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Entendendo a eletroquímica: o uso de pilhas

 

12/01/2011

Autor e Coautor(es)
Eliane Candida Pereira
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SAO PAULO - SP Universidade de São Paulo

Mary Grace Martins

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Ensino Fundamental Final Ciências Naturais Tecnologia e sociedade
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Informar sobre reações eletroquímicas em pilhas
  • Utilizar diferentes recursos para conhecimento de um fenômeno
  • Trabalhar em grupos interagindo para atingir um objetivo comum
Duração das atividades
5 horas aula
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

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Estratégias e recursos da aula

As pilhas e baterias produzem eletricidade através de reações químicas entre determinados componentes, como por exemplo, metais e sais, com formação de novas substâncias.   Assim, uma pilha ou célula eletroquímica é um dispositivo que transforma energia química energia elétrica. Uma reação de oxirredução é estabelecida, estando o oxidante e redutor separados em compartimentos diferentes, de modo que o redutor seja obrigado a ceder seus elétrons através de um fio ou circuito externo.

Para compreender esse funcionamento, na sequência de atividades a seguir propõe-se que  os alunos levantem hipóteses a partir de observações e  sistematizem as  informações sobre o experimento acessando diferentes fontes de informação .

Desta forma, essa proposta  está relacionada também aos  conteúdos procedimentais de Ciências Naturais: “... estes (conteúdos) propiciam ao estudante a capacidade de aprender a buscar, organizar e comunicar conhecimentos. Incluem a observação, a experimentação, a comparação, a elaboração e o debate com outros colegas sobre hipóteses e suposições, as relações entre conhecimentos, a leitura e a escrita, a leitura e a organização de informações por meio de tabelas, gráficos, esquemas, textos etc.”   (SILVA , M. G. L.; NÚÑEZ,  I. B. O ensino de química no ensino fundamental à luz do PNC.  Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Programa Universidade à Distância. Disponível em http://www.agracadaquimica.com.br/quimica/arealegal/outros/185.pdf

1ª atividade: problematização

Na sala de informática, ou usando computadores portáteis com acesso à internet, apresente o vídeo Pilha de Refrigerante, disponível em http://www.youtube.com/watch?v=GaZFl9OoKLs&feature=related 

Imagem do vídeo Pilha de Refrigerante disponível em http://www.youtube.com/watch?v=GaZFl9OoKLs&feature=related  

Antes de iniciar, peça que fiquem atentos a como o led foi aceso e como ocorreu o movimento dos ponteiros do relógio.

Após o filme, peça que, em duplas, levantem hipóteses e elaborem um texto explicativo para o que foi observado.

2ª atividade: experimento

Para maiores detalhes sobre a proposta do experimento a seguir, acesse o material Pilha de Daniell   disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=21976 . Esse experimento demonstrará a montagem de uma  pilha composta por eletrodos de cobre e zinco, funcionando através da reação de oxirredução.

Para essa proposta, será preciso organizar  os seguintes materiais:

  • Algodão.
  • Tubo de borracha.
  • Dois copos de vidro.
  • Dois fios condutores com crocodilos.
  • Voltímetro.
  • Luvas de látex.
  • Óculos.   

Você precisará também dos seguintes compostos:   

  • Água destilada.
  • Placa de cobre.
  • Placa de zinco.
  • Sulfato de cobre.
  • Sulfato de zinco.
  • Cloreto de sódio.

Apresente todos os compostos químicos aos alunos. Siga os procedimentos indicados pedindo observem o que ocorrerá. Antes de iniciar, proteja suas mãos com luvas e seus olhos com óculos.   

  1. Prepare  uma solução aquosa de cloreto de sódio para a ponte salina.
  2. Coloque a solução aquosa de água e sal no tubo de borracha e feche as extremidades com algodão.
  3. Coloque uma colher de sulfato de cobre no primeiro copo e uma colher de sulfato de zinco no segundo. Misture bem as soluções.
  4. Utilizando um fio condutor com crocodilos nas extremidades, una o elétrodo de zinco ao fio preto do voltímetro.
  5. Com o outro fio, una o fio vermelho do voltímetro ao elétrodo de cobre.
  6. Mergulhe cada uma das extremidades da ponte salina nas soluções de sulfato de zinco e sulfato de cobre.
  7. Mergulhe o elétrodo de zinco na solução de sulfato de zinco.
  8. Mergulhe o elétrodo de cobre na solução de sulfato de cobre.   

Experimento: Pilha de Daniell. Disponível em  http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=2197 

Pergunte aos alunos:

Medindo com Voltímetro e fazendo a observação, o que se pode concluir?   *

Provoque discussões e explicações, estabelecendo relações com as hipóteses apresentadas pelos alunos na aula anterior.

