Pilha Galvanica

O que é uma pilha?

As pilhas tiveram origem há mais de 200 anos atrás, destacando-se o trabalho de Luigi Galvani e Alessandro Volta.

Luigi Galvani (1737-1798)

Médico anatomista e cientista italiano, fez uma das primeiras incursões do estudo de bioeletricidade

Em 1756, numa experiência, ao dissecar uma rã descobriu que os músculos se contraiam quando era tocada por dois metais diferentes. Assim, observou que se gerava corrente elétrica.

Alessandro Volta (1745-1827)

Foi um físico italiano, conhecido especialmente pela invenção da primeira bateria elétrica, a chamada pilha de Volta.

Volta não acreditava na teoria de Galvani, pois a seu entender os músculos apenas eram bons condutores de corrente elétrica.

Assim, utlizou uma solução salina, detetando a passagem de corrente elétrica. Mais tarde, criou a primeira pilha eletroquímica, provando que Galvani estava errado.

Célula Galvânica(Voltaica)

Uma pilha voltaica é um dispositivo capaz de converter energia química em elétrica através reações redox espontâneas.

É constituida por 2 semi-células eletroquímicas que se ligam por um fio condutor(permitindo o trasporte dos eletrões) e por uma ponte salina (que mantém a eletroneutralidade de ambas as semi-células).

Reações Redox

Na natureza, a oxidação e a redução estão dependentes uma da outra, pois ao ocorrer oxidação, ocorre simultaneamente uma redução.

São reações que envolvem a trasferência de eletrões.

Ânodo

• Polo negativo da célula;
• Ocorre oxidação;
• Fornece os eletrões ao percurso;
• Os átomos do elétrodo são oxidados.

Cátodo

• Polo positivo da célula;
• Ocorre redução;
• Recebe os eletrões vindos do ânodo;
• Os catiões do eletrólito são reduzidos.

Potencial Normal de redução

• É a tendência que uma determinada espécie química tem para ser reduzida. Os valores do potencial padrão variam conforme se o átomo tem maior ou menor a tendência para reduzir o Hidrogénio.
• Podemos associar o valor do potencial normal de redução ao poder redutor e oxidante, ou seja, quanto maior for o potencial normal de redução, menor será o poder redutor e maior será o poder oxidante.

Força eletromotriz

• É a força criada devido à diferença de potencial que existe entre as duas células.

• Através desta força, os eletrões movimentam-se do ânodo para o cátodo.

Construção duma pilha voltaica

Objetivos desta experiência:

• Identificar os constituintes de uma pilha eletroquímica;
• Prever a diferença de potencial de uma pilha eletroquímica conhecendo os elétrodos(condições-padrão);
• Identificar a relação entre a diferença de potencial e o "quociente de reação";
• "Determinar" experimentalmente a Equação de Nernst;
• Concluir, a partir da observação, a necessidade de utilização de dois metais diferentes.

Cuidados a ter no Laboratório

• Ter as bancadas limpas e arrumadas;
• Usar batas, luvas e outro equipamento de proteção caso seja necessário;
• Evitar o contacto de qualquer substância com o nosso corpo;
• Usar a hotte quando a substância em causa liberta gases e vapores;
• Ler os rótulos de cada substância, para se saber os seus perigos associados;

Materiais e reagentes

• Tiras de alumínio e cobre;
• Cloreto de sódio (NaCl);
• Sulfato de Cobre;
• Nitrato de alumínio;
• Balança;
• Gobelés;
• Vidros de relógio;
• Varetas de vidro;
• Tubo em forma de U para a ponte salina;
• Água de destilada;
• Placa de aquecimento;
• voltímetro;
• Fios condutores;
• Balões volumétricos;
• Agar-Agar.

Procedimento:

Esta experiência baseia-se em, fundamentalmente, 3 passos:

• Preparação da ponte salina;
• Preparação das soluções;
• Preparação e realizamento da experiência em si.

Preparação da ponte salina

• Construção da ponte salina:
• Preparar uma solução aquosa(100ml) de NaCl(3g) com agar-agar(3g);
• Juntar algumas gotas de ácido forte;
• Aquecer a solução, agitando sempre;
• Deixar arrefecer até gelificar.

Reações redox da pilha

Semi-reação de oxidação:

[Al(s) Al³⁺(aq) + 3 e-] x 2

Semi-reação de redução:

[3Cu²⁺(aq)+2e- Cu(s) ] x 3

Reação global da pilha:

2Al(s) +3Cu²⁺(aq) 2Al³⁺(aq) + 3Cu(s)

Diagrama da pilha

Al(s)|Al³⁺(aq)(1,0 mol/dm^[3])||Cu²⁺(aq)(1,0 mol/dm^[3])|Cu(s)

Ponte salina formada por:NaCl e agar-agar

Potenciais Normais de Redução

Eº(Al³⁺/Al)=-1,66 V

Eº(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V

Eº(Cu2+/Cu)>Eº(Al3+/Al)

Com estes valores de potencial normal de redução conclui-se que o poder redutor do alumínio é maior que o do cobre sendo, por isso, o alúminio o ânodo (pois fornece os eletrões) e o cobre o cátodo.

Diferença de potencial em condições padrão

EºPilha=Eº(Cu²⁺/Cu)-Eº(Al³⁺/Al)=0,34-(-1,66)=2,00 V

Assim, verificamos, que em condições padrão, a diferença de potencial da célula é 2,0 V, ou seja, Eº=2,0 V.

Relação entre o Qc e o d.d.p

Força eletromotriz

O potencial varia com a concentração das espécies que participam nas reacções. Esta dependência é dada pela equação de Nernst.A força eletromotriz (f.e.m) é o EºPilha, e é o valor obtido pela equação de Nernst.

