• Sobre a tendência das substâncias em receber ou doar elétrons, formando íons e culminando na criação de corrente e outros fenômenos elétricos.
• O princípio de funcionamento de uma pilha.
• Como construir uma pilha com materiais comuns do dia-a-dia.
• Como associar pilhas em série e em paralelo.

50 minutos

• Cargas elétricas e corrente elétrica.
• Oxidação e redução.
• Meio ácido e meio básico.
• Diferença de potencial elétrico.
• Saber usar um multímetro para medir diferença de potencial elétrico.

 

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 (E_red).

O E_red do cátodo é sempre maior que o E_red 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.

 

Atividade 2.   Pilhas de Coca-cola associadas em série

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.

 

Atividade 3.  Pilhas de batata associadas em paralelo

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:

A física e o cotidiano - Experimentos Educacionais : Associação de pilhas  Pilhas eletroquímicas  Conversa Periódica - Pilhas e Baterias - Reações Espontâneas de Oxirredução  Tudo se Transforma - Pilhas e Baterias  Pilha de Daniell  Pilha  A química nossa de cada dia : Pilhas no cotidiano 

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
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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:

http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc11/v11a09.pdf

Após a realização dessa aula sobre pilhas, o estudante deverá ser capaz de:

• Compreender o princípio de funcionamento de uma pilha.
• Entender que as substâncias tendem a receber ou doar elétrons devido a reações químicas de oxidação e redução, formando íons e culminando na criação de corrente e outros fenômenos elétricos.
• Construir uma pilha com materiais comuns do dia-a-dia.
• Medir a diferença de potencial elétrico de uma pilha usando um multímetro.
• Saber o que é uma associação de pilhas em série e em paralelo.