p>Energy não pode ser criada ou destruída, mas pode ser guardada de várias formas. Uma forma de armazená-la é sob a forma de energia química numa bateria. Quando ligada num circuito, uma bateria pode produzir electricidade.
p>Uma bateria tem duas extremidades — um terminal positivo (catódico) e um terminal negativo (anódico). Se se ligar os dois terminais com fio, forma-se um circuito. Os electrões fluirão através do fio e é produzida uma corrente de electricidade. Dentro da bateria, tem lugar uma reacção entre os produtos químicos. Mas a reacção só tem lugar se houver um fluxo de electrões. As baterias podem ser armazenadas durante muito tempo e ainda funcionam porque o processo químico só começa quando os electrões fluem dos terminais negativos para os positivos através de um circuito.
Uma reacção química tem lugar numa bateria
Um exemplo simples — A bateria de células de limão
Comecemos com uma bateria muito simples que utiliza um limão que tem dois objectos metálicos diferentes inseridos nele, por exemplo um prego galvanizado e uma moeda ou fio de cobre. O cobre serve de eléctrodo ou cátodo positivo e o prego galvanizado (revestido de zinco) de eléctrodo ou anodo negativo produtor de electrões. Estes dois objectos funcionam como eléctrodos, provocando uma reacção electroquímica que gera uma pequena diferença potencial.
Os átomos de cobre (Cu) atraem electrões mais do que os átomos de zinco (Zn), se se colocar um pedaço de cobre e um pedaço de zinco em contacto um com o outro, os electrões passarão do zinco para o cobre. À medida que os electrões se concentram no cobre, repelem-se mutuamente e interrompem o fluxo de electrões do zinco para o cobre. Por outro lado, se colocar tiras de zinco e cobre numa solução condutora, e as ligar externamente com um fio, as reacções entre os eléctrodos e a solução permitirão que os electrões fluam continuamente através do fio.
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LEMON BATTERY
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Como funciona uma bateria de limão? Uma bateria de limão é feita com um limão e dois eléctrodos metálicos de metais diferentes, tais como uma moeda de cobre ou arame e uma unha galvanizada (revestida a zinco). A energia da bateria não provém do limão, mas sim da mudança química do zinco (ou outro metal). O zinco é oxidado dentro do limão, trocando alguns dos seus electrões de modo a atingir um estado de menor energia, e a energia libertada fornece a energia. O limão fornece apenas um ambiente onde isto pode acontecer, mas eles não são consumidos no processo. Assumindo que são utilizados eléctrodos de zinco e cobre (tais como uma moeda de cobre e um prego galvanizado) então um único limão poderia gerar aproximadamente 0,9 Volts. À esquerda um circuito em série de limões mostra 3,41 volts sendo produzidos. NOTE: Podem ser utilizadas batatas, maçãs, chucrute, ou qualquer outra fruta ou vegetal que contenha ácido ou outro electrólito, mas os limões são preferidos devido à sua maior acidez. Nas batatas, por exemplo, o electrólito é ácido fosfórico, enquanto que nos limões é ácido cítrico. |
Numa bateria de limão, ocorrem tanto a oxidação (perda de electrões) como a redução (ganho de electrões). Esta bateria é semelhante às “células de voltagem simples” originais inventadas por Alessandro Volta (ver abaixo). No ânodo, o zinco metálico é oxidado, e entra na solução ácida como iões Zn2+:
Zn –> Zn2 + + 2 e-
No cátodo de cobre, os iões de hidrogénio (protões solvados da solução ácida no limão) são reduzidos para formar hidrogénio molecular:
2H++ 2e- –> H2
O que faz mover os electrões?
Quando se solta uma bola, esta cai ao chão porque o campo gravitacional da Terra puxa a bola para baixo. De forma semelhante, partículas carregadas como os electrões precisam de ter trabalho feito para as mover de um ponto para outro. A quantidade de trabalho por unidade de carga é chamada a diferença de potencial eléctrico entre os dois pontos. A unidade de diferença de potencial é chamada de volt.
A diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo é configurada a partir da reacção química. No interior da bateria, os electrões são empurrados pela reacção química para o extremo positivo criando uma diferença de potencial.
É esta diferença de potencial que conduz os electrões através do fio.
A diferença de potencial pode ser positiva ou negativa, comparada à energia gravitacional, movendo-se para cima ou para baixo de uma colina. Numa bateria, o fluxo de electrões é descendente… os electrões podem fluir para cima como no caso de um carregador de bateria.
