O que são pilhas e baterias e quais os principais tipos

O princípio de funcionamento das pilhas e baterias é um troca-troca de elétrons entre dois compostos químicos que acaba por transformá-los em outras substâncias. Acompanhe:

Imagens: Freepik.

A diferença entre baterias e pilhas é que, no primeiro caso, a reação é reversível – isto é, os elementos podem voltar ao estado original. Nas pilhas comuns a metamorfose é definitiva.

As baterias de celular usam óxidos de níquel e de cádmio. O segundo tem uma tendência a arrancar elétrons do primeiro. Depois de algum tempo, tanto um quanto o outro viram substâncias diferentes – o cádmio metálico e o dióxido de níquel.

Quando a energia acaba, aplicando-se uma corrente elétrica no níquel, é possível forçá-lo a devolver os elétrons ao cádmio. Aí, as duas substâncias se recompõem e ficam prontas para reagir de novo.

Seria ótimo se toda pilha também pudesse ser assim. “Mas os metais usados nas baterias são caros demais”, explica o químico Atílio Vanin, da Universidade de São Paulo. As pilhas comuns são feitas com zinco metálico e dióxido de manganês, minerais mais baratos e abundantes.

Entretanto, o tipo de reação que ocorre entre eles é irreversível. A única solução é jogar a pilha fora. A bateria, por sua vez, é renovável porque seus componentes químicos são reversíveis, ao contrário da pilha.

Qual a composição de uma bateria?

Uma bateria de celular é composta de óxido de cádmio (CdO) e óxido de níquel (NiO). Os elétrons partem do cádmio para o aparelho e voltam para o níquel. Quando o vaivém termina, os dois óxidos viram novas substâncias: o cádmio metálico (Cd) e o dióxido de níquel (NiO₂). Um dia, a bateria descarrega.

Para recarregá-la, aplica-se eletricidade no níquel. A corrente força o metal a devolver elétrons ao dióxido de cádmio. Assim, as substâncias se recompõem e reiniciam o processo.

Qual a composição da pilha?

A composição química da pilha é diferente. Nela, os elétrons saem do zinco metálico (Zn) e retornam para o dióxido de manganês (MnO₂).

Quando o dióxido de manganês para de receber elétrons, ele se estabiliza e vira um óxido misto de zinco e manganês. Não há força capaz de fazê-lo devolver os elétrons ao zinco.

Conheça os vários padrões de pilhas e baterias

Existem diversos tipos de pilhas e baterias (que são armazenadores recarregáveis de energia). Conheça a seguir os principais:

Pilhas comuns

Também conhecidas como pilha seca ou Pilha de Leclanché (inventada em 1865 pelo engenheiro francês George Leclanché), é formada basicamente por invólucro externo de zinco (polo negativo), contendo uma “solução” eletrolítica, composta de uma pasta úmida de cloreto de amônio (NH₄Cl), cloreto de zinco (ZnCl₂) e dióxido de manganês (MnO₂), e, ao centro, um bastão de grafite.

A pasta úmida serve como polo positivo da pilha. A diferença de potencial (ou ddp, que é a capacidade de gerar energia) produzida pela pilha comum é equivalente a 1,5 volts (V).

Pilhas de mercúrio

Trazendo em sua composição o mercúrio (Hg) e o zinco (Zn), podem ser miniaturizadas, e por isso têm aplicação em pequenos equipamentos eletrônicos, como relógios de pulso. Em razão da presença de mercúrio, um metal altamente tóxico, seu uso vem sendo banido. Sua recarga é impossível.

Pilhas de óxido de prata  

Utilizam como reagente o óxido de prata (Ag₂O), sendo o zinco (Zn) usado na composição do ânodo. Tem preço de produção mais elevado que o dos demais tipos de pilha em razão da presença da prata, especialmente. Não podem ser recarregadas.

