido.
PILHAS ALCALINAS

A pilha é composta por um anodo, pólo negativo, de zinco de grande superfície, um catodo, pólo positivo, de dióxido de manganês eletrolítico de alta densidade e um eletrólito de hidróxido de potássio.

A reação entre estes três componentes é que gera a energia necessária e faz a pilha funcionar.
Como descartar
Baterias e pilhas têm em suas composições metais pesados altamente tóxicos, como cádmio, níquel, chumbo e mercúrio. Depois de utilizadas, a maioria é jogada em aterros sanitários ou lixões a céu aberto. Além de poluir o meio ambiente, contaminar o solo e as águas,  causam males aos homens, como problemas renais, mentais, pulmonares e até a morte.
Mecanismos de reutilização, reciclagem, tratamento e disposição final estão sendo pesquisadas e colocadas em prática pelas indústrias fabricantes.
As pilhas têm um tempo de degradação de 100 a 500 anos. Já para os metais pesados, este tempo é infinito, ou seja, eles se transformam, mas continuam existindo, já que são de difícil absorção pela natureza.
Se dermos o destino correto a elas, estaremos contribuindo não só com o meio ambiente, mas com nossa própria saúde. 
POR QUE SEPARAR?
Recolha suas pilhas e baterias usadas que não sejam alcalinas (baterias de celular....) e leve-as a qualquer estabelecimento que comercialize estes produtos. Eles vão encaminhar aos fabricantes, que darão o destino correto, sem prejudicar o meio ambiente ou o ser humano. Já as pilhas alcalinas podem ser depositadas no lixo domiciliar, pois já estão de acordo com as normas estabelecidas.  
Ainda não existe um programa nacional ou regional para reciclagem de pilhas alcalinas.

Algumas empresas aceitam pilhas alcalinas para recuperação e descarte. Para obter a lista dessas empresas, entre em contato com a Dry Battery Section da National Electrical Manufacturers Association (1-703-413-3200).

As pilhas alcalinas da Kodak são fabricadas sem mercúrio desde 1992 e, portanto, não são resíduos perigosos para descarte. Por isso, é possível descartá-las de acordo com o programa municipal de eliminação de resíduos
PILHA DE MERCURIO
Mercúrio, apesar de ser um elemento natural que se encontra na natureza, pode ser encontrado em baixas concentrações no ar, na água e no solo.
Consequentemente o mercúrio pode estar presente, em algum grau, nas plantas, animais e tecidos humanos. Quando as concentrações do mercúrio excedem os valores normalmente presentes na natureza, entretanto, surge o risco de contaminação do meio ambiente e dos seres vivos, inclusive o homem.
O mercúrio é o único metal líquido à temperatura ambiente. Seu ponto de fusão é -40°C e o de ebulição 357°C. É muito denso (13,5 g/cm3), e possui alta tensão superficial. Combina-se com outros elementos como o cloro, o enxofre e o oxigênio, formando compostos inorgânicos de mercúrio, na forma de pó ou de cristais brancos.

Um desses compostos é o cloreto de mercúrio, que aparece nas pilhas secas e será abordado no presente trabalho. Esse composto prejudica todo o processo de reciclagem se não for retirado nas primeiras etapas de tratamento.
Embora muitos fabricantes afirmem o contrário, a maioria das pilhas zinco-carbono possui mercúrio em sua composição, proveniente do minério de manganês. Apenas atualmente alguns desses fabricantes têm encontrado soluções para evitar o uso deste metal.

O mercúrio também se combina com carbono em compostos orgânicos.
É utilizado na produção de gás cloro e de soda cáustica, em termômetros, em amálgamas dentárias e em pilhas.
O mercúrio é facilmente absorvido pelas vias respiratórias quando está sob a forma de vapor ou em poeira em suspensão e também é absorvido pela pele.

A ingestão ocasional do mercúrio metálico na forma líquida não é considerada grave, porém quando inalado sob a forma de vapores aquecidos é muito perigoso.

A exposição ao mercúrio pode ocorrer ao se respirar ar contaminado, por ingestão de água e comida contaminada e durante tratamentos dentários.

Em altos teores, o mercúrio pode prejudicar o cérebro, o fígado, o desenvolvimento de fetos, e causar vários distúrbios neuropsiquiátricos.
O sistema nervoso humano é também muito sensível a todas as formas de mercúrio.

Respirar vapores desse metal ou ingeri-lo são muito prejudiciais porque atingem diretamente o cérebro, podendo causar irritabilidade, timidez, tremores, distorções da visão e da audição, e problemas de memória. Podem haver também problemas nos pulmões, náuseas, vômitos, diarréia, elevação da pressão arterial e irritação nos olhos, pneumonia, dores no peito, dispnéia e tosse, gengivite e salivação.

