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ELETRODINÂMICA

Pilhas

Química

Toda pilha é um dispositivo em que ocorre uma reação espontânea de oxidorredução que gera corrente elétrica, que, por sua vez, é aproveitada para fazer algum equipamento funcionar.

Esses dispositivos receberam esse nome porque a primeira pilha a ser criada foi inventada por Alessandro Volta, no ano de 1800, e era formada por discos de zinco e cobre separados por um algodão embebido em salmoura. Tal conjunto era colocado de forma intercalada, um em cima do outro, empilhando os discos e formando uma grande coluna. Como era uma pilha de discos, começou a ser chamada por esse nome.

As pilhas são sempre formadas por dois eletrodos e um eletrólito. O eletrodo positivo é chamado de cátodo e é onde ocorre a reação de redução. Já o eletrodo negativo é o ânodo e é onde ocorre a reação de oxidação. O eletrólito é também chamado de ponte salina e é a solução condutora de íons.

Para você entender como isso gera corrente elétrica, veja o caso de uma das primeiras pilhas, a pilha de Daniell, em que havia um recipiente com uma solução de sulfato de cobre (CuSO_4(aq)) e, mergulhada nessa solução, estava uma placa de cobre. Em outro recipiente separado, havia uma solução de sulfato de zinco (ZnSO_4(aq)) e uma placa de zinco mergulhada. As duas soluções foram ligadas por uma ponte salina, que era um tubo de vidro com uma solução de sulfato de potássio (K₂SO_4(aq)) com lã de vidro nas extremidades. Por fim, as duas placas foram interligados por um circuito externo, com uma lâmpada, cujo acendimento indicaria a passagem de corrente elétrica:

O que acontece é que o zinco tem maior tendência de se oxidar, isto é, de perder elétrons, por isso, o zinco metálico da lâmina funciona como o eletrodo negativo, o ânodo, onde ocorre a oxidação: Zn_{( s)}   ↔  Zn²⁺_(aq) + 2 e^-. Os elétrons perdidos pelo zinco são transportado pelo circuito externo até o cobre, gerando a corrente elétrica que liga a lâmpada. Os íons cobre da solução recebem os elétrons (reduzem-se) e transformam-se em cobre metálico que se deposita sobre a lâmina de cobre. Isso significa que esse é o eletrodo positivo, cátodo, onde ocorre a redução: Cu²⁺_(aq) + 2 e^- ↔  Cu_{( s).}

As pilhas atuais possuem esse mesmo princípio de funcionamento, em que um metal doa elétrons para outro, por meio de uma solução condutora, e é produzida a corrente elétrica. A diferença é que as pilhas usadas hoje são secas, porque não utilizam como eletrólito uma solução líquida, como ocorre na pilha de Daniell.

Hoje existe uma diversidade muito grande de pilhas que são vendidas comercialmente. Entre elas as mais comuns são as pilhas ácidas (de Leclanché) e as pilhas alcalinas.

Ambas possuem o zinco como o eletrodo negativo; já como polo positivo, há uma barra de grafita instalada no meio da pilha envolvida por dióxido de manganês (MnO₂), carvão em pó (C) e por uma pasta úmida. A diferença é que, na pilha ácida, usa-se na pasta úmida o cloreto de amônio (NH₄Cl) e cloreto de zinco (ZnCl₂) – sais de caráter ácido – além de água (H₂O). Já na pilha alcalina, usa-se o hidróxido de potássio (KOH), que é uma base.

As pilhas de Leclanché são mais indicadas para equipamentos que requerem descargas leves e contínuas, como controle remoto, relógio de parede, rádio portátil e brinquedos. Já as pilhas alcalinas dispõem de 50 a 100% a mais de energia que uma pilha comum do mesmo tamanho, sendo indicadas para equipamentos que exigem descargas rápidas e mais intensas, tais como rádios, tocadores de CD/DVD, MP3 portáteis, lanternas, câmeras fotográficas digitais etc.

Saiba mais sobre quais são os eletrólitos e eletrodos usados nessas e em outros tipos de pilhas, bem como para que tipos de equipamentos elas são mais recomendadas, lendo os artigos relacionados mais abaixo.

Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química

TRABALHO DO 3° BIMESTRE

OBRA E VIDA
FÍSICO		TRABALHO
Thomas Edison “Genialidade: 1% de inspiração e 99% de transpiração”		3° BIMESTRE
Nikola Tesla. “Todo o meu dinheiro é convertido em experimentos para realizar novas descobertas que permitam a humanidade viver um pouco melhor”		3° BIMESTRE

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CONDUTORES E ISOLANTES, SEMICONDUTORES E SUPERCONDUTORES.

