INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
PILHAS E BATERIAS
JOÃO PAULO MARQUES TAVARES
ITUMBIARA – GOIÁS JUNHO DE 2012
JOÃO PAULO MARQUES TAVARES
PILHAS E BATERIAS
Trabalho apresentado para avaliação na disciplina de Química Geral do curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, campus Itumbiara. Prof . MSc. Matheus Manoel Teles de Menezes
SUMÁRIO INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 4 1 PILHAS..................................................................................................................... 5 1.1 Estruturas típicas e modo de funcionamento f uncionamento das pilhas .......................... ............ ..................... ....... 5 1.2 Principais tipos t ipos de pilhas comercializadas ......................... ............ .......................... .......................... ................ ... 6 1.2.1 Zinco/Dióxido de Manganês (Pilha de Leclanché) Leclanché) ........................... .............. .................. ..... 6 1.2.2 Zinco/Dióxido Zinco/Dióxido de Manganês (Alcalina) ........................... .............. ......................... ...................... .......... 7 1.2.3 Zinco/Mercúrio ............................. ................ .......................... .......................... .......................... .......................... .................. ..... 8 2 BATERIAS .............................................................................................................. 10 2.1 Principais baterias comercializadas ................................................................. 10 2.1.1 Chumbo/Óxido de chumbo (Chumbo/Ácido) ............ .......................... ............. ............... 10 2.1.2 Cádmio/Óxido de Níquel Níquel (Níquel/Cádmio) ................. .... ........................... ......................... ........... 11 2.1.3 Hidreto Metálico/Óxido de Níquel .......................... ............. .......................... .......................... ................ ... 12 3 DESCARTE DE PILHAS E BATERIAS .................................................................. 13 CONCLUSÃO ............................................................................................................ 14 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 14
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INTRODUÇÃO Criada por Alessandro Volta, a pilha é um dispositivo de grande importância para a sociedade moderna, visto que a grande maioria dos aparelhos eletrônicos, portáteis ou não, necessitam dela para funcionar. No entanto, a produção de pilhas e baterias, aumentou bastante nas últimas décadas, e o modo incorreto de descarte desses dispositivos gera graves problemas ambientais. Este trabalho abordará a história da pilha, os tipos e de pilhas e baterias presente no mercado nacional e as medidas adotadas para o descarte de pilhas e baterias.
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1 PILHAS A pilha, também conhecida como célula galvânica ou célula eletroquímica, é um dispositivo criado pelo cientista italiano Alessandro Volta, em 1799 e publicada em 1800. A criação desse dispositivo engenhoso é o resultado de uma controvérsia entre Alessandro Volta e Luigi Galvani. No ano de 1791 foi publicada uma monografia intitulada de “De eletricitatis in motu musculari” ,
viribus
cujo autor era Luigi Galvani. Nesta monografia,
Galvani retrava suas experiências com rãs dissecadas. Estas contraiam os seus músculos quando eles eram tocados por um arco bimetálico. Galvani, então concluiu em sua monografia que os músculos armazenavam eletricidade e que os nervos a conduziam, funcionando de modo similar a uma garrafa de Leiden. No entanto Volta questionando a suposição de Galvani acreditava que os músculos da rã funcionavam como sensores de algum tipo de eletricidade, cuja origem era externa, e baseando se em outros experimentos acreditava que esta eletricidade gerada era o resultado do contanto entre os dois metais diferentes (fundamentando sua hipótese na Teoria da Eletricidade por contato). Em 1799, Volta, com objetivo de consolidar suas observações acerca da eletricidade gerada pelo contato entre dois metais distintos, realizou um experimento com uma lâmina de prata e outra de zinco e observou com um eletroscópio uma pequena eletricidade gerada pelo contato das lâminas. Tentando aumentar a força elétrica produzida por um único par bimetálico, ele empilhou de forma alternada discos de prata e zinco, deixando sempre as extremidades da pilha com discos compostos por metais diferentes, no entanto ele percebeu que a tensão continuava a mesma, independente da quantidade de discos. Passando a considerar os fluidos animais presentes nos experimentos de Galvani, Volta empilhou os pares bimetálicos colocando entre eles um disco constituído de algum material poroso, embebido em uma solução de sal. Deste modo, ele notou que as tensões se somavam; ele acabava de criar a pilha elétrica.
