Pilhas, ânodo e cátodo: entenda como funcionam na eletroquímica

A eletroquímica está no top 5 assuntos que mais aparecem nas questões de Química no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), sendo que o funcionamento das pilhas é um dos temas frequentemente abordados. E já que estamos a duas semanas da prova, vamos ajudar você na missão de entender como os componentes das pilhas atuam, com ênfase aos eletrodos ânodo e cátodo.

O que são pilhas e baterias

As baterias e pilhas desempenham um papel fundamental em nossa vida diária, pois têm a capacidade de transformar energia química em energia elétrica por meio da transferência de elétrons. Podemos mencionar exemplos como as baterias de carro e de celular, além das pilhas usadas em controles remotos e outros dispositivos.

No caso das pilhas, elas consistem em um cátodo, um ânodo (ou seja, dois eletrodos) e um eletrólito. Agora, quando temos duas ou mais pilhas conectadas entre si, seja em série ou em paralelo, passamos a chamar esse conjunto de bateria.

É importante notar que, no caso de pilhas em série, a diferença de potencial (ddp) obtida será maior do que a de uma única pilha. Por outro lado, elas estão ligadas em paralelo, a ddp permanece constante, mas a corrente elétrica é maior.

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Componentes de uma pilha eletroquímica

As pilhas eletroquímicas possuem diversos componentes que trabalham em conjunto para fazê-las funcionar. Vamos entender melhor usando como exemplo a pilha de Daniell:

Eletrodos

Uma pilha é constituída por dois eletrodos: o ânodo é o polo negativo da pilha, em que ocorre o processo de oxidação; e o cátodo é o polo positivo, onde ocorre o processo de redução.

Na pilha de Daniell, os eletrodos são de zinco e cobre. O eletrodo de zinco atua como o ânodo, onde ocorre a doação de elétrons, resultando na oxidação. Enquanto isso, o eletrodo de cobre funciona como o cátodo, onde ocorre a redução dos íons Cu²⁺ presentes em solução.

Solução eletrolítica

A solução eletrolítica desempenha papel essencial para o funcionamento de uma pilha ou bateria. Nela, colocamos o eletrodo de zinco em uma solução aquosa de sulfato de zinco (ZnSO_4(aq)), enquanto o eletrodo de cobre é inserido em uma solução de sulfato de cobre (CuSO_4(aq)). Além disso, essas soluções contêm íons livres de zinco e cobre devido à dissociação dos sais.

Quando a pilha opera, os íons Zn²⁺ do ânodo migram para o cátodo, onde ocorre a redução, enquanto os íons Cu²⁺ do cátodo migram para o ânodo, realizando a oxidação. Esse movimento de íons nas soluções eletrolíticas é essencial para a condução da corrente elétrica.

Ponte salina

As soluções presentes nas extremidades do dispositivo são interligadas por meio de uma ponte salina, que consiste em um tubo de vidro em "U" com uma solução de sal solúvel em água, como o cloreto de potássio (KCl) ou o nitrato de amônio (NH₄NO₃).

As extremidades desse tubo são vedadas com um material poroso, que pode ser algodão ou ágar ágar, permitindo a migração de íons da ponte salina para as soluções, que tem como objetivo estabelecer um equilíbrio de íons positivos e negativos.

Principais tipos de pilhas e baterias que você precisa conhecer

As pilhas e baterias fornecem energia elétrica para uma ampla variedade de dispositivos e aplicações cotidianas. Entre os diversos tipos disponíveis, destacam-se a pilha seca, a pilha seca alcalina, as baterias de chumbo-ácido e as baterias de íons lítio. Em resumo, cada uma dessas tecnologias possui características distintas e é adaptada para atender a diferentes necessidades.

Pilha seca

A pilha seca, frequentemente chamada de pilha seca ácida ou pilha de Leclanché, foi patenteada pelo francês Georges Leclanché, em 1866. Ela ganhou notável aceitação, especialmente em sistemas de telégrafo, sinalização e campainhas daquela época. Sua principal contribuição foi fornecer uma corrente elétrica considerável, adequada para as demandas do período.

Outro nome recebido pela pilha seca é "pilha de zinco/dióxido de manganês", pois há envolvimento dessas substâncias nas reações de oxirredução em seu funcionamento.

Pilha seca alcalina

Uma extensão do estudo da pilha seca ácida levou ao desenvolvimento de uma variante muito similar, a pilha seca alcalina. Nessa versão, a solução é composta por substâncias de caráter básico, incluindo uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH_(aq)) e óxido de zinco (ZnO_(aq)). Essa modificação no eletrólito confere à pilha alcalina uma durabilidade aproximadamente cinco vezes superior.