A absorção pode se dar também lentamente pela pele.
No Brasil, os valores admissíveis de presença do mercúrio no ambiente e nos organismos vivos são estabelecidos por normas que estabelecem limites de tolerância biológica.

A legislação brasileira através das Normas Regulamentadoras (NRs) do Ministério do Trabalho e a Organização Mundial de Saúde e através da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT NBR10004) estabelece como limite de tolerância biológica para o ser humano, a taxa de 33 microgramas de mercúrio por grama de creatinina urinária e 0,04 miligramas por metro cúbico de ar no ambiente de trabalho. O mercúrio ocupa lugar de destaque entre as substâncias mais perigosas relacionadas nessas normas.

Por sua vez a norma regulamentadora NR15, do Ministério do Trabalho, que trata das atividades e operações em locais insalubres, também lista o mercúrio como um dos principais agentes nocivos que afetam a saúde do trabalhador.

Em 1988, o consumo de mercúrio americano foi de 1755 t. Deste total, 13% (225 t) foi usado na produção de baterias, dos quais 73% (173 t) foram usados na produção de baterias de óxido de mercúrio, e aproximadamente 126 t na produção de baterias para aplicações médicas, militares ou industriais. Portanto, ao menos 56% do mercúrio usado na produção de baterias é usado em baterias "não-domésticas".

Ao contrário do chumbo e do cádmio, espera-se que a quantidade de mercúrio consumido na produção de baterias continue a diminuir.
Além disso, os fabricantes e importadores deverão implementar sistemas de coleta, transporte, armazenamento, reutilização, reciclagem tratamento e/ou disposição final, em prazos definidos na resolução.


As pilhas e baterias que estiverem dentro das especificações acima poderão ser dispostas pela população juntamente com os resíduos domiciliares.
A resolução parece bastante conservadora uma vez que os limites propostos já estão na maioria dos casos dentro do que a maioria dos fabricantes de pilhas já alcança a alguns anos. Assim, apenas as baterias de Ni-Cd e chumbo-ácido seriam sujeitas a maior controle pelas empresas.

Destaca-se que o efeito dos metais pesados depende muito do seu estado no material. Por exemplo, usa-se Hg nos amálgamas dentários. Entretanto a resolução permitirá até 250ppm (0,025%) de Hg nas pilhas.

Não se considera que o mesmo está em sua maioria solúvel nestes materiais e portanto seriam considerados resíduos classe 1 se fossem submetidos à mesma sistemática de classificação de resíduos industriais.

PILHA SECA ALCALINA ou PILHA COMUM ALCALINA
Pilhas de lítio são mais leves e oferecem alta densidade de carga: a de lítio-iodo tem uma densidade de energia de 0,8 Wh/cm 3 e é especialmente útil em marcapassos. A pilha de Li-SO pode chegar a ter uma densidade de carga de 8 Wh/cm o tamanho D dessa pilha pode produzir uma corrente de 50 ampères!!

O principal uso do Li na indústria é no fabrico de estearato de lítio para graxas lubrificantes, Essas graxas têm alta resistência à umidade, são excelentes em alta temperatura e comportam- se muito bem em baixa temperatura.

Devido a essas três qualidades, cerca de 1/3 do mercado de graxas para o setor automotivo corresponde às graxas de Li.

Alguns sais de lítio também são usados em certos tratamentos psiquiátricos. A maior parte do lítio metálico produzido nos Estados Unidos é purificada para se obter o isótopo Li, puro.