*Explicação: o Voltímetro acusa o fluxo de elétrons pelo fio condutor, do Zinco  para o Cobre, mostrando a existência da corrente elétrica. Os elétrons se movimentam em um circuito elétrico porque há uma diferença de potencial, ou seja, uma diferença de cargas: um polo sempre com excesso de elétrons e o outro polo sempre com falta de elétrons.

3ª atividade: organização de informações

Retome o que viram no vídeo da primeira aula e o experimento anterior.

Apresente algumas explicações aos alunos, listando “palavras novas”:

cátodo - local onde ocorre a redução de um cátion.

ânodo - local onde ocorre a oxidação, um metal de potencial de oxidação maior que o do cátion.

eletrodo - material condutor elétrico onde ocorrem as reações

solução eletrolítica - solução ou" pasta" contendo um composto iônico

ponte salina ou parede porosa - uma ligação entre os locais de oxidação e redução, que permite a passagem de íons   

Fonte: Como funciona a pilha de Daniell. Disponível em  http://fap.if.usp.br/~lumini/f_bativ/f1exper/pilhas/pidan01_shi.htm    

Em seguida, organize grupos de trabalho e peça que produzam textos explicativos com ilustrações, abordando as  questões tais como:   

  • O que é pilha?
  • Onde fica o polo negativo? Por quê?
  • Que nome recebe?
  • Onde fica o polo positivo? Por quê?
  • Que nome recebe?
  •  Qual o sentido do movimento dos elétrons?   

Oriente que usem os termos relacionados ao estudo apresentados por você nessa aula.

Disponibilize a seguinte fonte de informação em áudio como ponto de partida para os grupos:

Pilha 

Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=26477  

Esse áudio foi produzido a partir do acervo radiofônico da Rádio UFMG Educativa, discutindo sobre reações eletroquímicas que ocorrem em pilhas. Explica o que é pólo positivo, o que é pólo negativo e o que é corrente elétrica. Esse áudio também alerta sobre a toxicidade e o que fazer com as pilhas usadas.

Indique que os grupos devem procurar outras fontes de informação na internet, comparando e complementando as informações.

4ª atividade: debate e produção a partir dos novos conhecimentos 

Disponibilize o seguinte texto para os alunos, realizando uma leitura compartilhada com a turma:   

CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE - RESOLUÇÃO No. 257 DE 30 DE JUNHO DE 1999   

O Conselho Nacional do Meio Ambiente-CONAMA, no uso das atribuições e competências que lhe são conferidas pela Lei no. 6.938, de 31 de agosto de 1981 e pelo Decreto no. 99.274, de 6 de junho de 1990, e conforme o disposto em seu Regimento Interno, e Considerando os impactos negativos causados ao meio ambiente pelo descarte inadequado de pilhas e baterias usadas;

Considerando a necessidade de se disciplinar o descarte e o gerenciamento ambientalmente adequado de pilhas e baterias usadas, no que tange à coleta, reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final;

Considerando que tais resíduos além de continuarem sem destinação adequada e contaminando o ambiente necessitam, por suas especificidades, de procedimentos especiais ou diferenciados, resolve:

Art.1o. As pilhas e baterias que contenham em suas composições chumbo, cádmio, mercúrio e seus compostos, necessárias ao funcionamento de quaisquer tipos de aparelhos, veículos ou sistemas móveis ou fixos, bem como os produtos eletroeletrônicos que as contenham integradas em sua estrutura de forma não substituível, após seu esgotamento energético, serão entregues pelos usuários aos estabelecimentos que as comercializam ou à rede de assistência técnica autorizada pelas respectivas indústrias para repasse aos fabricantes ou importadores, para que estes adotem, diretamente ou por meio de terceiros, os procedimentos de reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final ambientalmente adequada.

Parágrafo único. As baterias industriais constituídas de chumbo, cádmio e seus compostos, destinadas a telecomunicações, usinas elétricas, sistemas ininterruptos de fornecimento de energia, alarme, segurança, movimentação de cargas ou pessoas, partida de motores diesel e uso geral industrial. Após seu esgotamento energético, deverão ser entregues pelo usuário ao fabricante ou ao importador ou ao distribuidor da bateria, observado o mesmo sistema químico, para os procedimentos referidos no caput deste artigo.