Isso se deve ao fato de o KOH ser um eletrólito forte, capaz de transportar energia de maneira mais rápida e eficiente em comparação com o NH₄Cl, proporcionando, assim, uma vida útil mais longa à pilha.

Baterias de chumbo-ácido (automotivas)

As baterias desse tipo apresentam a característica peculiar de usar o mesmo elemento químico, chumbo, nos dois eletrodos. Elas são amplamente encontradas em nosso dia a dia, principalmente nos automóveis. Sua função principal é fornecer uma corrente elétrica de alta intensidade em um período curto, o que permite dar partida no veículo e alimentar outros sistemas eletroquímicos, como rádio, faróis etc.

As classificamos como bateria, por consistir em 6 células ligadas em série, sendo que cada célula fornece 2V (uma ddp total de 12V).

Baterias de íons lítio

O funcionamento dessa bateria se baseia em íons de lítio (Li⁺) e elas são amplamente utilizadas em dispositivos eletrônicos . Uma de suas principais vantagens é a portabilidade, devido à alta densidade de energia que possuem.

Quando observamos os dispositivos eletroquímicos ao nosso redor, percebemos que a maioria deles se classifica como baterias secundárias, ou seja, recarregáveis. As baterias de íon lítio se encaixam nessa categoria e envolvem dois processos distintos: descarga e recarga.

Durante o processo de descarga, que corresponde ao funcionamento do dispositivo, o sistema eletroquímico utiliza o lítio em seu estado oxidado, na forma de íons representados por Li⁺. Já no processo de recarga, a corrente elétrica flui no sentido oposto, deixando a bateria pronta para ser usada novamente.

Como funcionam as pilhas?

Vamos entender, primeiro, como as pilhas surgiram. A história delas começa com a inovação de Alessandro Volta, em 1800, quando ele inventou a primeira pilha usando discos de cobre e zinco. Volta identificou que esse era o par de metais mais eficiente para gerar eletricidade, baseando-se em uma reação de oxirredução espontânea, na qual os elétrons fluem de um metal para o outro.

Em 1836, John Frederick Daniell aprimorou a invenção de Volta, tornando-a mais duradoura. Daniell desenvolveu um design com duas soluções distintas, ligadas por uma "ponte" que mantinha o equilíbrio de cargas na pilha. Assim, essas contribuições foram marcos essenciais no desenvolvimento das pilhas modernas.

Agora, você deve estar se perguntando como essa célula é capaz de gerar energia elétrica.

Geração de energia elétrica nas pilhas

É importante lembrar que a corrente elétrica resulta do movimento ordenado de elétrons impulsionados por uma diferença de potencial. No caso da pilha de Daniell, a lâmpada acende por causa desse fluxo de elétrons, que acontece quando uma das placas metálicas libera elétrons, resultando em sua migração.

Esse fluxo acontece porque há uma diferença de potencial, algo muito importante, principalmente, em reações de oxirredução.

O fluxo de elétrons na pilha de Daniell ocorre do zinco para o cobre, indicando que o cobre possui um maior potencial de redução do que o zinco. Como resultado, os elétrons da placa de zinco migram em direção à solução que contém íons de cobre prontos para serem reduzidos. Daqui em diante, nos referiremos a essas placas metálicas como eletrodos.

Eletrodo de zinco

O eletrodo de zinco consiste em uma placa de zinco metálico (Zn⁰_(s)) imersa em uma solução aquosa de sulfato de zinco (ZnSO_4(aq)). Nesse processo, o eletrodo de zinco doa elétrons, ou seja, sofre oxidação. O eletrodo que passa pelo processo de oxidação chama-se ânodo. A semirreação que descreve esse processo é a seguinte:

Zn⁰ → Zn²⁺_(aq) + 2 e^-

Nele, o zinco metálico libera elétrons, que fluem através do condutor em direção ao eletrodo de cobre. Isso resulta na diminuição da massa do eletrodo de zinco e no aumento da concentração de íons Zn²⁺ na solução.

Eletrodo de cobre

O eletrodo de cobre consiste em uma placa de cobre metálico (Cu⁰_(s)) imersa em uma solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO_4(aq)). Nesse estágio, o eletrodo de cobre recebe elétrons, ou seja, sofre redução dos íons Cu²⁺ presentes na solução. O eletrodo que passa por esse processo de redução chama-se cátodo. A semi-reação que descreve essa etapa é a seguinte:

Cu²⁺ _(aq) + 2e^- → Cu⁰

A redução dos íons Cu²⁺ leva à deposição de Cu⁰ na superfície do eletrodo de cobre, o que resulta no aumento da massa do eletrodo e na redução da concentração de íons Cu²⁺ na solução.