Acumuladores de chumbo (baterias veiculares)

O acumulador de chumbo é mais empregado no sistema elétrico de veículos, em função das suas características de capacidade, durabilidade e baixo valor de produção. Trata-se de um sistema de pilhas formado de eletrodos de chumbo, sendo este o ânodo, e de óxido de chumbo IV (PbO₂) impregnado de chumbo (Pb), formando o cátodo, ambos inseridos em uma solução de 20% de ácido sulfúrico (H₂SO₄).

As pilhas estão dispostas em série para haver a somatória de seus ddp (que são de 2 V cada). Essas baterias são recarregáveis, pois um sistema elétrico que inclui gerador ou alternador movimentado pelo motor a combustão do veículo provê eletricidade à bateria.

Baterias de níquel-cádmio

Também conhecidas como baterias alcalinas. O ânodo é composto de cádmio (Cd); o cátodo, de hidróxido de níquel III [Ni(OH)₃]; e o eletrólito é formado por uma solução de hidróxido de potássio (KOH). São mais utilizadas em aparelhos eletrônicos que consomem mais energia, como câmeras digitais ou filmadoras. As reações são expressas da seguinte forma:

Cd + 2OH^- à CdO + H₂O + 2e^-              ânodo

2 Ni(OH)₃ + 2e^- à 2 Ni(OH)₂ + 2 OH^-     cátodo

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Cd + 2 Ni(OH)₃ ⟺ CdO + 2 Ni(OH)₂ + H₂O

Apesar de sua eficiência e capacidade de receber inúmeras recargas, a presença do cádmio é prejudicial ao meio ambiente quando esse tipo de bateria é descartado. Por isso, vem sendo substituída por baterias de hidreto metálico de níquel (NiMH).

Baterias de íons de lítio (Li-Ion)

Trazendo em sua composição íons de lítio, essas baterias recarregáveis vêm sendo largamente utilizadas, especialmente em telefones celulares e notebooks.

Têm maior capacidade de armazenar energia do que as baterias de hidreto metálico de níquel e as baterias de níquel-cádmio, além de outras vantagens, como o fato de não possuírem efeito memória (ao contrário dos outros dois tipos, que perdem capacidade de recarga caso sejam recarregadas antes de esgotada sua carga).

A pilha mais velha do mundo

Fonte: Imagens públicas do Google.

Por Carlos Brazil

Escavações arqueológicas lideradas pelo alemão Wilhelm Konig, realizadas nos anos 1930, em Khujut Rabu, região próxima a Bagdá (Iraque), possibilitaram a descoberta de uma série de objetos que teriam sido utilizados por povos mesopotâmicos há cerca de 2.000 anos.

Entre esses aparatos, estava um pote de argila em formato cilíndrico de cerca de 13 centímetros de altura, com uma rolha no alto, vedando no seu interior uma barra de ferro dentro de um cilindro de cobre.

Inicialmente, os arqueólogos acreditavam tratar-se de um objeto dedicado ao uso religioso. No entanto, a curiosidade dos pesquisadores foi mais longe e permitiu que percebessem ali os elementos básicos de uma pilha moderna, desenvolvida somente nas primeiras décadas do século 19.

Reproduzindo um modelo semelhante à Pilha de Bagdá, com os mesmos elementos do objeto encontrado por Konig, a professora norte-americana Marjorie Senechal percebeu que, quando colocada uma solução ácida (como vinagre) dentro do pote, as barras de ferro e o tubo de cobre realizam uma reação química entre si, gerando corrente e produzindo uma carga elétrica que pode variar entre 0,8 volt e 2 volts (as pilhas atuais geram 1,5 volts).

Assim, é possível que os povos mesopotâmicos tenham inventado a pilha quase 2000 anos antes da descoberta moderna. No entanto, não se sabe ao certo se a capacidade de gerar eletricidade da Pilha de Bagdá tenha sido, de fato, empregada.

Fontes:

Ciências da Natureza – Química 2/Abril Coleções. – São Paulo: Abril, 2010.

SUPERINTERESSANTE, 7/2000, adaptado.