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Prof. Dr. Helder Anibal Hermini UNICAMP-FEM-DPM.

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1 Prof. Dr. Helder Anibal Hermini UNICAMP-FEM-DPM

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4 PILHAS Se se imerge dois metais diferentes em um eletrólito, manifesta-se entre os dois metais uma d.d.p. cujo valor depende unicamente de sua natureza e da do eletrólito (e não de suas dimensões). Na pilha efetuam-se reações químicas com desenvolvimento de energia sob forma de energia elétrica. Com a aplicação do princípio supra- enunciado, podem-se construir pilhas com outros pares metálicos emersos em um eletrolíto, fornecendo diferentes valores de f.e.m., em função dos metais associados.

5 PILHA DE VOLTA ALESSANDRO VOLTA ( ), Físico italiano, Professor de Física da Universidade de Pavia, em 1800 inventou a pilha elétrica constituída por chapas de prata e zinco separadas por discos de feltro embebidos em água salgada. Napoleão convidou-o a prosseguir as suas experiências sobre eletricidade em França, tendo-se tornado professor da Universidade de Paris. Experimento original de Volta

6 PILHA DE DANIELL montagem esquemática No diagrama existem dois compartimentos, chamados MEIAS- CÉLULAS, separados por uma placa de porcelana porosa. No compartimento da esquerda (meia-célula do zinco), existe uma chapa de zinco mergulhada em solução aquosa de ZnSO 4. Considerando-se que o zinco, neste caso, tem uma tendência espontânea para perder elétrons, temos: Zn ® Zn e- (oxidação) Desse modo, a chapa de zinco "solta" elétrons para o circuito externo (dizemos, então, que a chapa de zinco é o eletrodo negativo ou anodo).

7 PILHA DE DANIELL montagem esquemática No compartimento da direita (meia-célula do cobre), existe uma chapa de cobre mergulhada em solução aquosa de CuSO 4. considerando-se que o Cu 2+, neste caso, tem uma tendência espontânea para receber elétrons, temos: Cu e- Cu (redução) desse modo o Cu 2+ "captura" elétrons do circuito externo, através da chapa de cobre, que se torna positiva (dizemos, então, que a chapa de cobre é o eletrodo positivo ou catodo );

8 PILHA DE DANIELL A porcelana porosa deve impedir a mistura das duas soluções, mas deve permitir a passagem dos íons que estão sendo atraídos ou repelidos pelas forças elétricas. Após certo tempo de funcionamento da pilha, notamos que a chapa de zinco está corroída, a chapa de cobre aumentou devido à deposição de cobre e as concentrações das soluções se alteraram. Tudo isso é conseqüência da própria reação geral de funcionamento da pilha: Resumindo, podemos dizer que a pilha ou a célula eletroquímica é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica. Isso é conseguido, por meio de uma reação de oxi-redução, com o oxidante e o redutor separados em compartimentos diferentes, de modo que o redutor "entrega" elétrons ao oxidante através de um circuito externo (fio).

9 PILHA DE BUNSEN A pilha de Bunsen é constituída de um vaso de vidro contendo ácido sulfúrico diluído e o eletrodo negativo, de forma circular, de zinco.No centro se encontra um vaso poroso de porcelana contendo o eletrodo positivo, constituído de uma haste de carbono, mergulhada em ácido nítrico concentrado (despolarizante). A f.e.m. desenvolvida pela pilha de Bunsen é de cerca de 1,9 V.

10 PILHA DE GRENET A pilha de Grenet é constituída de um vaso de vidro contendo ácido sulfúrico diluído (ácido excitador) e bicromato de potássio (líquido despolarizante), com duas placas de carbono de retorta, imersas e separadas por uma placa de zinco amalgamada (eletrodo negativo). A f.e.m. gerada pela pilha de Grenet é de cerca de 2V.

11 PILHA DE LECLANCHÉ O MnO 2 triturado e mesclado com o carvão, constitui em conjunto com a barra de grafite o eletrodo positivo e a pasta de NH 4 Cl mais o eletrodo de Zn constituem o eletrodo negativo.

12 PILHA DE LECLANCHÉ

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15 ACUMULADORES A história dos acumuladores começou em 1859, quando o físico francês Raymond Gaston Planté construiu o primeiro sistema recarregável, formando a base para as baterias secundárias chumbo/ácido usadas até hoje. Essas baterias apresentam características pouco usual de envolver em ambos os eletrodos o mesmo elemento químico.

