Funcionamento de pilhas e baterias I
2ª SÉRIE
Aula 4 – 3º Bimestre
Química
Etapa Ensino Médio
Conteúdo
Objetivo
Observem as imagens a seguir e respondam aos questionamentos:
O que as imagens têm em comum? Qual é a principal diferença entre a pilha e a bateria? É preciso esperar a bateria descarregar completamente para carregar o aparelho novamente? Por que alguns aparelhos eletrônicos utilizam mais de uma pilha ou pilhas/baterias maiores?
Para começar
Pense por alguns instantes, registre suas respostas e:
Para começar
Pilhas e baterias são dispositivos eletroquímicos que convertem energia química em energia elétrica. Ambas são utilizadas para fornecer corrente elétrica contínua a uma variedade de dispositivos eletrônicos, como relógios, controles remotos, telefones celulares e laptops. No entanto, existem diferenças importantes entre pilhas e baterias.
Retomando a definição e as diferenças entre pilhas e baterias
Foco no conteúdo
Uma pilha é um dispositivo eletroquímico não recarregável, também conhecido como célula primária. Ela é composta por substâncias químicas que reagem entre si para produzir energia elétrica. As pilhas primárias não podem ser recarregadas, o que significa que, uma vez que a reação química se esgota e a energia é consumida, a pilha precisa ser substituída.
Retomando a definição e as diferenças entre pilhas e baterias
Foco no conteúdo
Por sua vez, uma bateria é um dispositivo eletroquímico recarregável, também chamado de célula secundária. Ela é composta por várias pilhas associadas em série ou em paralelo para que se obtenha uma diferença de potencial adequada à sua finalidade. Baterias podem ser recarregadas reversivelmente por meio de uma fonte de energia externa. As baterias secundárias podem ser recarregadas várias vezes antes de sua capacidade de armazenamento de energia diminuir significativamente.
Foco no conteúdo
Em resumo, as principais diferenças entre pilhas e baterias são:
Foco no conteúdo
É importante observar
que existem vários tipos
de pilhas e baterias
disponíveis no mercado, cada um com características específicas. Vamos analisar a evolução desses dispositivos assistindo ao vídeo:
Bateria: uma invenção que mudou o mundo.
Foco no conteúdo
Estudo de caso
Caso Laura: no dia 25 de janeiro de 2022, Laura teve um contratempo com o seu automóvel, voltando do trabalho. Nesse dia de verão, a temperatura estava alta, e havia acontecido um acidente que parou o trânsito. Ela resolveu desligar o motor do carro para economizar o combustível. Porém, deixou o celular carregando, o ar e o som ligados. Depois de alguns minutos, percebeu alterações na qualidade do som e alterações na temperatura. Quando foi ligar novamente o veículo, o motor do carro não funcionou. Diante desse cenário, explique por que o motor do carro não funcionou mais.
Na prática
Correção
Espera-se que os estudantes escrevam que a bateria foi “descarregada”. Essa bateria é formada por placas de chumbo (Pb) ligadas ao conector negativo e colocadas intercaladas com placas de chumbo recobertas por dióxido de chumbo (PbO2), que, por sua vez, estão ligadas ao conector positivo. Ambas estão mergulhadas em uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4), que funciona como o eletrólito. O chumbo é o eletrodo negativo, ou ânodo, que se oxida, perdendo elétrons, e o dióxido de chumbo funciona como o eletrodo positivo, cátodo, que se reduz, ganhando elétrons. Sendo assim, à medida que o ácido sulfúrico vai sendo consumido, a bateria vai descarregando, logo a quantidade do material que sofre oxidação (redutor) vai diminuindo. Quando a quantidade do redutor termina, o dispositivo para de gerar corrente elétrica.
Na prática
Correção
Visto que as reações inversas não são espontâneas, é necessário fornecer uma corrente elétrica contínua por meio de um gerador, como um alternador ou um dínamo. Com isso, essas reações ocorrem no sentido contrário, regenerando o ácido sulfúrico, o que possibilita que a bateria seja utilizada novamente. Ao conectarmos a bateria ou acumulador a uma fonte elétrica externa, a corrente elétrica faz com que a reação de oxidação e redução se torne reversível. Dessa forma, os componentes do redutor voltam a ser originados. Quando a quantidade do redutor retorna totalmente à quantidade anterior, dizemos que a bateria foi recarregada. Entretanto, se a bateria estiver no fim da vida útil, não pode ser recarregada e, dessa forma, deve ser substituída.
Na prática
Baterias mais utilizadas e o seu funcionamento
Bateria de níquel-cádmio: pode ser recarregada várias vezes, sendo utilizada em celulares, controles remotos e filmadoras. Para que esse tipo de bateria possa fornecer energia, é necessário um gerador externo (carregador) para a sua recarga. As semirreações que ocorrem no interior da bateria de níquel-cádmio são as seguintes:
Foco no conteúdo
Baterias mais utilizadas e o seu funcionamento
É comum escrever as reações de oxirredução em duas etapas, denominadas semirreações. Uma semirreação é a representação individual do processo de oxidação ou de redução. No processo global, o número de elétrons doados tem que ser igual ao número de elétrons recebidos.
Foco no conteúdo
Bateria de íon-lítio: as células de íons de lítio mais comuns têm um ânodo de carbono (C) e um cátodo de óxido de cobalto de lítio (LiCoO2). O cobalto e o oxigênio se unem para formar camadas de estruturas de óxido de cobalto octaédricas, separadas por “folhas” de lítio. É importante que essa estrutura permita que os íons cobalto alterem seus estados de valência entre Co+3 e Co+4 (perdem e ganham um elétron) ao carregar e descarregar.
Foco no conteúdo
De todas as várias baterias de íons de lítio, a bateria com cátodo LiCoO2 têm a maior densidade de energia, motivo pelo qual ela é atualmente a bateria encontrada em celulares e laptops. Uma desvantagem das baterias é sua instabilidade térmica. Altas temperaturas podem causar superaquecimento do ânodo e decomposição do cátodo de óxido de cobalto, liberando oxigênio. A combinação de oxigênio e calor aumenta o risco de incêndio, tornando a bateria potencialmente perigosa devido aos produtos químicos inflamáveis presentes no eletrólito.
Foco no conteúdo
As semirreações e a reação global são representadas da seguinte forma:
Foco no conteúdo
Baterias ou acumuladores de chumbo: apresentam pilhas convencionais dispostas em série. Cada pilha apresenta dois eletrodos que se encontram imersos em uma solução de H2SO4. O cátodo é o PbO2 e o ânodo é o Pb. Durante o funcionamento da bateria, o Pb sofre oxidação, transforma-se no cátion (Pb+2) e reage com o SO2–4 da solução, formando o PbSO4 (sal insolúvel), não havendo excesso de cátions na solução. Assim, a solução não fica com excesso de cátions.
Foco no conteúdo
(PUCCamp-SP) Nas pilhas secas, geralmente utilizadas em lanternas, há um envoltório de zinco metálico e um bastão central de grafite rodeado de dióxido de manganês e pasta úmida de cloreto de amônio e de zinco, conforme a figura a seguir.
As reações são complexas, porém, quando o fluxo de corrente é pequeno, as reações podem ser apresentadas por:
Ânodo: 1 Zn → 2 e– + 1 Zn2+
Cátodo: 2 MnO2 + 2 NH41+ + 2e– → Mn2O3(s) + 2 NH3 + H2O
Na prática
a. zinco metálico e água.
b. dióxido de manganês.
c. sais de amônio e de zinco.
d. zinco metálico e dióxido de manganês.
e. amônia, água, sais de zinco e óxido de manganês III.
À medida que a pilha seca vai sendo gasta, há aumento nas massas de:
Na prática
a. zinco metálico e água.
b. dióxido de manganês.
c. sais de amônio e de zinco.
d. zinco metálico e dióxido de manganês.
e. amônia, água, sais de zinco e óxido de manganês III.
Correção
Conforme mostram as reações, à medida que a pilha funciona, formam-se como produtos no:
Na prática
Glossário: conjunto de termos de uma área do conhecimento e seus significados; vocabulário.
Glossário e resumo
Vamos fazer um resumo da aula. Isso será importante para os momentos de estudo e revisões.
Inclua em seu resumo todas as informações que julgar importantes. Além disso, acrescente detalhes sobre o funcionamento, a composição, a aplicação e a voltagem de diferentes pilhas e baterias. Na próxima aula, vamos investigar como prever a potência de cada pilha e/ou bateria.
Todo mundo escreve!
Aplicando
O que aprendemos hoje?
Tarefa SP
Localizador: 97317
Videotutorial: http://tarefasp.educacao.sp.gov.br/
BOCCHI, N; FERRACIN, L.C.; BIAGGIO, S.R. Pilhas e baterias: Funcionamento e impacto ambiental. Química Nova na Escola, n. 11, 2000. Disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a01.pdf. Acesso em: 24 maio 2023.
COMPANHIA BRASILEIRA DE METALURGIA E MINERAÇÃO. Bateria de iões de lítio: uma breve revisão. 2018. Disponível em: https://www.cetem.gov.br/antigo/images/eventos/2018/iii-litio-brasil/apresentacoes/baterias-litio-programa-cbmm-andre-vicente.pdf. Acesso em: 24 maio 2023.
LEMOV, D. Aula nota 10 3.0: 63 técnicas para melhorar a gestão da sala de aula. Porto Alegre: Penso, 2023.
Referências
SÃO PAULO (Estado). Currículo em Ação: Caderno do Professor – Química – Ensino Médio – 2ª série – Volume 3 – 3º Bimestre. São Paulo: Seduc-SP. Disponível em: https://efape.educacao.sp.gov.br/curriculopaulista/wp-content/uploads/2022/07/2serie-3Bim-Prof-CNT.pdf. Acesso em: 8 maio 2023.
USBERCO, J.; SALVADOR, E. Conecte Química geral. Volume 2. 2. ed. São Paulo: Saraiva, 2014.
Referências
Lista de imagens e vídeos
Slide 3 – https://br.freepik.com/vetores-gratis/bateria-recarregavel-automotiva-4-pecas-de-carro-isometrica-definida-ilustracao-de-fundo-transparente-isolado_16396573.htm#page=2&query=bateria%20carro&position=4&from_view=search&track=ais; https://br.freepik.com/vetores-gratis/coleta-de-baterias-realista_22428435.htm#page=2&query=pilha%20controle&position=49&from_view=search&track=ais; https://pixabay.com/pt/photos/bateria-as-baterias-de-l%C3%ADtio-cobrar-4957675/.
Referências
Lista de imagens e vídeos
Slide 4 – https://pixabay.com/pt/vectors/conversa%c3%a7%c3%a3o-conversa-falar-7726087
Slide 7 – https://youtu.be/qkVpHwjQNk4.
Referências
Ciências
Material
Digital