Licenciatura em Educação do Campo

Educação, Tecnologias e Agroecologia

Ciências da natureza e formação docente
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Protocolo 03:
O Conceito de Pilhas e o Processo de Construção do Conhecimento a partir da Experimentação em Ensino de Ciências

Vitor de Almeida Silva
Carlos Antônio Pereira Júnior
Divina Pereira de Souza Vieira

Introdução

Qualquer dispositivo que utiliza reações químicas para produzir corrente elétrica é classificado como célula voltaica ou galvânica, essa é a explicação elaborada por Kotz, Treichel e Weaver (2011) para nos apresentar o conceito de energia química. Nesse sentido, as células voltaicas ou galvânicas, comumente conhecidas como pilhas, são sistemas químicos que utilizam reações de oxidorredução para gerar uma determinada corrente elétrica entre eletrodos formados por metais com potenciais elétricos distintos.

Para que haja a conversão da energia química em energia elétrica é preciso que o sistema elaborado possua três componentes fundamentais: a) Eletrodos com potenciais distintos capazes de promover a redução e oxidação dos metais; b) Meio condutor de elétrons; c) Circuito para a transferência dos elétrons livres produzidos a partir das reações químicas. Definiremos cada um dos componentes.

Os Eletrodos são os metais utilizados na composição da pilha para que sejam reduzidos e oxidados, promovendo as reações de oxidorredução e consequentemente gerando os íons e elétrons em solução. As reações de oxidação podem ser classificadas como aquelas em que o elemento químico (ou qualquer outra espécie química) “doa” elétrons dando origem a um íon cátion. No caso da pilha, será o eletrodo (metal) que perderá elétrons, isto é, será a espécie oxidada. A perda de elétrons nesse eletrodo se processará com a liberação na solução de íons carregados positivamente, provenientes do próprio eletrodo. Sendo assim, haverá uma redução de massa do eletrodo em que acontece a redução. Esse eletrodo, onde os elétrons são gerados, será classificado como polo negativo da pilha, ou seja, será o eletrodo anódico.

No outro extremo da pilha ocorre a reação de redução, que consiste no processo contrário à oxidação. As reações de redução são aquelas onde o elemento químico (ou qualquer outra espécie química) “recebe” elétrons dando origem a uma substância neutra. O eletrodo em que acontece a reação de redução será o polo de destino para os elétrons gerados na reação química. Assim, as espécies químicas carregadas positivamente, que tenderão a receber/ganhar elétrons, encontrarão nesse eletrodo elétrons disponíveis para que possam se transformar em espécies químicas neutras. Ao utilizarem os elétrons que estão disponíveis no eletrodo essas espécies que se tornarão neutras irão se aderir ao eletrodo provocando um aumento em sua massa. O eletrodo, para onde os elétrons se encaminham, será classificado como o polo positivo da pilha, ou seja, será o eletrodo catódico.

É importante enfatizarmos que esse processo descrito anteriormente corresponde a uma caracterização da eletroquímica, portanto é preciso nos referirmos aos termos químicos que acontecem na pilha. Kotz, Treichel e Weaver (2011, p.830) nos esclarecer que em uma reação de oxidorredução:

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No caso da elaboração da pilha com frutas cítricas, como será o caso do limão apresentado na experimentação desse capítulo, os metais utilizados atuarão como os eletrodos e o limão (parte líquida) o meio para a movimentação dos íons.

Os dois eletrodos estarão conectados por um fio condutor. Isso se torna necessário para que os elétrons gerados na reação de oxidorredução possam ser conduzidos do eletrodo anódico para o catódico. A moeda de cobre utilizada como eletrodo catódico possui um potencial de redução maior que o zinco ou ferro utilizado como eletrodo anódico. Isso significa que o metal que possuir o maior potencial de redução terá a capacidade de atrair elétrons com uma maior intensidade que aquele que possui um potencial de redução menor.

Destacamos que a moeda de cobre na pilha será o eletrodo catódico, pois possui o maior potencial de redução. Dessa forma, será a espécie química que causará a oxidação no outro eletrodo, sendo classificado como agente oxidante. O zinco ou o ferro utilizado como eletrodo na outra extremidade da pilha será o polo negativo, ou seja, o eletrodo catódico. Esse eletrodo, possuindo o menor potencial de redução entre os metais utilizados como polos na pilha, será a espécie que sofrerá a oxidação, portanto, causando a redução no cobre, por isso será classificado como agente redutor.

Nesse processo de oxidorredução os elétrons irão executar um fluxo de uma extremidade para outra na pilha. O circuito elaborado com os dois polos inseridos no limão e interligados por um fio condutor permitirá a condução de elétrons gerados por uma reação química.

Objetivo

Elaborar uma pilha com a utilização de limões, cujos conceitos a serem discutidos, tais como corrente elétrica, diferença de potencial e condutores, assumem um formato teórico-prático na busca pelo desenvolvimento e aprendizagem da compreensão de reações químicas envolvidas em processos de oxidorredução, especificamente no que se refere à eletroquímica.

Materiais e Métodos

Figura 1: Pilha feita com limões. Fonte: Fotografia do experimento elaborado pelos autores.