Resultados experimentais

• Ao realizarmos a experiência verificámos que o EºPilha (real) = 0,863V é inferior ao valor esperado, EºPilha (teórico) = 2,00V.
• Assim, podemos calcular o rendimento:
• rendimento(%)=(EºPilha (real)/EºPilha (teórico))x 100
• rendimento(%)=(0,863/2,00)x100=43,15%

Crítica dos resultados

Ao analisarmos o valor obtido com o esperado verificamos que existe uma diferença entre eles. Isto permite concluir que foram cometidos erros durante a realização da atividade como por exemplo:

• A limpeza das tiras de alumínio e cobre poderá não ter sido realizada corretamente deixando na mesma óxidos nos metais;
• Poderão também ter ocorrido erros de medição como por exemplo na medição da massa do sulfato de cobre, nitrato de alumínio, NaCl e agar-agar.
• A temperatura a que se realizou a experiência foi de 21,2 ºC em vez dos 25 ºC estipulados.
• A pureza dos reagentes.

Discussão dos resultados

• Terminada a atividade experimental, verificámos que a escolha dos életrodos foi uma decisão acertada, uma vez que o alumínio e o cobre eram os que permitiam a obtenção de valores teóricos de f.e.m mais elevados.
• Outro fator relevante foi que a equação de Nerst não tem em consideração a influência da temperatura no valor da diferença de potencial obtido, apontando-se assim como uma das causas para a divergência dos resultados teóricos e experimentais.

Conclusão

A realização desta atividade experimental permitiu aumentar o conhecimento do funcionamento de uma pilha,e assim como no domínio das reações redox.

De um modo geral, os objetivos foram atingidos, embora houvesse uma diferença de potencial inferior ao do calculado previamente.

Após a realização desta experiência, podemos constatar que a pilha apresenta um papel importante no que diz respeito á evolução das tecnologias, tendo esta sido uma grande descoberta para a sociedade, pois produz energia de forma eficiente e limpa.

Bibliografia/Webgrafia

• Silva, C., Cunha, C., Vieira, M. (2017). Eu e a Química 12º ano- Volume 1. (1ª edição). Porto: Porto Editora;
• http://www.engquimicasantossp.com.br/2015/06/pilha-galvanica-ou-voltaica-celula.html consultado a 30 de novembro;
• http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/linha%20tempo/Volta/origem.html consultado a 30 de novembro;
• https://rmdesenna.wordpress.com/tag/equacao-de-nernst-eletroquimica-celula-galvanica-potencial-de-reacao-potencial-de-eletrodo-pilha-eletroquimica-electrochemistry-galvanic-cell-reaction-potential-electrode-potential/ consultado consultado a 1 de dezembro;
• https://www.google.pt/search?hl=pt-PT&biw=1280&bih=918&tbm=isch&sa=1&ei=hL0nWrpShrVrtqaXiAo&q=relogio+a+pilhas&oq=relogio+a+pilhas&gs_l=psy-ab.3...4190.7819.0.8266.16.13.0.3.3.0.114.1013.12j1.13.0....0...1c.1.64.psy-ab..0.15.914...0j0i67k1j0i30k1j0i8i30k1j0i24k1.0.8AzpapYZtjI#imgrc=I356E8O9CA2T3M: Consultado em 05 de dezembro;
• https://www.google.pt/search?hl=pt-PT&biw=1280&bih=918&tbm=isch&sa=1&ei=jb0nWtapEIT5ap6bhqAJ&q=pilha&oq=pilha&gs_l=psy-ab.3..0i67k1l2j0l8.287770.290570.0.290928.14.11.3.0.0.0.140.905.6j3.10.0....0...1c.1.64.psy-ab..1.11.835.0..0i30k1j0i10i24k1.139.-bBIBJ4PZ_s#imgrc=bhr-ATzIBzyq7M: Consultado em 05 de dezembro
• https://www.google.pt/search?tbm=isch&source=hp&biw=1280&bih=918&ei=k8AnWqmaKMn2aOv3pdgJ&q=galvani&oq=galvani&gs_l=img.3..0l10.1530.3154.0.3624.7.7.0.0.0.0.96.480.7.7.0....0...1ac.1.64.img..0.7.479....0.V2twdDKY9oc#imgrc=RUmexXhXtfQXLM: consultado em 03 de dezembro
• https://www.google.pt/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Fmedia1.britannica.com%2Feb-media%2F49%2F147449-004-CFA07042.jpg&imgrefurl=https%3A%2F%2Fwww.britannica.com%2Fbiography%2FAlessandro-Volta&docid=TMRzcUxNjGH-mM&tbnid=FKYFOKipHrKmhM%3A&vet=10ahUKEwjho7u9kfXXAhWCRBoKHZxnDJoQMwg-KAIwAg..i&w=353&h=450&bih=918&biw=1280&q=volta&ved=0ahUKEwjho7u9kfXXAhWCRBoKHZxnDJoQMwg-KAIwAg&iact=mrc&uact=8
• https://www.google.pt/search?biw=1280&bih=918&tbm=isch&sa=1&ei=7sAnWuH0PIKJaZzPsdAJ&q=pila+volta&oq=pila+volta&gs_l=psy-ab.3..0i13k1l5j0i30k1j0i13i5i30k1j0i8i13i30k1l3.20517.22173.0.22195.10.10.0.0.0.0.139.723.8j1.9.0....0...1c.1.64.psy-ab..1.9.722...0j0i67k1j0i10k1j0i8i30k1j0i19k1j0i8i30i19k1j0i30i19k1.0.-iSslmv0KbY#imgrc=Sf8WFRlKkHrX2M: