Como as Pilhas funcionam?

As baterias estão em todos os lugares,  carros, computadores, laptops , MP3 players e telefones celulares. Uma bateria é essencialmente uma lata cheia de químicos que produz elétrons. As reações químicas que produzem elétrons são chamadas de reações eletroquímicas. Neste artigo, aprenderemos tudo sobre baterias, desde o conceito básico de funcionamento, a verdadeira química que acontece dentro delas e o que o futuro reserva para as baterias e as possíveis fontes de energia que poderiam substituí-las.

Se você examinar qualquer bateria, notará que ela tem 2 terminais. Um terminal está marcado (+), ou positivo, enquanto o outro terminal está marcado (-), ou negativo. Em uma bateria tipo AA, C ou D (baterias normais de lanternas), as pontas das baterias são os terminais. Em uma bateria grande de carro, existem 2 terminais de chumbo.

Elétrons se agrupam no terminal negativo da bateria. Se você conectar um fio entre os terminais positivo e negativo, os elétrons fluirão do terminal negativo para o terminal positivo o mais rápido que eles puderem (descarregar a bateria muito rápido pode ser perigoso, especialmente com baterias grandes, então não o faça). Normalmente, você conecta algum tipo de carga para a bateria usando um fio. Esta carga pode ser algo como uma lâmpada, um motor ou um circuito eletrônico, como um rádio.

Dentro da bateria, uma reação química produz os elétrons. A velocidade da produção de elétrons por esta reação química (a resistência interna da bateria), controla quantos elétrons podem fluir entre os terminais. Os elétrons fluem da bateria para dentro do fio e passam do terminal negativo para o terminal positivo para que a reação química aconteça. Esta é a razão pela qual a bateria pode ficar em uma prateleira por um ano e ainda estar cheia de energia. Uma vez conectado o fio, a reação começa.

A primeira bateria foi criada por Alessandro Volta em 1800. Para criar essa bateria, ele fez uma pilha de camadas alternadas de zinco, papel mata-borrão ensopado em água salgada e prata, desse jeito:

Este arranjo ficou conhecido como uma pilha voltaica. As camadas de cima e de baixo da pilha precisam ser de metais diferentes, como mostrado. Se você conectar um fio em cima e um embaixo da pilha, poderá medir a voltagem e a corrente geradas. A pilha pode ser sobreposta quantas vezes for preciso para obter a voltagem desejada.

No século 19, antes da invenção do gerador elétrico (o gerador não foi inventado e aperfeiçoado até 1870), a Célula de Daniell, que é conhecida por outros 3 nomes: "célula de Crowfoot" por causa do formato típico do zinco, "célula de gravidade" por que a gravidade mantém os 2 sulfatos separados e "célula molhada", oposta à "célula seca" moderna, porque usa líquidos para os eletrólitos, era extremamente comum para o funcionamento dos telegráfos e das campainhas das portas. A célula de Daniell consiste de placas de cobre e zinco e sulfatos de cobre e zinco.

Para fazer a célula de Daniell, a placa de cobre é colocada no fundo de uma jarra de vidro. A solução de sulfato de cobre é colocada sobre a placa até a metade da jarra. Uma placa de zinco é então pendurada na jarra - como mostrado - e uma solução de sulfato de zinco é colocada cuidadosamente na jarra. O sulfato de cobre é mais denso que o sulfato de zinco, então o sulfato de zinco "flutua" sobre o sulfato de cobre. Obviamente, este arranjo não funciona bem em uma lanterna, mas funciona bem para aplicações fixas. Se você tiver acesso a sulfato de zinco e sulfato de cobre, pode tentar fazer a sua própria célula de Daniell.

Experiências
Se você quiser aprender sobre as reações eletroquímicas usadas para criar baterias, é fácil fazer experiências em casa para tentar combinações diferentes. Para fazer estes experimentos corretamente, precisa comprar um voltímetro (US$ 10 a US$ 20) em uma loja de material eletrônico ou de construção. Esteja certo de que o voltímetro pode ler baixas voltagens (cerca de 1 volt) e baixas correntes (cerca de 5 a 10 miliampêres). Desta maneira, você será capaz de ver exatamente o que a sua bateria está fazendo.