Os átomos do cobre (Cu) possuem um potencial de redução maior que os átomos de zinco (Zn). De forma empírica, isso significa que o Cu atrai mais os elétrons do que os átomos de Zn. Nesse sentido, ao definirmos o metal cobre como o eletrodo catódico, o polo positivo, e o zinco como o eletrodo anódico, polo negativo, interligados por um fio elétrico (que também pode ser de cobre), uma elevada quantidade de elétrons era fluir do polo negativo (eletrodo anódico – Zinco) para o polo positivo (eletrodo catódico – Cobre).

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Esse processo fará com que o sistema se configure como uma pilha, e então irá proporcionar reações de oxidorredução fazendo que os metais possam ser reduzidos e oxidados, isto é, uma espécie química irá ganhar elétrons e a outra perder elétrons. São dois processos simultâneos que envolvem os potenciais de redução dos metais que compõem os eletrodos. O metal que apresentar o maior potencial de redução sofrerá uma reação química de redução. Já o eletrodo composto pelo metal que apresentar o potencial de redução menor (em comparação com o eletrodo oposto), sofrerá a reação de oxidação. Em linhas gerais, Santos (2010) sintetiza a ilustração teórica que tecemos anteriormente afirmando que esse sistema simultâneo as reações precisam acomodar uma espécie química que irá oxidar, isto é, será o material que vai liberar elétrons para o sistema, e outra espécie química que sofrerá a redução recebendo elétrons.

O Zinco (Eletrodo Anódico) é o agente redutor, pois tendo uma maior capacidade de doar elétrons que o cobre irá promover a redução no eletrodo Catódico. O Cobre (Eletrodo Catódico) se configura como o agente oxidante, pois tendo o maior potencial de redução, ou seja, tendo uma maior capacidade de receber elétrons que o Zn fará com que o zinco se oxide. A solução ácida, ou melhor dizendo o limão, atuará nesse processo como o meio necessário para a movimentação dos íons e consequentemente fluxo dos elétrons pelo circuito montado. Isso gerará uma diferença de potencial elétrico.

Neste caso, o cobre sofre redução (recebe/ganha elétrons). Já o zinco sofre oxidação (perde elétrons). Como os elétrons fluem do polo negativo para o positivo, há um movimento ordenado de elétrons, tendo assim uma corrente elétrica é gerada. Alvarenga (2006) nos diz que em um fio condutor existe um grande número de elétrons livres em constante movimento e a corrente elétrica é gerada ao se estabelecer uma diferença de potencial elétrico entre os eletrodos (ALVARENGA, 2006).

Quimicamente podemos descrever as reações de oxidação e redução da seguinte forma: Em meio ácido, como acontece no limão, temos íons H+ que irá caracterizar a solução ácida. Em meio ácido o zinco é oxidado, pois o potencial de redução do hidrogênio é maior que o do Zinco. As duas semi-reações são apresentadas a seguir:

As semi-reações nos elucidam que em meio ácido o zinco sofre uma reação de oxidação dando origem aos íons Zn+ (aq) em solução. Além disso, libera elétrons para o sistema. Já o cobre em meio ácido não sofre oxidação como os átomos de zinco. Sendo assim, as semi-reações que acontecem no eletrodo catódico podem ser ilustradas da seguinte forma:

As reações nos indicam que, tendo o cobre um potencial de redução maior que o hidrogênio gasoso, haverá uma redução do eletrodo positivo, isto é, ocorrerá um “consumo” de elétrons no sistema pelo polo positivo. Isso provocará uma redução do cobre no eletrodo positivo promovendo um fluxo de elétrons no meio ácido.

Procedimentos de montagem

Primeiro devemos conectar em uma das extremidades do limão a placa de zinco e no lado posto inserir uma moeda revestida de cobre (como é o caso das moedas de cinco centavos de real). Pode-se montar um circuito com varias configurações em série, como descrito anteriormente, para potencializarmos a corrente a ser gerada. É importante ressaltarmos que para a ligação em série o eletrodo anódico de uma sessão deverá ser conectado ao eletrodo catódico da sessão subsequente, como destacado na figura 1. Ao final conectar todo conjunto a uma lâmpada de LED.

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Pronto, a pilha já está feita! Quanto mais limões você colocar, maior será a intensidade da corrente elétrica e mais forte será o brilho da lâmpada. No entanto, assim como acontece para as pilhas secas, estas pilhas têm um determinado tempo de “vida”, pois nas placas de metal ocorrem reações químicas que acabam por bloquear a transferência de elétrons do ânodo para o cátodo.

Referências

ALVARENGA, B, A.; RIBEIRO, A, M. Física - Ensino Médio/Vol. 3. Editora Scipione 2006.

KOTZ, J.C.; TREICHEL, P.M.; WEAVER, G.C. Química Geral e Reações Químicas. Volume 2, São Paulo: Cengage Learning, 2011.

SANTOS, W. L. P.; MÓL, G. S. Química cidadã: química orgânica, eletroquímica, radioatividade, energia nuclear e a ética da vida, volume 3 : ensino médio/ Wildon Luiz Perreira dos Santos, Gerson de Souza Mól, (coords.). – 1. Ed. – São Paulo : Nova Geração, 2010. – (coleção química para a nova geração).