Célula seca: estrutura e operação

Uma célula seca é uma bateria cujo meio eletrolítico consiste em uma pasta e não em uma solução. Esta pasta, no entanto, tem um certo nível de umidade e, por tais razões, não é estritamente seca.

A pequena quantidade de água é suficiente para os íons se moverem e, consequentemente, o fluxo de elétrons dentro da bateria.

Célula seca: estrutura e operação 1

Fonte: Emilian Robert Vicol via Flickr.

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

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

Esses dispositivos representam um conforto energético pelo fato de ter no bolso uma energia química que pode ser transformada em eletricidade; e, dessa maneira, não dependem de tomadas ou da energia fornecida pelas grandes usinas e sua vasta rede de torres e cabos.

Estrutura celular 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 pela frente.

No entanto, essa é apenas sua aparência externa; No seu interior estão as partes mais importantes, que garantem o bom funcionamento.

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

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Entenda por bateria a união de duas ou mais baterias, e as últimas são células voltaicas, como será explicado na próxima seção.

Eletrodos

Célula seca: estrutura e operação 2

Fonte: Wikipedia

A estrutura interna de uma célula de zinco-carbono é mostrada na imagem acima. Independentemente da célula voltaica, sempre deve haver (geralmente) dois eletrodos: um do qual os elétrons são liberados e outro que os recebe.

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

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

Por outro lado, o eletrodo de carbono de grafite é encontrado em todo o meio; também imerso em uma pasta composta por NH 4 Cl, ZnCl 2 e MnO 2 .

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

Terminais

Como visto acima da barra de grafite na imagem, existe o terminal elétrico positivo; e abaixo, do estanho interno de zinco, do qual os elétrons fluem, o terminal negativo.

É por isso que as baterias têm marcas ‘+’ ou ‘-‘ para indicar a maneira correta de conectá-las ao dispositivo e, assim, permitir que ele seja ligado.

Areia e cera

Embora não seja mostrada, a pasta é protegida por uma areia de amortecimento e um selo de cera que evita derramamento ou contato com o aço contra leves impactos mecânicos ou agitação.

Operação

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

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

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

Oxidação do eletrodo de zinco

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

Zn => Zn 2+ + 2e

Se houver muito Zn 2+ ao redor do metal, ocorrerá uma polarização de carga positiva, para que não haja mais oxidação. Portanto, o Zn 2+ deve difundir através da pasta para o cátodo, onde os elétrons de retorno entrarão.

Depois que os elétrons ativam o dispositivo, eles retornam ao outro eletrodo: o de grafite, para encontrar espécies químicas “esperando por ele”.

Redução de cloreto de amônio

Como afirmado anteriormente, na pasta existem NH 4 Cl e MnO 2 , substâncias que aumentam seu pH ácido. Assim que os elétrons entram, as seguintes reações ocorrerão:

2NH 4 + + 2e => 2NH 3 + H 2

Os dois produtos, de amoníaco e de hidrogénio molecular, NH 3 e H 2 são gases, e, assim, pode “encher” a bateria se não sofrer outras transformações; como os dois seguintes:

Zn 2+ + 4NH 3 => [Zn (NH 3 ) 4 ] 2+

H 2 + 2MnO 2 => 2MnO (OH)

Observe que o amônio foi reduzido (ganho de elétrons) para se tornar NH 3 . Em seguida, esses gases foram neutralizados pelos outros componentes da polpa.

A [Zn (NH complexo 3 ) 4 ] 2+ facilita a difusão de iões de Zn 2+ para o cátodo e, assim, evitar que a bateria é “stop”.

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

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As baterias secas têm 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 tensão de trabalho de 1.5V. Suas formas mudam dependendo de seus eletrodos e da composição de seus eletrólitos.

Chegará um momento em que todo o eletrólito reagirá, e não importa o quanto o zinco oxida, não haverá espécies que recebam os elétrons e promovam sua liberação.

Além disso, pode ser o caso em que os gases formados não neutralizam mais e permanecem exercendo pressão dentro das baterias.

As baterias de zinco-carbono e outras que não são recarregáveis ​​devem ser recicladas; uma vez que seus componentes, especialmente no caso do níquel-cádmio, são prejudiciais ao meio ambiente por contaminar o solo e a água.

Referências

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

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