1.1 Estruturas típicas e o modo de funcionamento das pilhas
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As pilhas basicamente são constituídas por dois eletrodos. Um deles é chamado de anodo, é onde ocorre a oxidação. O outro é o catodo, onde ocorre a redução. Além dos eletrodos, as pilhas de um modo geral apresentam um eletrólito, que consiste em um condutor iônico e pode ser sólido, líquido ou pastoso. Quando os eletrodos são conectados por condutor, uma corrente flui pelo circuito, pois o anodo oxida-se de forma espontânea liberando elétrons e o catodo reduz-se utilizando estes elétrons. Deste modo, a corrente que flui pelo circuito e executa algum tipo de trabalho.
1.2 Principais tipos de pilhas comercializadas As pilhas que são comercializadas são sempre hermeticamente fechadas e possui dimensões padronizadas internacionalmente nas formas cilíndricas (tamanhos AA, AAA, entre outros.), tipo botão e tipo moeda. Além dessas, a forma prismática também pode ser encontrada para aplicações especiais. A preferência pela forma cilíndrica ocorre pela maior facilidade de produção quando comparada com as demais formas.
1.2.1 Zinco/Dióxido de Manganês (Pilha de Leclanché) Inventada em 1865 pelo engenheiro francês George Leclanché, a pilha seca comum (recebeu tal denominação porque o meio eletrolítico nela presente é uma pasta úmida, que contém íons dissolvidos), como também é conhecida, é comumente utilizada em lanternas, controles remotos, rádios. Ela fornece uma tensão que varia entre 1.5V e 1.74V, a temperatura ambiente. O anodo é constituído de zinco metálico e envolve todo o conteúdo da pilha, f uncionando uncionando como um “recipiente” da pilha. O catodo é um bastão de grafite, localizado no centro da pilha, rodeado por uma mistura de dióxido de manganês e grafite. A pasta úmida (o eletrólito) é constituída de cloreto de amônia, cloreto de zinco e água. Quando a pilha está em funcionamento, a semi-reação do anodo é:
n n(a) e-
()
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Os íons Zn 2+ passam para a pasta eletrolítica e os elétrons migram do anodo para o catodo, ocorrendo assim a seguinte reação de redução:
nO Ol e n O Oa
()
seguida por:
a Oa g Ol
()
Após um longo período de uso, amônia gasosa formada ao redor do bastão de grafite age como uma camada isolante, o que acarreta em uma drástica redução de voltagem. O recipiente de zinco vai sendo corroído pelo eletrólito, podendo ser perfurado. Caso isso ocorra, haverá vazamento da pasta com eletrólito que além de tóxica, pode danificar o aparelho.
Figura 1: Modelo esquemático da pilha de Zinco/Dióxido de Manganês (Leclanché). (Leclanché). Fonte: Química Nova na escola, N°11; 2000. p. 5
1.2.2 Zinco/Dióxido de Manganês (Pilha Alcalina) A pilha alcalina é um aprimoramento da pilha de Leclanché. Ela apresenta os mesmos eletrodos de uma pilha seca, no entanto o eletrólito é constituído de uma solução aquosa concentrada de hidróxido de potássio, sendo este o motivo para denominação alcalina. A pilha alcalina fornece um potencial de 1,55V a temperatura ambiente. O recipiente externo dessa pilha é confeccionado em chapa de aço para garantir maior vedação e prevenir um possível vazamento do eletrólito altamente
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cáustico. Portanto, o arranjo dos eletrodos e eletrólito da pilha alcalina é diferente do arranjo de uma pilha de Leclanché. A reação que ocorre no catodo é a mesma que o ocorre que na pilha de Leclanché (eq. ii). No entanto, a reação de descarga no anodo consiste na oxidação do zinco em meio básico, resultando em íons de zincato. Quando a solução de hidróxido de potássio é saturada em íons de zincato, o produto da reação de oxidação do zinco passa a ser o hidróxido de zinco: () () ( () ) ()
()
A pilha alcalina apresenta algumas vantagens sobre a pilha de Leclanché, que estão relacionadas à substituição do cloreto de amônio por hidróxido de potássio. Uma delas é a voltagem, que não cai tão violentamente, como na pilha de Leclanché, já que não há a formação da camada isolante de amônia ao redor do catodo de grafite. As pilhas alcalinas também apresentam um tempo de vida útil maior. Sob o ponto de vista ambiental, as pilhas alcalinas de zinco/dióxido de manganês apresentam também outra vantagem em relação a pilha de Leclanché, elas não apresentam metais tóxicos como mercúrio, chumbo ou cádmio.
