Célula seca: estrutura e função - Ciência - 2023

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UMApilha seca é uma bateria cujo meio eletrolítico consiste em uma pasta e não em uma solução. A referida pasta, no entanto, apresenta um certo nível de umidade, e por isso não é estritamente seca.

A pouca quantidade de água é suficiente para que os íons se movam e, consequentemente, o fluxo de elétrons para dentro da célula.

Sua enorme vantagem sobre as primeiras baterias úmidas é que, por ser uma pasta eletrolítica, seu conteúdo não pode ser derramado; o que acontecia com as baterias úmidas, que eram mais perigosas e delicadas do que as secas. Dada a impossibilidade de derramamento, a célula seca encontra uso em muitos dispositivos portáteis e móveis.

Na imagem acima, há uma bateria seca de zinco-carbono. Mais exatamente, é uma versão moderna da pilha de Georges Leclanché. De todos, é o mais comum e talvez o mais simples.

Esses dispositivos representam uma comodidade energética pelo fato de possuírem energia química na bolsa que pode ser transformada em eletricidade; e, desta forma, não dependendo de tomadas ou da energia fornecida pelas grandes usinas e sua vasta rede de torres e cabos.

Estrutura de célula seca

Qual é a estrutura de uma célula seca? Na imagem você pode ver sua capa, que nada mais é do que um filme polimérico, aço e os dois terminais cujas arruelas isolantes se projetam na frente.

No entanto, esta é apenas sua aparência externa; no seu interior encontram-se as suas partes mais importantes, que garantem o seu bom funcionamento.

Cada célula seca terá suas próprias características, mas apenas a célula de zinco-carbono será considerada, da qual uma estrutura geral pode ser delineada para todas as outras baterias.

Entende-se por bateria a união de duas ou mais baterias, sendo estas células voltaicas, conforme será explicado em seção futura.

Eletrodos

A imagem superior mostra a estrutura interna de uma bateria de zinco-carbono. Não importa qual seja a célula voltaica, sempre deve haver (normalmente) dois eletrodos: um do qual os elétrons são emitidos e outro do qual os recebe.

Os eletrodos são materiais eletricamente condutores e, para que haja corrente, ambos devem ter eletronegatividades diferentes.

Por exemplo, o zinco, a lata branca que envolve a bateria, é de onde os elétrons saem para o circuito elétrico (dispositivo) onde é conectado.

Por outro lado, em todo o meio está o eletrodo de carbono grafítico; também imerso em uma pasta composta de NH₄Cl, ZnCl₂ e MnO₂.

Esse eletrodo é o que recebe os elétrons, e observe que ele possui o símbolo '+', o que significa que é o terminal positivo da bateria.

Terminais

Como visto acima da haste de grafite na imagem, existe o terminal elétrico positivo; e abaixo, o zinco interno pode de onde fluem os elétrons, o terminal negativo.

É por isso que as baterias são marcadas com '+' ou '-' para indicar a maneira correta de conectá-las ao dispositivo e, assim, permitir que ele ligue.

Areia e cera

Embora não mostrada, a pasta é protegida por uma areia tampão e um lacre de cera que evita que ela respingue ou entre em contato com o aço sob pequenos impactos mecânicos ou agitação.

Funcionamento

Como funciona uma célula seca? Para começar, é uma célula voltaica, ou seja, gera eletricidade a partir de reações químicas. Portanto, dentro das células ocorrem reações redox, onde as espécies ganham ou perdem elétrons.

Os eletrodos funcionam como uma superfície que facilita e permite o desenvolvimento dessas reações. Dependendo de suas cargas, pode ocorrer oxidação ou redução das espécies.

Para melhor entender isso, apenas os aspectos químicos da bateria de zinco-carbono serão explicados.

Oxidação de eletrodo de zinco

Assim que o dispositivo eletrônico é ligado, a bateria libera elétrons oxidando o eletrodo de zinco. Isso pode ser representado pela seguinte equação química:

Zn => Zn²⁺ + 2e^-

Se houver muito Zn²⁺ envolvendo o metal, ocorrerá uma polarização de carga positiva, de modo que não haverá mais oxidação. Portanto, o Zn²⁺ ele deve se difundir através da pasta em direção ao cátodo, onde os elétrons entrarão de volta.

Assim que os elétrons ativam o artefato, eles voltam para o outro eletrodo: o de grafite, para encontrar algumas espécies químicas "esperando" por ele.

Redução de cloreto de amônio

Como afirmado anteriormente, há NH nas massas₄Cl e MnO₂, substâncias que tornam seu pH ácido. Assim que os elétrons entram, as seguintes reações ocorrerão:

2NH₄⁺ + 2e^– => 2NH₃ + H₂

Os dois produtos, amônia e hidrogênio molecular, NH₃ e H₂Eles são gases e, portanto, podem "inchar" a bateria se não sofrerem outras transformações; como os dois seguintes:

Zn²⁺ + 4NH₃ => [Zn (NH₃)₄]²⁺

H₂ + 2MnO₂=> 2MnO (OH)

Observe que a amônia foi reduzida (ganhou elétrons) para se tornar NH₃. Esses gases foram então neutralizados pelos outros componentes da pasta.

O complexo [Zn (NH₃)₄]²⁺facilita a difusão de íons Zn²⁺ em direção ao cátodo e, assim, evitar que a bateria “pare”.

O circuito externo do artefato funciona como uma ponte para os elétrons; caso contrário, nunca haveria uma conexão direta entre a lata de zinco e o eletrodo de grafite. Na imagem da estrutura, esse circuito representaria o cabo preto.

Baixar

As células secas vêm em muitas variantes, tamanhos e tensões de trabalho. Alguns deles não são recarregáveis (células voltaicas primárias), enquanto outros são (células voltaicas secundárias).

A bateria de zinco-carbono tem uma voltagem de trabalho de 1,5V. Suas formas mudam com base em seus eletrodos e na composição de seus eletrólitos.

Chegará um ponto em que todo o eletrólito terá reagido, e por mais que o zinco seja oxidado, não haverá espécie que receba os elétrons e promovam sua liberação.

Além disso, pode ser o caso em que os gases formados não sejam mais neutralizados e permaneçam exercendo pressão no interior das células.

As baterias de zinco-carbono e outras baterias que não são recarregáveis devem ser recicladas; já que seus componentes, principalmente os de níquel-cádmio, são prejudiciais ao meio ambiente por poluir os solos e as águas.

Referências

Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
A bateria "célula seca". Recuperado de: makahiki.kcc.hawaii.edu
Hoffman S. (10 de dezembro de 2014). O que é uma bateria de célula seca? Recuperado de: upsbatterycenter.com
Weed, Geoffrey. (24 de abril de 2017). Como funcionam as baterias de célula seca? Ciência. Recuperado de: sciencing.com
Woodford, Chris. (2016) Baterias. Recuperado de: explainthatstuff.com.