Art. 2o. Para os fins do disposto nesta Resolução, considera-se:

 1- Bateria: conjunto de pilhas ou acumuladores recarregáveis interligados convenientemente (NBR 7039/87);

2- Pilha: gerador eletroquímico de energia elétrica, mediante conversão geralmente irreversível de energia química (NBR 7039/87);

3- Acumulador chumbo-ácido: acumulador no qual o material ativo das placas positivas é constituído por compostos de chumbo e os das placas negativas essencialmente por chumbo, sendo o eletrólito uma solução de ácido sulfúrico (NBR 7039/87);

4- Acumulador elétrico: dispositivo eletroquímico constituído de um elemento eletrólito e caixa, que armazena, sob forma de energia química a energia elétrica que lhe seja fornecida e que a restitui quando ligado a um circuito consumidor (NBR 7039/87);

5- Baterias industriais: são consideradas baterias de aplicação industrial, aquelas que se destinam a aplicações estacionárias, tais como telecomunicações, usinas elétricas, sistemas ininterruptos de fornecimento de energia, alarme e segurança, uso geral industrial e para partidas de motores diesel ou, ainda, tracionárias, tais como as utilizadas para movimentação de cargas ou pessoas e carros elétricos;

6- Baterias veiculares: são consideradas baterias de aplicação veicular aquelas utilizadas para partidas de sistemas propulsores e/ou como principal fonte de energia em veículos automotores de locomoção em meio terrestre, aquático e aéreo, inclusive de tratores, equipamentos de construção, cadeiras de roda e assemelhados;

7- Pilhas e baterias portáteis: são consideradas pilhas e baterias portáteis aquelas utilizadas em telefonia, e equipamentos eletroeletrônicos, tais como jogos, brinquedos, ferramentas elétricas portáteis, informática, lanternas, equipamentos fotográficos, rádios, aparelhos de som, relógios, agendas eletrônicas, barbeadores, instrumentos de medição, de aferição, equipamentos médicos e outros;

8- Pilhas e baterias de aplicação especial: são consideradas pilhas e baterias de aplicação especial aquelas utilizadas em aplicações específicas de caráter científico, médico ou militar e aquelas que sejam parte integrante de circuitos eletroeletrônicos para exercer funções que requeiram energia elétrica ininterrupta em caso de fonte de energia primária sofrer alguma falha ou flutuação momentânea.

Art.3o. Os estabelecimentos que comercializam os produtos descritos no art. 1o. bem como a rede de assistência técnica autorizada pelos fabricantes e importadores desses produtos, ficam obrigados a aceitar dos usuários a devolução das unidades usadas, cujas características sejam similares aquelas comercializadas, com vistas aos procedimentos referidos no art. 1o.

Art.4o. As pilhas e baterias recebidas na forma do artigo anterior serão acondicionadas adequadamente e armazenas de forma segregada, obedecidas as normas ambientais e de saúde pública pertinentes, bem como as recomendações definidas pelos fabricantes ou importadores, até o seu repasse a estes últimos.

Art.5o. A partir de 1o. de janeiro de 2000, a fabricação, importação e comercialização de pilhas e baterias deverão atender aos limites estabelecidos a seguir:

1- com até 0,025% em peso de mercúrio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês;

2- com até 0,025% em peso de cádmio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês;

3- com até 0,400% em peso de chumbo, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês;

4- com até 25mg de mercúrio por elemento, quando forem do tipo pilhas miniaturas e botão.

Art.6o. A partir de 1o. de janeiro de 2001, a fabricação, importação e comercialização de pilhas e baterias deverão atender aos limites estabelecidos a seguir;

1- com até 0,010% em peso de mercúrio, quando forem do tipo zinco-manganês e alcalina-manganês;

2- com até 0,015% em peso de cádmio, quando forem dos tipos alcalina-manganês e zinco-manganês;

3- com até 0,200% em peso de chumbo, quando forem dos tipos alcalina-manganês e zinco-manganês.

Art.7o. Os fabricantes dos produtos abrangidos por esta Resolução deverão conduzir estudos para substituir as substâncias tóxicas potencialmente perigosas neles contidas ou reduzir o teor das mesmas, até os valores mais baixos viáveis tecnologicamente.

Art. 8o. Ficam proibidas as seguintes formas de destinação final de pilhas e baterias usadas de quaisquer tipos ou características;

1- lançamento in natura a céu aberto, tanto em áreas urbanas como rurais;

 2- queima a céu aberto ou em recipientes, instalações ou equipamentos não adequados, conforme legislação vigente;

3- lançamento em corpos d'águas, praias, manguezais, terrenos baldios, poços ou cacimbas, cavidade subterrâneas, em redes de drenagem de águas pluviais, esgotos, eletricidade ou telefone, mesmo que abandonadas, ou em áreas sujeitas à inundação.

Art.9o. No prazo de um ano contado a partir da data de vigência desta Resolução, nas matérias publicitárias e nas embalagens ou produtos descritos no art.1o. deverão constar, de forma visível, as advertências sobre os riscos à saúde humana e ao meio ambiente, bem como a necessidade de, após seu uso serem devolvidos aos revendedores ou à rede de assistência técnica autorizada, para repasse aos fabricantes ou importadores.