Figura 2: Modelo esquemático da pilha de Zinco/Dióxido de M anganês (alcalina). Fonte: Química Nova na Escola, N°11; 2000. p. 5
1.2.3 Zinco/Mercúrio
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Conhecida também como pilha de mercúrio, essa pilha possui um anodo de amálgama de zinco e o catodo é constituído de óxido de mercúrio. O eletrólito consiste em uma solução aquosa de hidróxido de potássio, o que classifica a pilha de mercúrio como uma pilha alcalina. A pilha de mercúrio fornece uma tensão de 1.3V e é pequena, assemelhando se a um botão. A equação da semi-reação semi-reação do anodo é:
n Oa nO Ol e
()
A equação da semi-reação semi-reação do catodo é:
gO Ol e gl Oa
()
A grande vantagem da pilha de zinco/mercúrio em relação às demais pilhas apresentadas, é que a voltagem nesta pilha permanece constante por mais tempo, enquanto nas outras pilhas secas ela decai com o uso. Essa característica a torna adequada para dispositivos de sensíveis, como por exemplo, aparelhos contra surdez, relógios e instrumentos científicos.
Figura 3: Modelo esquemático de uma pilha de mercúrio.
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2 BATERIAS O termo bateria (comumente utilizado de maneira equivocada como sinônimo de pilha) refere se a um conjunto pilhas, primarias (não recarregáveis) ou secundarias (recarregáveis), que podem estar associadas em série ou em paralelo. O modo dessa associação irá depender da exigência por um maior potencial (associação em série) ou corrente (associação em paralelo).
2.1 Principais baterias comercializadas 2.1.1 Chumbo/Óxido de chumbo (chumbo/ácido) Inventada pelo francês Raymond Gaston Planté em 1859, a bateria de chumbo/ácido consiste na associação de seis pilhas ligadas em série, cada uma fornecendo aproximadamente 2V, totalizando assim 12V. O seu uso é comum em automóveis e indústrias. O anodo dessas baterias é constituído de chumbo e o catodo de óxido de chumbo, sendo esta uma característica peculiar, já que os eletrodos envolvem o mesmo elemento químico. A equação da semi-reação semi-reação do anodo é:
b O a bO e
()
A equação da semi-reação semi-reação do catodo é:
bO a O a e bO Ol
()
A equação global da bateria:
b bO a O a bO Ol
()
Após um tempo de uso o sulfato de chumbo vai se acumulando nas placas e densidade do eletrólito varia devido à água formada na reação, sendo que o cálculo da densidade do eletrólito é um recurso bastante utilizado para saber se a bateria está carregada ou não. Uma bateria de ácido/chumbo pode ser recarregada, passando se por ela uma corrente contínua em direção oposta, o que a força a reação acontecer no sentido inverso:
b bO a O a ←
bO Ol
()
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Figura 4: Modelo esquemático de uma bateria de chumbo/ácido. Fonte: Química Nova na Escola, N°11; 2000. p. 5
2.1.2 Cádmio/Óxido de Níquel (Níquel/Cádmio) Proposta pelo sueco Waldemar Jungner em 1899, a bateria de níquel/cádmio, ou Nicad como também é conhecida, é formada por associações de duas ou mais pilhas de níquel/cádmio, nas quais o anodo é formado por uma liga de cádmio e ferro e o catodo de hidróxido(óxido) de níquel, sendo que o eletrólito consiste em uma solução pastosa devido a alta concentração de KOH. Um único par de eletrodos fornece uma tensão de aproximadamente 1.15V. Durante o processo de descarga, o cádmio metálico é oxidado a hidróxido de cádmio no anodo:
d Oa dO () e
()
a equação da semi-reação no catodo é:
iO e iO () Oa
()
o que resulta na seguinte reação global: d iO dO () iO ()
()
As baterias de níquel/cádmio são leves quando comparadas a outras baterias, apresentam correntes elétricas relativamente altas, o seu potencial permanece quase constante e possui uma vida útil longa. No entanto o seu custo de produção é bem elevado se comparado ao de outras baterias ou pilhas.