Por essa razão, a massa molecular do Li adquirido no mercado pode ser bastante diferente daquela citada em livros. Este isótopo tem grande importância na indústria termonuclear. Hoje, 177 anos após sua descoberta, o lítio ainda não é produzido no Brasil.
PILHA DE COMBUSTIVEL
Por pilha de combustível (PC) entende-se um empilhamento de células galvânicas em que a energia química do combustível se transforma directamente em energia eléctrica por meios electroquímicos. O combustível e o oxidante introduzem-se de forma contínua e separadamente nas células, transformando-se na vizinhança imediata dos eléctrodos.
Entre os possíveis combustíveis, para além dos combustíveis fósseis, como o carvão e os hidrocarbonetos naturais, são usados álcoois, aldeídos, monóxido de carbono e hidrogénio.
O primeiro ensaio de transformação electroquímica dum combustível numa célula galvânica foi levado a cabo por Grove, que construiu uma série de células de combustível de hidrogénio-oxigénio entre 1839 e 1842. Mas, as correntes debitadas pela pilha de Grove eram tão reduzidas que a sua realização não teve importância técnica. Esforços multilaterais foram desenvolvidos posteriormente por Ostwald (1894), Nernst, Haber e sobretudo Baur (1933, 1938), mas nenhum deles conduziu a pilhas com interesse económico.
A utilização de combustíveis activos e os novos conhecimentos no campo da cinética dos processos de eléctrodo e da catálise heterogénea originaram, a partir dos anos 50, um rápido desenvolvimento de pilhas de combustível com características técnicas interessantes. Para este desenvolvimento muito contribuiu o Programa Espacial Americano, particularmente as missões Apollo à Lua, que usaram pilhas de H2 / KOH / O2, cada módulo apresentando uma tensão aos terminais de 0,9V a 100 mA cm-2.
A percepção de que as pilhas de combustível constituem um modo de produção de energia próprio, silencioso e com elevado rendimento potencial podendo ser utilizadas em grande escala no sector dos transportes, da co-geração descentralizada de energia eléctrica e calorífica e noutras aplicações como nos telefones e computadores, fez com que as PCs se tornassem nas mais importantes tecnologias emergentes de conversão de energia dos nossos dias.
Atualmente desenvolve-se 5 tipos de pilhas de combustível, cujas características principais se sumarizam a seguir: 
BATERIAS
BATERIA DE CHUMBO

ACUMULADOR OU BATERIA DE CHUMBO

O acumulador de chumbo foi inventado pelo francês Gaston Piantei em 1860. É uma associação de pilhas (chamadas de elementos, na linguagem da indústria de baterias) ligadas em série. O potencial de cada pilha é aproximadamente 2V.
Uma bateria de pilhas, que é a mais comum nos carros modernos, fornece uma tensão de 12V. Associações ainda menores são usadas em tratores, aviões e em instalações fixas, como centrais telefônicas e aparelhos de PABX.
A bateria de Chumbo é constituída de dois eletrodos; um de chumbo e o outro de dióxido de chumbo, ambos mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico com densidade aproximada de 1,30g/mL.
Quando o circuito externo é fechado, conectando eletricamente os terminais, a bateria entra em funcionamento (descarga), ocorrendo a semi-reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo.
Durante o funcionamento normal de um automóvel, a bateria fornece eletricidade para dar partida; para acender os faróis; ligar o rádio, limpador, setas, buzina, etc. e recebe energia do gerador para se recarregar.
Porque uma bateria de automóvel (chumbo) dura tanto tempo?
Em uso contínuo, a bateria de chumbo duraria poucas horas, mas no automóvel, ela é recarregada pelo gerador, através da aplicação de uma diferença de potencial superior a da bateria em sentido contrário (eletrólise). 
É correto colocar água na bateria de chumbo?
As constantes recargas efetuadas pelo gerador na bateria de chumbo, causa também a decomposição da água da solução da bateria, por isso, periodicamente coloca-se água destilada, no entanto, atualmente estão sendo comercializadas baterias seladas, que em princípio não necessitariam da adição de água.
Quando a bateria de chumbo fica totalmente descarregada?
Durante a descarga da bateria o ácido sulfúrico é consumido, com isso a concentração e a densidade da diminuem gradativamente. Quando a densidade atinge valores inferiores a 1,20g/mL, a bateria está praticamente descarregada. Por isso pode-se testar a carga da bateria com um densímetro.
BATERIA DE NIQUEL
Este é o tipo de bateria recarregável menos eficiente usado atualmente. Uma bateria de Níquel Cádmio tem cerca de 40% da autonomia de uma bateria de Li-Ion do mesmo tamanho, é extremamente poluente e tem a desvantagem adicional de trazer o chamado efeito memória. O efeito memória é uma peculiaridade deste tipo de bateria que exige o descarregamento total das baterias antes de uma recarga, que também deve ser completa. Caso a bateria seja recarregada antes de se esgotar completamente suas células passam a armazenar cada vez menos energia.
Em contrapartida, as baterias de níquel cádmio trazem como vantagens o fato de serem mais baratas e de serem as mais duráveis. Este tipo de bateria tem sua vida útil estimada em mais de 700 recargas (contra 400 recargas para as baterias de Li-Ion). Você encontrará este tipo de bateria tanto em celulares quanto em notebooks antigos. Veja também: Li-Ion 


REFERÊNCIAS BILBLIOGRÁFICAS


AULAS DE QUÍMICA DE ENSINO MÉDIO

otonielcursos.blogspot.com.br