Relatório sobre Pilhas PDF

Preview

Summary

Relatório sobre Pilhas...

Description

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Campus Contagem

Composição e funcionamento de uma Pilha Seca

Débora Maria Diniz Barbosa, nº 14. Controle Ambiental – 2º ano.

Relatório Científico para a disciplina de Físico-Química, da prática realizada no dia 29 de janeiro de 2014.

Belo Horizonte, 04 de fevereiro de 2014.

Introdução: A pilha seca foi criada em 1866, pelo químico francês George Leclanché (1839-1882), também sendo chamada de pilha de Leclanché. Até então, só existiam pilhas que usavam soluções aquosas para funcionar, como a Pilha de Daniell. Daí o nome pilha seca para denominar a pilha de Leclanché. Outras duas denominações que esse tipo de pilha recebe devido a sua constituição é pilha ácida ou pilha de zinco-carbono. Atualmente, há uma grande variedade de pilhas vendidas comercialmente, sendo as mais comuns as pilhas de Leclanché e as pilhas alcalinas.

Imagem 1: Tipos de pilhas. Disponível em: < http://www.brasilescola.com/quimica/pilhas.htm>

As pilhas são formadas por dois eletrodos e um eletrólito, sendo o eletrodo positivo chamado de cátodo, que é onde ocorre a reação de redução, e o eletrodo negativo denominado ânodo, que é onde ocorre a reação de oxidação. O eletrólito ou ponte salina é a solução condutora de íons. A reação espontânea de oxidorredução que ocorre nas pilhas gera uma corrente elétrica que é aproveitada para o funcionamento de algum equipamento. O zinco é o material ânodo mais comum, pois apresenta boas propriedades eletroquímicas, fácil disponibilidade e baixo custo. A pilha seca é formada por um envoltório de zinco separado dos seus demais constituintes por meio de um papel poroso. Esse zinco é o polo negativo da pilha (ânodo), ou seja, ele sofre oxidação. A reação de oxidação do zinco pode ser descrita como:

Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2eNo centro da pilha, tem-se um bastão de carbono (grafite) envolvido por uma massa preta heterogênea contendo dióxido de manganês (MnO 2), cloreto de amônio (NH4Cl), cloreto de zinco (ZnCl2) e, caso a pilha for muito usada, forma-se trióxido de manganês (Mn 2O3). O bastão de carbono conduz os elétrons que vão sendo perdidos pelo zinco até o manganês, o que provoca a redução do MnO2 (manganês com Nox +4) a Mn 2O3 (manganês com Nox +3). A reação de redução do manganês pode ser descrita como:

2MnO2(aq) + 2NH4+ (aq) + 2e- → Mn2O3 (s) + 2NH3(g) + H2O(l) O bastão de carbono é considerado o polo positivo da pilha, sendo, portanto, o cátodo do sistema. A massa preta funciona como uma ponte salina, permitindo a movimentação dos íons entre os polos da pilha. A reação global responsável pelo funcionamento da pilha é dada por:

2

Zn(s) + 2MnO2(aq) + 2NH4+ (aq) → Zn2+(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g) A pilha para de funcionar quando todo o MnO 2 é transformado em Mn 2O3. Sendo essa uma reação irreversível, essas pilhas não podem ser recarregadas.

Imagem 2: Esquema de uma pilha seca. Disponível em:

Objetivo: Analisar a constituição de uma pilha seca, bem como o seu funcionamento e as reações que ocorrem no interior da mesma.

Materiais:  1 pilha usada (não alcalina);  Ácido clorídrico dil. (HCl aq.);  Hidróxido de sódio dil. (NaOH aq.);  Béquer;  Funil e papel filtro;  Bastão de vidro;  Alicate, chave de fenda (para abrir a pilha).

Procedimentos: 1) Com auxílio do alicate e da chave de fenda, abriu-se a pilha ao longo da costura e desenrolou-se a proteção de aço. Observou-se o miolo da pilha.

3

2) Logo depois da capa de aço há um invólucro. No caso de uma pilha usada é possível que esta parte tenha sido toda, ou em parte consumida pela reação química. Lavou-se esse invólucro com água e guardou-o para uso posterior. 3) Retirou-se um bastão de carbono (carvão) localizado centro da pilha. 4) Pegou-se o resto do conteúdo da pilha, uma mistura preta heterogênea, e despejou-o em um béquer. 5) Acrescentou-se à mistura aproximadamente 100ml de água e agitou-se bastante com bastão de vidro, até todo o sal dissolver-se na água. 6) Filtrou-se a mistura. O filtrado deverá conter NH4Cl e ZnCl2. Como estes dois sais são solúveis, não é possível sua separação imediata. Deve-se realizar uma reação onde apenas os sais reajam de forma diferente para permitir a sua separação. Uma possibilidade é reagir a mistura com NaOH. Escreveu-se a reação química entre esses dois sais com o NaOH e previu-se o que iria acontecer. 7) Adicionou-se ao filtrado algumas gotas de NaOH até a completa precipitação. 8) Filtrou-se a mistura e adicionou-se ao filtrado mais NaOH. Sentiu-se o cheiro. 9) Posteriormente, testou-se o invólucro da pilha. Adicionou-se a um pedaço deste metal um pouco de HCl diluído. Anotou-se as observações e equacionou-se a reação. 10) Depois de finda essa reação, adicionou-se NaOH até observar uma precipitação. Compararam-se os precipitados obtidos no experimento.