Porque é que os electrões não se movem simplesmente do ânodo para o cátodo dentro da bateria?
O electrólito na bateria impede que os electrões solitários passem directamente do ânodo para o cátodo dentro da bateria. Quando os terminais são ligados com um fio condutor, os electrões podem facilmente fluir do ânodo para o cátodo.
Em que direcção se movem os electrões no fio?
Electrões são carregados negativamente, pelo que serão atraídos para a extremidade positiva de uma bateria e repelidos pela extremidade negativa. Quando a bateria é ligada a um dispositivo que deixa os electrões fluir através dela, eles fluem do terminal negativo (ânodo) para o positivo (cátodo).
Quem inventou a célula electroquímica (bateria)?
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PRIMEIRA BATERIA DA VOLTA
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A bateria feita por Volta é creditada como a primeira célula electroquímica. É constituída por dois eléctrodos: um feito de zinco, o outro de cobre. O electrólito é ácido sulfúrico ou uma mistura em salmoura de sal e água. O electrólito existe sob a forma de 2H+ e SO42-. O zinco, que é superior ao cobre e hidrogénio na série electroquímica, reage com o sulfato SO42- . Os iões de hidrogénio com carga positiva (prótons) captam electrões do cobre, formando bolhas de hidrogénio gasoso, H2. Isto faz do varão de zinco o eléctrodo negativo e do varão de cobre o eléctrodo positivo. Temos agora dois terminais, e a corrente irá fluir se os ligarmos. As reacções nesta célula são as seguintes: zinco Zn –> Zn2+ + 2e- ácido sulfúrico 2H+ + 2e- –> H2 O cobre não reage, funcionando como um eléctrodo para a reacção química. |
Como funciona uma bateria moderna (bateria de zinco-carbono)?
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Uma célula seca de zinco-carbono ou bateria é embalada numa lata de zinco que serve tanto como contentor como terminal negativo (ânodo). O terminal positivo é uma barra de carbono rodeada por uma mistura de dióxido de manganês e pó de carbono. O electrólito utilizado é uma pasta de cloreto de zinco e cloreto de amónio dissolvido em água. A barra de carbono (grafite) é o que recolhe os electrões provenientes da parte anódica da bateria para voltar à parte catódica da bateria. O carbono é o único material condutor prático porque cada metal comum corroerá rapidamente no eléctrodo positivo em electrólito à base de sal. O zinco é oxidado de acordo com a seguinte meia-equação. O dióxido de manganês é misturado com pó de carbono para aumentar a condutividade eléctrica. A reacção é a seguinte: e o CL combina com o Zn2+. nesta meia reacção, o manganês é reduzido de um estado de oxidação de (+4) para (+3). Existem outras reacções laterais possíveis, mas a reacção global numa célula de zinco-carbono pode ser representada como: Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) —> Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l) A bateria tem um e.m.f. de cerca de 1,5 V. |
Quais são os diferentes tipos de baterias?
Diferentes tipos de baterias utilizam diferentes tipos de produtos químicos e reacções químicas. Alguns dos tipos de baterias mais comuns são:
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Bateria alcalina |
Utilizadas em Duracell® e Energizer® e outras baterias alcalinas. Os eléctrodos são de zinco e óxido de manganês. O electrólito é uma pasta alcalina. |
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Lead-bateria ácida |
Estes são utilizados em automóveis. Os eléctrodos são feitos de chumbo e óxido de chumbo com um ácido forte como o electrólito. |
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Bateria de lítio |
Estas baterias são utilizadas em câmaras para a lâmpada de flash. São fabricadas com lítio, lítio-iodeto e chumbo-iodeto. Podem fornecer surtos de electricidade para o flash. |
| Bateria de lítio | Estas baterias são utilizadas em máquinas fotográficas para a lâmpada de flash. São fabricadas com lítio, lítio-iodeto e chumbo-iodeto. Podem fornecer surtos de electricidade para o flash. |
| Bateria de iões de lítio | Estas baterias são encontradas em computadores portáteis, telemóveis e outros equipamentos portáteis de alta utilização. |
| Níquel-cádmio ou bateria de NiCad | Os eléctrodos são de níquel-hidróxido e cádmio. O electrólito é hidróxido de potássio. |
| Bateria de zinco-carbono ou bateria de carbono padrão – | O zinco e o carbono são utilizados em todas as pilhas AA, C e D de célula seca regulares ou padrão. Os eléctrodos são feitos de zinco e carbono, com uma pasta de materiais ácidos entre eles a servir de electrólito. |