Você pode criar a sua própria pilha voltaica usando moedas e papel toalha. Misture sal com água (a maior quantidade de sal que a água suportar) e ensope o papel toalha nesta salmoura. Faça então uma pilha alternando moedas de cobre e de níquel. Veja que tipo de voltagem e corrente esta pilha produz. Tente um número de camadas diferentes e veja qual o efeito que isto tem na voltagem. Depois, tente alternar moedas de cobre e de prata e veja o que acontece. Tente também moedas de prata e de níquel. Outros metais que você pode tentar incluem o papel alumínio e o aço. Cada combinação metálica deverá produzir uma pequena diferença na voltagem.

Um outro experimento simples que você pode tentar envolve um pote, ácido diluído, fio e pregos. Encha o pote com suco de limão ou vinagre (ácidos diluídos) e coloque um prego e um pedaço de fio de cobre dentro dele sem que um encoste no outro. Tente pregos revestidos de zinco (galvanizados) e pregos de ferro comuns. Meça a voltagem e a corrente conectando o seu voltímetro aos pedaços de metal. Substitua o suco de limão por água salgada e tente também com moedas e metais diferentes para ver o efeito na voltagem e na corrente.

Provavelmente a bateria mais simples que você pode criar é chamada de bateria zinco-carbono. Entendendo a reação química que acontece dentro da bateria, você pode entender como as baterias funcionam.

Imagine que você tenha um pote de ácido sulfúrico (H2SO4). Enfie uma varinha de zinco dentro do pote e o ácido imediatamente começa a corroer o zinco. Você verá as bolhas de gás hidrogênio formando-se no zinco e a varinha e o ácido começarão a esquentar. O que está acontecendo é:

• as moléculas de ácido estão se quebrando em 3 íons: 2 H⁺ íons e 1 SO4^- íon.
  
• os átomos de zinco na superfície da varinha de zinco perdem 2 elétrons (2e^-) para se tornar Zn⁺⁺ íons.
  
• o Zn⁺⁺ íons combinados com o SO4^-- íon para criar ZnSO4, o qual dissolve o ácido.
  
• os elétrons dos átomos de zinco combinam com os íons de hidrogênio no ácido para criar moléculas de H2 (gás de hidrogênio). Nós vemos o gás de hidrogênio como as bolhas se formando na varinha de zinco.

Nada acontece com uma varinha de carbono quando colocada no ácido. Mas se você conectar um fio entre a varinha de zinco e a varinha de carbono, 2 coisas mudarão:

• os elétrons fluirão através do fio e se combinarão com o hidrogênio na varinha de carbono, então o gás de hidrogênio começa a borbulhar na varinha de carbono;
  
• existe menos calor. Você pode fornecer energia para uma lâmpada ou carga similar, usando os elétrons que fluem através do fio e pode medir a voltagem e a corrente no fio. Alguma energia do calor é transformada em movimento de elétrons.

Os elétrons movem-se para a varinha de carbono porque a combinação com o hidrogênio é mais fácil. Existe uma voltagem característica na célula de 0,76 volts. Eventualmente, a varinha de zinco se dissolverá completamente ou os íons de hidrogênio no ácido se desgastam e a bateria "morre". 

Em qualquer bateria, o mesmo tipo de reação eletroquímica acontece para que os elétrons movam-se de um pólo a outro. Na verdade, metais e eletrólitos são usados para controlar a voltagem da bateria; cada reação diferente tem uma voltagem característica. Isto é, por exemplo, o que acontece em uma célula de uma bateria chumbo-ácido de carro:

• a célula tem uma placa feita de chumbo e uma outra feita de dióxido de chumbo que estão mergulhadas em uma solução aquosa de ácido sulfúrico (eletrólito);
• o chumbo combina com o SO4 (íons de sulfato) para criar PbSO4 (sulfato de chumbo) mais um elétron;
• o dióxido de chumbo, os íons de hidrogênio e os íons de SO4 mais os elétrons da placa de chumbo criam PbSO4 e água na placa de dióxido de chumbo;
• quando a bateria descarrega, as 2 placas formam PbSO4 (sulfato de chumbo) e água se forma no ácido. A voltagem característica é de cerca de 2 volts por célula, então, se você combina 6 células, você obtém uma bateria de 12 volts;

Uma boa característica que tem a bateria chumbo-ácido é que a reação química é completamente reversível. Se você aplicar corrente à bateria em uma voltagem correta, o chumbo e o dióxido de chumbo se formam de novo nas placas e então é possível usar a bateria novamente por várias vezes. Em uma bateria de zinco-carbono, não existe uma maneira fácil de reverter a reação, pois não se obtém facilmente o gás de hidrogênio de volta para o eletrólito.