Discussão dos resultados:  Conteúdo do “miolo” da pilha: Invólucro de zinco com um bastão de grafite ao centro, e uma massa preta em volta do bastão, revestida por um papel poroso.  Características da massa preta: Sólido úmido e preto, heterogêneo apesar de parecer ser homogêneo. Ao acrescentar água e filtrar a mistura encontrada no interior da pilha, o NH 4Cl e o ZnCl 2, que são solúveis, deram origem a um filtrado incolor. Já o MnO 2 e o Mn2O3 foram retidos pelo filtro, constituindo uma pasta preta insolúvel. Assim, pela solubilidade ou não das substâncias em água, separou-se em duas partes a mistura: filtrado incolor e pasta preta insolúvel, que ficou retida no meio filtrante. Quando se adicionou 72 gotas de NaOH ao filtrado, ou seja, ao NH 4Cl e o ZnCl2, houve a formação de um precipitado branco. A reação que ocorreu pode ser equacionada da seguinte forma:

NH4Cl + ZnCl2 + 3NaOH  3NaCl + NH4OH + Zn(OH)2

4

O NaCl é um sal solúvel. O NH4OH também é solúvel e é muito instável e volátil, decompondo-se em NH3 e H2O. Já o Zn(OH)2 é sólido, sendo este o precipitado que se formou na medida que acrescentou-se NaOH na solução. Quando se filtra os produtos da reação acima, todo o precipitado (Zn(OH) 2) fica retido no meio filtrante e os íons das demais soluções ficam dispersos no filtrado. Ao adicionar mais NaOH, mais produto é formado segundo a reação abaixo:

NH4Cl + NaOH  NaCl + NH3 + H2O O NH4OH é responsável pelo odor liberado durante a reação. Como é muito instável e volátil, decompõe-se. A liberação da amônia no estado gasoso provoca o odor característico que pôde ser percebido. Em uma segunda parte do experimento, o invólucro de zinco que reveste a pilha foi adicionado a uma solução de HCl dil., ocorrendo uma reação entre tais materiais. Pode-se perceber a liberação de gás hidrogênio como evidência da reação, que acontece conforme descrita abaixo:

HCl + Zn  ZnCl2 + H2 Conclusões: O diferente tempo de uso das pilhas pode influenciar nas observações do experimento. Isso ocorre devido à formação de mais Mn 2O3 na medida em que vai se utilizando o dispositivo e também devido à oxidação do invólucro de zinco da pilha, por exemplo. A voltagem da pilha seca é de 1,5V. A amônia formada na reação que ocorre no cátodo pode envolver o bastão de grafite impedindo o fluxo de elétrons e diminuindo a diferença de potencial da pilha. Porém, isso pode ser revertido deixando a pilha fora do aparelho ou aumentando sua temperatura, já que o Zn reage com a amônia e deixa o bastão livre e a diminuição da temperatura favorece a solubilidade da amônia na pasta úmida da pilha. O envoltório de zinco pode ser corroído à medida que a pilha é usada. Com isso o material corrosivo presente em seu interior pode vazar e danificar o aparelho. Para evitar que isso aconteça, é importante retirar as pilhas de aparelhos e equipamentos que não são usados continuamente. O experimento foi realizado utilizando uma pilha de Leclanché. A diferença entre esta pilha e as pilhas alcalinas é a constituição da pasta úmida, sendo que na primeira tem-se os sais cloreto de amônio (NH4Cl) e cloreto de zinco (ZnCl2) formando-a e nas pilhas alcalinas, usa-se o hidróxido de potássio (NaOH) para tal, que é uma base. O funcionamento das pilhas, assim como a voltagem que estas conseguem atingir, depende muito da constituição da mesma, principalmente dos materiais que constituem o ânodo e o cátodo. Quanto maior o valor da diferença de potencial dos eletrodos, maior a capacidade geradora de energia de uma pilha.

5

Referências bibliográficas: FERNANDES, Antônio de Pádua Lima. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. Departamento Acadêmico de Química. Físico Química Aplicada Prática. Contagem, 2014. Brasil, Escola. Pilhas. Disponível em: . Acesso em: 30 de janeiro de 2014. Química, Sem segredos. Eletroquímica – pilhas. Disponível . Acesso em: 30 de janeiro 2014.

em:

CETICISMO, Net. Eletroquímica. Disponível em: . Acesso em: 30 de janeiro de 2014. Brasil, Escola. Pilha Seca de Leclanché. Disponível em: Acesso em: 31 de janeiro de 2014.

FOGAÇA, Jennifer. Pilha Seca de Leclanché. Disponível em: . Acesso em: 31 de janeiro de 2014.

6...