• CONDUTORES E ISOLANTES

É fácil estabelecer uma corrente elétrica em metais porque um ou mais dos elétrons das camadas mais externas desses átomos não estão firmemente presos aos núcleos. Ao contrário, eles são praticamente livres para vagar pelo material.

Tais materiais são chamados de condutores. Os metais são bons condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual são bons condutores de calor. Os elétrons de suas camadas mais externas estão "frouxos".
Em outros materiais, borracha e vidro, por exemplo, os elétrons estão firmemente ligados e pertencem de fato a átomos individuais. Eles não são livres para vagar por entre os outros átomos do material. Consequentemente, não é fácil fazê-los fluir. Esses materiais são maus condutores de corrente elétrica pela mesma razão pela qual eles são normalmente maus condutores de calor. Esses materiais são chamados isolantes.
Todas as substâncias podem ser ordenada de acordo com sua facilidade de conduzir corrente elétrica. No topo dessa lista, situam-se os bons condutores, e no fim os bons isolantes. As extremidades da lista estão muito distantes. A condutividade de um metal, por exemplo, pode ser mais do que um milhão de trilhão de vezes maior do que a de um isolante como o vidro. Num fio elétrico duplo comum, os elétrons fluem por vários metros do fio em vez de fluírem diretamente de um fio para o seu vizinho através dos poucos centímetros do isolamento de borracha que os separa.

• SEMICONDUTORES

Uma determinada substância pode ser classificada como condutora ou isolante, dependendo de quão fortemente seus átomos seguram os elétrons. Um pedaço de cobre é um bom condutor, enquanto um de madeira é um bom isolante. Certos materiais tais como o germânio e o silício, entretanto, não são bons condutores nem bons isolantes. Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura e tornando-se excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina. Materiais que podem se comportar algumas vezes como isolantes e algumas vezes como condutores são chamados de semicondutores. Camadas finas de materiais semicondutores empilhados juntos formam os transistores, usados para controlar o fluxo de corrente em circuitos, detectar e amplificar sinais de rádio e produzir oscilações elétricas em transmissores; atuam também como chaves digitais. Esses minúsculos sólidos foram os primeiros componentes elétricos em que materiais com características elétricas diferentes não foram conectados por fios, mas unidos fisicamente numa só estrutura. Eles requerem muito pouca potência e, usados normalmente, duram longo tempo.
Um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz de cor apropriada incidir nele. Uma placa de selênio puro normalmente é um bom isolante, e qualquer carga elétrica colocada sobre sua superfície ali permanecerá por longos períodos, desde que esteja escuro. Se a placa for exposta à luz, entretanto, a carga escapará para fora da placa quase que imediatamente. Se uma placa de selênio carregada for exposta a um padrão luminoso, tal comoo padrão de claro e escuro que constitui esta página, por exemplo, a carga escapará apenas das áreas expostas à luz. Se um pó plástico preto fosse espalhado sobre ela, ele grudaria apenas nas áreas que estão carregadas, onde a placa não foi exposta à luz. Agora, se um pedaço de papel, com uma carga elétrica localizada sobre seu verso, fosse colocado sobre a placa, o pó plástico preto seria transferido para o papel, formando o mesmo padrão que digamos, o desta página. Se o papel fosse, então, aquecido de modo a derreter o plástico e a fundi-lo com o papel, você poderia pagar alguns centavos por ele, e chamá-lo de cópia xerox.

• SUPERCONDUTORES

Um condutor ordinário oferece apenas uma pequena resistência ao fluxo de carga elétrica. Um isolante oferece uma resistência muito maior (abordaremos o tópico sobre resistência elétrica mais à frente). Notavelmente, a temperaturas suficientemente baixas, determinadas materiais adquirem resistência nula (ou condutividade infinita) ao fluxo de carga. Esses são os materiais supercondutores. Uma vez que a corrente elétrica tenha sido estabelecida num supercondutor, ela fluirá indefinidamente. Sem resistência elétrica alguma a corrente passa pelo material sem sofrer perda de energia: nenhum aquecimento ocorre durante o fluxo da carga. A supercondutividade em metais próximos ao zero absoluto foi descoberta em 1911. Em 1987, foi a descoberta a supercondutividade em"altas" temperaturas (acima de 100 K) num composto não -metálico. Presentemente, estão sendo objeto de intensas pesquisas materiais que são supercondutores tanto em baixas como em altas temperaturas. As potenciais aplicações incluem transmissão de energia a grandes distâncias sem perdas e veículos de alta velocidade magneticamente levitados, para substituir os trens.

texto:  Cleovam Pôrto