Resumo: pilhas eletroquímicas, ânodo e cátodo

Vamos ver se você compreendeu os principais pontos sobre as pilhas, ânodo e cátodo?

• Pilhas e baterias são dispositivos que convertem energia química em elétrica, sendo essenciais em nossa vida cotidiana.
• As pilhas consistem em ânodo, cátodo e eletrólito, podendo ser agrupadas em baterias quando conectadas.
• Os eletrodos ânodo (oxidação) e cátodo (redução) têm funções essenciais nas reações de pilhas.
• Soluções eletrolíticas nas pilhas contêm íons dissolvidos e permitem a condução de corrente elétrica.
• A ponte salina conecta as soluções nas extremidades da pilha, facilitando o equilíbrio de íons.
• Os principais tipos de pilhas são: pilhas secas ácidas, pilhas secas alcalinas, baterias de chumbo-ácido e baterias de íons lítio. Cada um possui aplicações específicas e operam convertendo energia química em elétrica.

Como as pilhas caem no Enem e nos vestibulares?

As questões de maior incidência em Química no Enem costumam envolver interpretações do esquema de pilhas, cálculos de diferença de potencial (ddp), além de análises dos potenciais de redução e oxidação.

Entretanto, isso não deve desviar a atenção de outros conceitos químicos, que também podem ser testados nos vestibulares. Veja alguns exemplos:

Exemplo 1

(Upf 2015)  Na pilha de Daniell, ocorre uma reação de oxirredução espontânea, conforme representado esquematicamente na figura abaixo.

Considerando a informação apresentada, analise as afirmações a seguir:

I. Na reação de oxirredução espontânea, representada na pilha de Daniell, a espécie que se oxida, no caso o Zn_(s), transfere elétrons para a espécie que sofre redução, os íons Cu²⁺_(aq).

II. O Zn_(s) sofre redução, transferindo elétrons para os íons Cu²⁺_(aq) que sofrem oxidação.

III. Para que ocorra a reação de oxirredução espontânea, o potencial de redução do eletrodo de cobre deve ser maior do que o do eletrodo de zinco.

 IV. A placa de Zn_(s) sofre corrosão, tendo sua massa diminuída, e sobre a placa de cobre ocorre depósito de cobre metálico. 

V. A concentração de íons Cu²⁺_(aq) aumenta, e a concentração de íons Zn²⁺_(aq) diminui em cada um dos seus respectivos compartimentos.

Está correto apenas o que se afirma em:

a) I, III e IV.

b) II e V.

c) I, II e V.

d) III, IV e V.

e) II e III.

Resposta: [A]
[I] Correto. Na reação de oxirredução espontânea, exemplificada na pilha de Daniell, ocorre a oxidação da espécie Zn_(s), que cede elétrons para a redução dos íons Cu²⁺_(aq).
Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2e^- (oxidação - ânodo)
Cu²⁺_(aq) + 2e^- → Cu_(s) (redução - cátodo)
[III] Correto. Para que a reação de oxirredução espontânea aconteça, é necessário que o potencial de redução do eletrodo de cobre (+0,34V) seja maior do que o do eletrodo de zinco (-0,76V).
[IV] Correto. A placa de zinco (Zn_(s)) sofre corrosão, resultando na diminuição de sua massa, enquanto sobre a placa de cobre ocorre o depósito de cobre metálico.

Exemplo 2

(Enem 2019) Grupos de pesquisa em todo o mundo vêm buscando soluções inovadoras, visando à produção de dispositivos para a geração de energia elétrica. Dentre eles, pode-se destacar as baterias de zinco-ar, que combinam o oxigênio atmosférico e o metal zinco em um eletrólito aquoso de caráter alcalino. O esquema de funcionamento da bateria zinco-ar está apresentado na figura.

No funcionamento da bateria, a espécie química formada no ânodo é

a) H_2(g)

b) O_2(g)

c) H₂O_(l)

d) OH^-_(aq)

e) Zn(OH)₄^2-_(aq)

Resposta: [E]
Com base na imagem apresentada na descrição, os íons OH^- atravessam a membrana seletiva e ocorrem reações simultâneas.
Reações paralelas:
Zn_(s) + 2 H₂O_(l) → Zn(OH)_2(aq) + H_2(g)
Zn(OH)_2(aq) + 2 OH^-_(aq) → Zn(OH)₂^-4_(aq)

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