Art.10o. Os fabricantes devem proceder gestões no sentido de que a incorporação de pilhas e baterias, em determinados aparelhos, somente seja efetivada na condição de poderem ser facilmente substituídas pelos consumidores após sua utilização, possibilitando o seu descarte independentemente dos aparelhos.

Art.11o. Os fabricantes, os importadores, a rede autorizada de assistência técnica e os comerciantes de pilhas e baterias descritas no art.1o. ficam obrigados a, no prazo de doze meses contados a partir da vigência desta resolução, implantar os mecanismos operacionais para a coleta, transporte e armazenamento.

Art.12o. Os fabricantes e os importadores de pilhas e baterias descritas no art.1o. ficam obrigados a, no prazo de vinte e quatro meses, contados a parti da vigência desta Resolução, implantar os sistemas de reutilização, reciclagem, tratamento ou disposição final, obedecida a legislação em vigor.

Art.13o. As pilhas e baterias que atenderem aos limites previstos no art.6o. poderão ser dispostas, juntamente com os resíduos domiciliares, em aterros sanitários licenciados. Parágrafo único. Os fabricantes e importadores deverão identificar os produtos descritos no caput deste artigo, mediante a aposição nas embalagens e, quando couber, nos produtos, de símbolo que permita ao usuário distingui-los dos demais tipos de pilhas e baterias comercializados.

Art.14o. A reutilização, reciclagem, tratamento ou a disposição final das pilhas e baterias abrangidas por esta Resolução, realizadas diretamente pelo fabricante ou por terceiros, deverão ser processadas de forma tecnicamente segura e adequada, com vistas a evitar riscos à saúde humana e ao meio ambiente, principalmente no que tange ao manuseio dos resíduos pelos seres humanos, filtragem do ar, tratamento de efluentes e cuidados com o solo, observadas as normas ambientais especialmente no que se refere ao licenciamento da atividade.

Parágrafo único. Na impossibilidade de reutilização ou reciclagem das pilhas e baterias descritas no art.1o., a destinação final por destruição térmica deverá obedecer as condições técnicas previstas na NBR 11175 - Incineração de Resíduos Sólidos Perigosos - e os padrões de qualidade do ar estabelecidos pela Resolução CONAMA no. 03, de 28 de junho de 1990.

Art.15o. Compete aos órgãos integrantes do SISNAMA, dentro do limite de suas competências, a fiscalização relativa ao cumprimento das disposições desta Resolução. Art.16o. O não cumprimento das obrigações previstas nesta Resolução sujeitará os infratores às penalidades previstas nas Leis no. 6.938, de 31 de agosto de 1981, e no. 9.605, de 12 de fevereiro de 1998. Art.17o. Esta Resolução entra em vigor na data de sua publicação.

Conselho Nacional do Meio Ambiente

 

Disponível http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/lqes_responde/lqes_responde_pilhas_descarte.html  

Discuta com a turma a aplicabilidade dessa legislação.

Peça que os alunos reúnam-se nos mesmos grupos da aula anterior e elaborem uma campanha sobre o descarte de pilhas e baterias. A campanha deverá sintetizar as informações básicas sobre a constituição das pilhas e baterias, bem como as possíveis consequências de um descarte inadequado.

Para a campanha os alunos podem utilizar recursos de áudio, vídeo ou produzir cartazes ilustrados. A produção será iniciada nessa aula e concluída como atividade extraclasse.

É importante que você circule entre os grupos para observar o planejamento e a divisão de papéis, bem como para fazer intervenções sobre os conceitos envolvidos, se necessário. Combine que a socialização das produções ocorrerá na aula seguinte.

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Pilha de Daniell Experimento prático
Pilha Áudio
Recursos Complementares

"Especial sobre pilhas"  disponível em  http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=20895 

Esse áudio apresenta uma entrevista sobre os danos que as pilhas podem causar ao meio ambiente. Aborda que a pilha pode trazer também danos à saúde como: comprometimentos no sistema nervoso e o câncer, por causa da liberação de substâncias químicas. O entrevistado esclarece que não devemos jogar as pilhas velhas no lixo, mas se possível guardar em um recipiente de vidro ou entregar ao fabricante

Avaliação

1ª e 2ª atividades - Problematização e Experimento:

 Observe a participação dos alunos no levantamento de hipóteses e na formulação de explicações

3ª atividade - Organização de informações:

Verifique a coesão e a coerência nos textos explicativos elaborados pelos grupos.

4ª atividade - Debate e produção a partir dos novos conhecimentos:

 Observe o planejamento dos grupos, a utilização das informações corretamente  nas campanhas e a criatividade das produções.

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