16 ACUMULADOR DE CHUMBO Um acumulador de chumbo é preparado imergindo duas placas de chumbo em um vaso contendo H 2 S0 4 diluído. Na solução se liberam cátions H + e ânions SO 4 -2, enquanto as superfícies das duas placas de chumbo imersas no ácido sulfúrico recobrem-se de um véu de PbSO 4. Nestas condições, não é possível obter f.e.m. do aparelho porque os dois metais imersos no eletrólito são químicamente iguais entre si.

17 CARGA DE UM ACUMULADOR DE CHUMBO Se ligarmos as duas placas de chumbo a um gerador de corrente contínua, tem-se: a) No ânodo (+) os ânions SO 4 -2 cedem suas cargas negativas e se combinam com a água e com o PbSO 4 de que é recoberta a placa positiva, segundo a reação: PbSO 4 + SO 4 + 2H 2 0 PbO 2 + H 2 SO 4 com a formação de bióxido de chumbo de cor vermelho tijolo;

18 CARGA DE UM ACUMULADOR DE CHUMBO Se ligarmos as duas placas de chumbo a um gerador de corrente contínua, tem-se: b) No cátodo (-) os cátions (H +) cedem sua carga positiva e reagem com o PbSO 4 de que é recoberta a placa negativa, segundo a reação: PbSO 4 +H Pb + H 2 SO 4 com a formação de chumbo metálico, de cor cinza claro;

19 CARGA DE UM ACUMULADOR DE CHUMBO Mediante a eletrólise, obtém-se, portanto, duas placas metálicas químicamente diferentes entre si, entre as quais, aparece uma F.E.M.. O processo de carga é verificado principalmente pela densidade da solução da bateria, sendo que após retirada, estabelece-se nos terminais do acumulador uma tensão de repouso de aproximadamente 2 V.

20 Quando o acumulador carregado é ligado ao circuito de consumo, começa a se descarregar. No processo de descarga, o acumulador se comporta como uma pilha, sendo que o sentido da corrente é oposto ao sentido de corrente de carga. a) Reação química no ânodo: Pb + H 2 + H 2 SO 4 PbSO 4 + H 2 O b) Reação química no cátodo: Pb + SO4 PbSO 4 DESCARGA DE UM ACUMULADOR DE CHUMBO

21 PLACAS As placas positivas e as placas negativas (intercaladas entre si de modo a alternar regularmente as polaridades) são ligadas á respectiva régua de chumbo. Finalmente, todo o conjunto é disposto em um recipiente formado de material isolante.

22 ACUMULADORES DE NÍQUEL Acumuladores alcalinos de ferro-níquel, são acumuladores de eletrolito alcalino, ao invés de ácido. O eletrodo negativo desses acumuladores é constituído de placas planas de aço niquelado, em forma de caixas finas retangulares de paredes perfuradas, contendo em seu interior a matéria ativa. O eletrodo positivo pode ser constituído tanto de placas planas como o eletrodo negativo como de tubos de aço niquelado, perfurado, dispostos sob pressão em um painel de aço, para constituir a placa.

23 ACUMULADORES DE NÍQUEL A matéria ativa para as placas positivas é formada de pós prensados de hidróxido de níquel, enquanto as placas negativas contêm pós de : Ferro (acumulador de ferro-níquel) Cádmio (acumulador de cádmio-níquel). Nas reações químicas, somente toma parte a matéria ativa e não o eletrólito.As reações químicas consistem de oxidações e sucessivas reduções da matéria ativa. descarga carga

24 constituição específica dos 7 tipos de pilhas mais comercializados

25 LIGAÇÃO DE GERADORES ELÉTRICOS Características da Associação em Série Na associação em série, o terminal positivo de um gerador é conectado ao terminal negativo do outro, sendo que os geradores funcionam como um gerador equivalente, cuja força eletromotriz é maior. A força eletromotriz equivalente (Eeq) igual à soma das forças eletromotrizes dos geradores: E eq = E 1 + E E n-1 +E n A resistência interna equivalente (Req) é igual à soma das resistências elétricas internas de cada gerador: r eq = r 1 + r r n-1 + r n a mesma intensidade da corrente elétrica que atravessa todos os geradores;

26 LIGAÇÃO DE GERADORES ELÉTRICOS Características da Associação em Paralelo Por agrupar geradores de mesma força eletromotriz, a associação em paralelo traz uma vantagem sobre associação em série: diminui a dissipação da potência elétrica por efeito Joule, aumentando assim, a durabilidade dos geradores. A força eletromotriz equivalente igual à força eletromotriz de cada gerador: E eq = E 1 = E 2 = E 3 =.... A resistência interna equivalente menor que a resistência interna de qualquer gerador da associação: 1/ Req = 1 / R / R / R n / R n


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