As baterias modernas usam uma variedade de reações químicas para fornecer energia. Os produtos químicos típicos de uma bateria incluem:

• bateria de zinco-carbono - também conhecida como bateria standard de carbono, a química do zinco-carbono é usada em todas as baterias baratas do tipo AA, C e D. Os eletrodos são o zinco e o carbono com uma pasta ácida entre eles para servir de eletrólito;
• baterias alcalinas - usadas pelas baterias comuns da Duracell e da Energizer, os eletrodos são o zinco e o óxido de manganês com um eletrólito alcalino;
• baterias de lítio - lítio, iodeto de lítio e iodeto de chumbo são usados em câmaras digitais por causa da sua capacidade de fornecer aumento de energia;
• baterias de chumbo-ácido - usadas em automóveis, os eletrodos são feitos de chumbo e óxido de chumbo com um eletrólito de ácido forte (recarregável);
• baterias de níquel-cádmio - os eletrodos são o hidróxido de níquel e o cádmio com um eletrólito de hidróxido de potássio (recarregável);
• baterias de níquel-metal hidreto - esta bateria está rapidamente substituindo a bateria de níquel-cádmio, pois ela não sofre do efeito memória (em inglês) que acontece nas baterias de níquel-cádmio (recarregáveis);
• bateria de lítio-íon - com uma relação muito boa de peso-potência, ela é geralmente encontrada em computadores laptop e telefones celulares de ponta (recarregável);
• bateria de zinco-ar - esta bateria é leve e recarregável;
• bateria de zinco-óxido de mercúrio - geralmente usada em aparelhos auditivos;
• bateria de prata-zinco - usada em aplicações aeronáuticas por sua boa relação peso-energia;
• bateria de metal-cloreto - usada em veículos elétricos.

Em quase todos os aparelhos que usam baterias, não se usa somente uma célula por vez. Você geralmente as agrupa de forma serial para formar voltagens mais altas ou em paralelo para formar correntes mais altas. Em um arranjo serial, as voltagens se somam. Em um arranjo paralelo, as correntes se somam. O diagrama a seguir mostra estes 2 arranjos:

O arranjo de cima é chamado de arranjo paralelo. Supondo que cada célula produz 1,5 volts, então 4 baterias em paralelo também produzirão 1,5 volts, mas a corrente fornecida será 4 vezes maior do que a de uma única célula. O arranjo abaixo é chamado de arranjo serial. As 4 voltagens se somam para produzir 6 volts.

Normalmente, quando você compra um pacote de baterias, o pacote lhe diz a voltagem e a corrente da bateria. A minha câmera digital, por exemplo, usa 4 baterias de níquel-cádmio que estão classificadas em 1,25 volts e 500 miliampéres/hora para cada célula. Você pode dividir os miliampéres em muitas maneiras diferentes. Uma bateria de 500 miliampéres-hora poderia produzir 5 miliampéres por 100 horas, ou 10 miliampéres por 50 horas, ou 25 miliampéres por 20 horas, ou - teoricamente - 500 miliampéres por 1 hora, ou até mesmo mil miliampéres por 30 minutos.

Entretanto, as baterias não são tão lineares assim. Em primeiro lugar, todas as baterias têm uma corrente máxima que elas podem produzir. Uma bateria de 500 miliampéres-hora não pode produzir 30 mil miliampères por 1 segundo porque não existe uma maneira para que as reações químicas aconteçam tão rapidamente e a níveis tão altos de corrente. Uma bateria pode produzir muito calor, desperdiçando um pouco da sua energia. Muitos químicos nas baterias têm expectativa de vida mais curta ou mais longa em níveis muito baixos de corrente, mas as classificações de miliampères-hora são normalmente lineares. Usando a medida ampéres-hora, é possível estimar por quanto tempo a bateria vai durar sob uma certa carga.

Colocando 4 baterias de 1,25 volts e 500 miliampéres-hora em um arranjo serial, obtên-se 5 volts (1,25 X 4) a 500 miliampéres-hora. Estas mesmas baterias em paralelo, fornecerão 1,25 volts a 2 mil (500 X 4) miliampéres-hora.

Alguma vez você já olhou dentro de uma bateria de 9 volts comum?

Os fabricantes aconselham a não desmontar uma bateria para não causar danos a sua saúde

Ela contém 6 baterias muito pequenas que produzem 1,5 volts cada em um arranjo serial!

Veja o video explicativo: