07/12/2012
Edson Luis Nunes, Daniel Rodrigues Ventura, José Ângelo de Faria
Modalidade / Nível de Ensino | Componente Curricular | Tema |
---|---|---|
Ensino Fundamental Final | Ciências Naturais | Tecnologia e sociedade |
Ensino Médio | Física | Calor, ambiente e usos de energia |
Ensino Médio | Química | Propriedades das substâncias e dos materiais |
As atividades a seguir têm por objetivo mostrar como se constrói pilhas utilizando materiais simples, como realizar associações de pilhas em série e em paralelo e o que ocorre com as diferenças de potencial (ddp) nessas associações. Por meio dos experimentos propostos, verificaremos a tendência das substâncias em receber ou doar elétrons, formando íons e culminando na criação de corrente e outros fenômenos elétricos. O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades serão realizadas num laboratório de Física e, além dos materiais, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet e projetor multimídia) para a apresentação de pequenos vídeos e exposição de alguns conceitos.
O professor pode iniciar a atividade explicando que dois metais diferentes, quando colocados num meio líquido condutor de cargas elétricas formam uma pilha. Esse meio líquido por onde as cargas (íons, nesse caso) serão transportadas é chamado de ponte salina e não precisa ser, necessariamente, ácido (caso do limão ou do refrigerante coca-cola), mas pode ser também básico (caso da batata). Para metais diferentes colocados nesse meio condutor, surgem cargas de polaridades opostas e fica estabelecida uma diferença de potencial elétrico (ddp) entre eles. Dependendo da escolha dos pares de metais, pode-se conseguir tensões de mais de 1 V. Os pares podem ser, por exemplo, ferro/cobre, alumínio/cobre, zinco/cobre, alumínio/ferro e outros. Montada a pilha, se conectarmos os metais (nesse caso, chamados de eletrodos) por um fio condutor, teremos uma corrente de elétrons passando pelo fio.
Atividade 1. Pilha de limão
Material
– 1 limão.
– 1 placa de cobre.
– 1 placa de zinco.
– 1 voltímetro.
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
Procedimento
Para se construir uma pilha de limão é necessário que dois eletrodos sejam espetados em um limão, sem que um toque o outro. Nesse experimento, usaremos como eletrodos uma placa de cobre e uma de zinco e o limão como solução condutora, como pode ser observado na Figura 1. Com o zinco e o cobre ligados ao mesmo meio ácido, o limão atuará como ponte salina, permitindo a corrente de íons de uma placa para a outra.
Utilizando um fio elétrico com crocodilos nas extremidades, una o fio do polo vermelho do voltímetro ao eletrodo de cobre. Com outro fio, una o polo preto do voltímetro ao eletrodo de zinco. Os fios elétricos servirão de condutores, permitindo a passagem de uma corrente de elétrons. É possível verificar que o voltímetro indica a diferença de potencial de cerca de 0,8 V (esta fonte de energia elétrica pode ser usada para alimentar um relógio digital).
Figura 1. Montagem da pilha de limão
(Figura disponível em: http://cienciaemcasa.cienciaviva.pt/pilha_limao.html)
Figura 2. Pilha de limão conectada ao multímetro
(Figura disponível em: http://cienciaemcasa.cienciaviva.pt/pilha_limao.html)
Para orientar a montagem da pilha, o professor exibirá o vídeo disponível no endereço: http://www.youtube.com/watch?v=mGfi72fp1tg
A pilha de limão segue os mesmos princípios da Pilha de Daniel, que também é composta por dois eletrodos: um de zinco (Zn) em solução de ZnSO4 e outro de cobre (Cu) em solução de CuSO4.
Figura 3. Pilha de Daniel
(Figura disponível em: http://www.sofi.com.br/node/773)
No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:
Zn(s) ---> Zn2+(aq) + 2e (reação de oxidação)
(placa) (solução) (vão para o
eletrodo de Cu)
No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação:
Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s) (reação de redução)
(solução) (vieram do Zn (placa)
através do condutor)
Reação Global:
Figura 4. Reação global da Pilha de Daniel
(Figura disponível em: http://www.sofi.com.br/node/773)
Pela reação global, percebe-se que a placa de Zn sofre corrosão e ainda ocorre um aumento da concentração de Zn2+ na solução. No eletrodo de cobre, íons Cu2+ recebem os elétrons cedidos pelo Zn e se transformam em Cu, que é depositado na placa de Cu, diminuindo a concentração de Cu2+ na solução.
Para manter o equilíbrio elétrico de cargas positivas e negativas na solução, íons Zn2+ migram para o eletrodo de Cu e íons Cu2+ migram para o eletrodo de Zn, através da ponte salina.
Obs: O eletrodo que sofre redução é chamado de cátodo (polo positivo) e o eletrodo que sofre oxidação é chamado de ânodo (polo negativo).
A capacidade de atrair elétrons que cada íon metálico em solução apresenta é chamada de potencial de redução (Ered).
O Ered do cátodo é sempre maior que o Ered do ânodo, assim, o sentido da corrente elétrica que passa pelo condutor é do ânodo para o cátodo.
Representação de uma pilha: metal que sofre oxidação / íon metálico formado // íon metálico que sofre redução / metal formado
A representação da Pilha de Daniel é dada por: Zn(s) / Zn2+(aq) / / Cu2+(aq) / Cu(s)
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
1.Qual a diferença de potencial entre os terminais da pilha de limão?
Resposta esperada: aproximadamente 1V, conforme medição do multímetro.
2. Qual dos polos da pilha de limão é o oxidante e qual é o redutor?
Resposta esperada: O polo oxidante é o de cobre e o redutor é o de zinco.
Material
– 2 garrafas pet (600ml);
– 2 placas de zinco (10cmx2cm);
– 2 placas de cobre (10cmx2cm);
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas;
– 2 rolhas de cortiça para separar as placas;
– elásticos;
– 1 led;
– 1 calculadora ou relógio que utilize uma pila AA;
– multímetro.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
Procedimento
Passo 1: Cortar as garrafas na altura de 10 cm do fundo, aproximadamente. A parte de baixo será utilizada para fazer copos.
Figura 5. Garrafas cortadas
(Figura disponível em: http://www.quimicalizando.com/experiencias/pilha-de-refrigerante)
Passo 2: Utilizando um elástico, una as placas metálicas de zinco e cobre com uma rolha entre as mesmas, evitando seu contato. Outros materiais isolantes também podem ser usados como separador das placas.
Figura 6. Conjunto de 1 placa de zinco e 1 placa de cobre separadas por 1 rolha de cortiça.
(Figura disponível em: http://www.quimicalizando.com/experiencias/pilha-de-refrigerante)
Passo 3: Após montar as placas com o separador, coloque-os dentro da garrafa cortada e acrescente cerca de 170ml da solução ácida (Coca-Cola).
Figura 7. Conjunto de placas dentro da solução ácida (Coca-cola)
(Figura disponível em: http://www.quimicalizando.com/experiencias/pilha-de-refrigerante)
Passo 4: Conecte as pilhas em série, ligando a placa de zinco de uma das pilhas à placa de cobre da outra, conforme a foto abaixo:
Figura 8. Pilhas ligadas em série.
(Figura disponível em:http://www.quimicalizando.com/experiencias/pilha-de-refrigerante)
Passo 5: Teste a passagem da corrente elétrica utilizando um multímetro. Será medida uma diferença de potencial superior a 1,6V. Esta fonte de energia elétrica pode ser usada para alimentar uma calculadora ou relógio que utilize uma pilha AA ou ainda para acender um led.
Para orientar a montagem do experimento, o professor pode exibir o vídeo disponível no endereço: http://www.youtube.com/watch?v=GaZFl9OoKLs
Em seguida o professor explicará que a diferença de potencial medida pelo multímetro é decorrente de uma reação química na qual um dos reagentes é oxidado e outro reduzido. Este processo ocorre em eletrodos diferentes, o que faz com que os elétrons passem de um polo para outro da pilha, gerando uma corrente elétrica, o que faz funcionar os dispositivos conectados. Neste caso, o polo de zinco é o negativo e a placa de cobre é o polo positivo, que só atua como um condutor elétrico e não sofre transformação.