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Figura 5: Modelo esquemático de uma pilha de níquel/cádmio.
2.1.3 Hidreto metálico/Óxido de níquel As baterias de hidreto metálico se assemelham às da níquel/cádmio. A diferença principal é que o anodo das baterias de hidreto metálico consiste em uma placa metálica contendo hidreto metálico de um determinado metal, ao invés de cádmio. Um par de eletrodos fornece for nece uma tensão de 1.2V, a temperatura temp eratura ambiente. Durante o processo de descarga da pilha, o hidrogênio presente no hidreto metálico sofre oxidação, e o metal M se regenera. Esse processo pode ser representado pela seguinte equação:
Oa Ol e
()
A semi-reação do catodo é mesma que o ocorre nas baterias de níquel/cádmio (eq. vi). O que resulta na seguinte reação global: iO () iO () Ol
()
O desempenho das baterias de hidreto metálico é superior ao das baterias de níquel/cádmio, com a vantagem de não envolverem o risco ambiental associado ao cádmio.
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3 DESCARTE DE PILHAS E BATERIAS B ATERIAS As pilhas e baterias apresentam em sua composição, diversos tipos de metais pesados e substâncias tóxicas e perigosas, como por exemplo, mercúrio, chumbo, cádmio, níquel, ácido, amônia, entre outras, que apresentam um elevado risco à saúde humana e ao meio ambiente. Dentre os metais, os que causam maiores danos a saúde humana é o cádmio, o chumbo e o mercúrio. O mercúrio, o chumbo e o cádmio causam distúrbios renais e neurológicos e deficiências nos órgãos sensoriais, sendo que o último é um agente cancerígeno. A resolução n° 401, de 4 de novembro de 2008, do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), visando minimizar os impactos gerados ao m eio ambiente e a saúde pública, estabelece critérios para o recolhimento e o descarte de pilhas e baterias e limites máximos de chumbo, cádmio e mercúrio na pilhas produzidas em território nacional e importadas. De acordo com os art. 4° e 6° do cap.1, os estabelecimentos comerciais (que comercializam as pilhas e baterias) e redes de assistência técnica, autorizadas pelos fabricantes ou importadores, ficaram responsáveis pelo recolhimento de pilhas e baterias, e posteriormente irão encaminhar estas para seus respectivos fabricantes ou importadores. De acordo com o art. 27 do cap. VI, o não cumprimento das obrigações previstas na resolução sujeitará os infratores às penalidades previstas na legislação.
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CONCLUSÃO A partir da pesquisa realizada para elaboração deste trabalho, foi possível entender melhor, o funcionamento das pilhas de um modo geral e suas as estruturas,
conhecer
sua
história
e
perceber
sua
importância
para
o
desenvolvimento de aparelhos eletrônicos. Por meio deste trabalho, foi possível entender a importância do descarte correto de células eletroquímicas e baterias, bem como os danos que estas, causam no meio ambiente quando descartas de forma incorreta.
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REFERÊNCIAS BOCCHI, N.;FERRACIN, L.C.; BIAGGIO, S.R. . Pilhas e Baterias: funcionamento e impacto ambiental. Química Nova na Escola, n.11, p. 3-9, 2000. BRASIL, CONAMA. Resolução n° 401, de 4 de novembro de 2008. Estabelece os limites máximos de chumbo, cádmio e mercúrio para pilhas e baterias comercializadas no território nacional e os critérios e padrões para o seu gerenciamento ambientalmente adequado, revogando a resolução CONAMA n°257/99. CANTO, E.L; PERUZZO, T.M. . Química na abordagem do cotidiano. São Paulo: Moderna. TOLENTINO, M.; ROCHA-FILHO, R.C. . O Bicentenário da Invenção da Pilha Elétrica. Química Nova na Escola, n.11, p.35-39, 2000.