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
1. A diferença de potencial das pilhas associadas em série é maior ou menor que a de uma pilha individual?
Resposta esperada: é maior, pois as diferenças de potencial das duas pilhas são somadas.
2. Explique como é feita a associação em série.
Resposta esperada: A associação em série é feita pela ligação da placa de zinco de uma das pilhas à placa de cobre da outra.
Material
• Uma batata cortada ao meio.
• Duas placas de cobre, com dimensões de 2 cm x 4 cm.
• Duas placas de zinco do mesmo tamanho que as de cobre.
• Quatro pequenos pedaços de fio de cobre 22 com garras jacaré nas pontas.
• Um multímetro.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
O professor, no início da atividade, deve dizer aos estudantes que em quase todos os aparelhos que usam pilhas, não se usa somente uma célula por vez. Elas geralmente são agrupadas de forma serial, para disponibilizar diferenças de potencial (ddps) mais altas, ou em paralelo, para suprir demandas por correntes mais altas (alimentar aparelhos de maior potência, ou seja, maior consumo de energia). Em um arranjo serial, as ddps se somam. Em um arranjo em paralelo, a ddp permanece a mesma de uma pilha individual, mas o arranjo de pilhas pode suprir uma corrente mais alta e por um tempo longo (comparado com o que pode fornecer uma pilha individual). Na figura 9 temos diagramas que mostram estes 2 arranjos:
Figura 9. Esquema de associação de pilhas em paralelo e em série.
(Figura disponível em: http://www.electronica-pt.com/imagens/baterias-serie-paralelo.gif)
A seguir, o professor proporá aos estudantes a construção de duas pilhas utilizando o material disponibilizado (dessa vez, usando o corpo da batata como ponte salina) e a associação dessas pilhas em paralelo.
Procedimento
Divida uma batata ao meio e espete firmemente, em cada metade, uma placa de zinco e uma de cobre, deixando-as próximas uma da outra. Pegue quatro pequenos pedaços de fio de cobre 22 (com garras jacaré nas pontas) e prenda cada pedaço a uma das placas. Cada conjunto formado corresponde a uma pilha que oferece uma diferença de potencial (ddp) de 0,7 V entre as placas.
Associe os conjuntos em paralelo. Isso significa ligar o polo positivo de uma pilha ao polo positivo da outra e, em seguida, ligar o polo negativo de uma pilha ao polo negativo da outra, conforme representação na Figura 10.
Figura 10. Pilhas de batata associadas em paralelo.
(Figura adaptada da imagem disponível no endereço http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/mundo-movido-ions-530207.shtml)
Cada pilha produz ddp de 0,7V. As 2 pilhas associadas em paralelo formarão um conjunto que também produzirá 0,7V, mas esse mesmo conjunto pode, dependendo da demanda, disponibilizar uma corrente mais alta por um tempo mais longo, em comparação com o que pode fornecer, individualmente, cada pilha.
O professor deve pedir aos estudantes que utilizem um multímetro para observar a medição da diferença de potencial de 0,7V. Ele deve ainda pedir aos estudantes que, em cada grupo, discutam e proponham, para toda a sala, uma maneira de verificar a hipótese de que o conjunto de pilhas associadas em paralelo disponibiliza uma corrente maior e que dura mais tempo.
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
1. Ao realizarmos a medida de diferença de potencial da pilha ligando seus polos ao multímetro, obtivemos um determinado valor. O que aconteceria se a ligação dos polos ao multímetro fosse invertida?
Resposta esperada: Observaríamos um valor de mesmo módulo, mas de sinal contrário.
2. Como é feita a associação em paralelo das pilhas de batata?
Resposta esperada: A associação em paralelo é feita pela ligação das placas de zinco e de cobre de uma das pilhas às respectivas placas de zinco e de cobre da outra.
Há outros conteúdos disponíveis no Portal que poderão enriquecer ainda mais esta aula:
Nome | Tipo |
---|---|
Pilhas eletroquímicas | Experimento prático |
Pilha | Áudio |
Conversa Periódica - Pilhas e Baterias - Reações Espontâneas de Oxirredução | Vídeo |
A química nossa de cada dia : Pilhas no cotidiano | Vídeo |
Pilha de Daniell | Experimento prático |
A física e o cotidiano - Experimentos Educacionais : Associação de pilhas | Experimento prático |
Tudo se Transforma - Pilhas e Baterias | Vídeo |
Para construção de pilhas com outros materiais, veja o seguinte endereço:
http://www.youtube.com/watch?v=vW_y5uisccE&feature=related
Para construção de pilhas com eletrodos de cobre e magnésio (performance muito boa), utilizando materiais de baixo custo, consulte o material disponível em:
Após a realização dessa aula sobre pilhas, o estudante deverá ser capaz de:
Quatro estrelas 17 classificações
Denuncie opiniões ou materiais indevidos!
17/01/2015
Cinco estrelasObrigado, tinha algumas dúvidas e foram completamente sanadas ;) Simples e rápido com ótimas informações. Vim só pegar uma coisinha e levei muito mais! Alex
04/11/2014
Cinco estrelasAjudou bastante
12/07/2014
Cinco estrelasGreat!!
26/03/2014
Cinco estrelasOtimo
26/01/2014
Cinco estrelasA aula está muito dinâmica e bem planejada.
05/11/2013
Quatro estrelasApenas um reparo: Os experimentos mostram cobre e zinco como eletrodos. Ok, mas as explicações dão a entender que o cobre é oxidante, o que sugere que o cobre sofre redução. Isso ocorre na pilha de Daniel, mas não nos experimentos. Para que o cobre reduza, é necessário que haja íons Cu2+ na solução, o que não existe nem no limão nem na coca-cola. Nestes casos, quem sofre redução são os íons H+ do meio ácido.
13/03/2013
Cinco estrelasAdorei a aula, tudo muito bem explicado e facil de ser compreendido mesmo sem o auxilio de um professor. Realmente os autores de tal, estao todos de parabens.
14/12/2012
Cinco estrelasEssa explicação foi ótima e vai facilitar no meu trabalho, obrigado.
17/11/2012
Cinco estrelasÓtima experiência.
14/08/2012
Cinco estrelasolha achei muito legal, e para mim vai me servir muito tenho uma feira de ciências no colegio e vou apresentar essa exelente ideia,obrigado por compartilhar sua experiência.
02/04/2012
Cinco estrelasMuito bom msm o site,mais é muito dificil as experiencias...
17/03/2012
Cinco estrelasexcelente.muito bom a escolha dos seus experimentos é de grande valia e enriquecedor para as aulas de ddp.
03/03/2012
Cinco estrelasexcelente, dinâmico, prático e de inteira importância para compreensão da teoria.
01/03/2012
Três estrelasNo experimento 1 está sugerida uma resposta para os agentes redutores e oxidantes que estão equivocadas. No caso, teremos como agente redutor o zinco e agente oxidante o cobre, justamente o contrário do que constou como resposta esperada pelos alunos. Espero ter contribuído para que esse excelente material possa ser utilizado com correção. Excelente iniciativa! Parabéns!
30/01/2012
Cinco estrelasÓtima aula. Obrigada por divulgar suas ideias. Como disse a colega, mesmo conhecendo algumas práticas sempre podemos acrescentar algo novo. Parabéns
24/11/2011
Cinco estrelasMuito bom, se todos disponibilizassem suas ideias e recursos todas as escolas poderiam realizar experimentos. Pois são experimentos com material simples, mas de grande importância, principalmente para as unidades escolares que não tem disponível laboratório, ou seja, a granda maioria das unidades escolares de nosso país.
22/10/2011
Cinco estrelasÓtimo, pois embora já conhecesse sempre é interessante acrescentar informações.