Química · 11.ª–12.ª classe

O que é uma pilha eletroquímica?

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  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

Uma pilha eletroquímica (ou célula galvânica) é um dispositivo que transforma energia química em energia elétrica através de uma reação de oxidação-redução espontânea. As duas semirreações ocorrem em locais separados, os elétrodos, e os eletrões passam pelo circuito exterior, originando corrente elétrica.

Definição e características

Numa reação redox vulgar, como um prego de ferro a enferrujar ou um pedaço de zinco a dissolver-se num ácido, os eletrões passam diretamente de uma espécie para outra e a energia perde-se sob a forma de calor. Numa pilha, a mesma troca de eletrões é obrigada a fazer um desvio por um fio condutor. Esse fluxo de eletrões é a corrente elétrica que acende uma lâmpada ou faz funcionar um rádio.

Os componentes de uma pilha

  • Duas semicélulas: cada uma tem um elétrodo metálico mergulhado numa solução com iões desse metal.
  • Ânodo: elétrodo onde ocorre a oxidação (a espécie perde eletrões). Numa pilha é o polo negativo.
  • Cátodo: elétrodo onde ocorre a redução (a espécie ganha eletrões). Numa pilha é o polo positivo.
  • Circuito exterior: fio condutor por onde os eletrões vão do ânodo para o cátodo.
  • Ponte salina (ou parede porosa): liga as duas soluções, deixa passar iões e fecha o circuito, evitando que cada semicélula fique carregada.

Regra para não trocar os nomes

Ânodo = oxidação = polo negativo (na pilha) Cátodo = redução = polo positivo (na pilha) Os eletrões vão sempre do ânodo para o cátodo.

O exemplo clássico: a pilha de Daniell

Mergulha-se uma lâmina de zinco numa solução de sulfato de zinco e uma lâmina de cobre numa solução de sulfato de cobre(II). Ligam-se as lâminas por um fio e as soluções por uma ponte salina.

Parte da pilhaO que acontece
Ânodo (zinco, polo −)Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e- (oxidação)
Cátodo (cobre, polo +)Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) (redução)
Reação globalZn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
Circuito exterioros eletrões vão do Zn para o Cu
Ponte salinaaniões deslocam-se para o ânodo, catiões para o cátodo

Com o tempo, a lâmina de zinco perde massa, a de cobre ganha massa e a cor azul da solução de cobre(II) vai ficando mais clara.

Porque funciona e porque acaba

A reação funciona porque o zinco tem mais tendência para perder eletrões do que o cobre. A pilha produz corrente enquanto houver reagentes. Quando as concentrações se aproximam do equilíbrio, a diferença de potencial desce até zero e a pilha fica gasta.

Exemplos do quotidiano

A palavra «pilha» na vida corrente cobre vários dispositivos. Nem todos são pilhas no sentido rigoroso:

  • Pilha seca comum (de lanterna e de rádio): usa zinco como ânodo e uma mistura com dióxido de manganês e um elétrodo de carbono como cátodo. É uma pilha primária: depois de gasta, não se recarrega.
  • Pilha alcalina: semelhante, mas com eletrólito alcalino. Dura mais do que a pilha seca comum.
  • Acumulador (bateria de chumbo do carro, bateria do telemóvel): funciona como pilha quando fornece energia e pode ser recarregado por uma fonte externa, o que inverte as reações. É uma pilha secundária.
  • Pilha de limão ou de batata: um prego de zinco (ou galvanizado) e uma moeda ou fio de cobre espetados no fruto formam uma pilha fraca, que mal chega para acender um pequeno LED. O fruto fornece o eletrólito.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Identificar ânodo e cátodo

Enunciado: Numa pilha ligam-se uma lâmina de zinco e uma lâmina de cobre. Sabe-se que o zinco se oxida. Identifique o ânodo, o cátodo, a polaridade e o sentido dos eletrões.

Resolução:

  1. O zinco oxida-se, logo é o ânodo; o cobre, onde ocorre a redução, é o cátodo.
  2. Numa pilha, o ânodo é o polo negativo e o cátodo o polo positivo.
  3. Os eletrões saem do ânodo e chegam ao cátodo pelo fio.

Resposta: ânodo = Zn (polo −); cátodo = Cu (polo +); eletrões de Zn para Cu. Verificação: a oxidação liberta eletrões, por isso o elétrodo onde ela ocorre é a «fonte» de eletrões.

Exemplo 2 — O papel da ponte salina

Enunciado: Na pilha de Daniell, o que aconteceria se se retirasse a ponte salina? Que iões atravessam a ponte durante o funcionamento?

Resolução:

  1. No ânodo formam-se iões Zn2+, por isso a solução fica com excesso de carga positiva.
  2. No cátodo gastam-se iões Cu2+, por isso a solução fica com excesso de carga negativa (restam os aniões sulfato).
  3. Sem ponte salina, estas cargas acumulam-se e opõem-se à passagem de mais eletrões: a corrente pára quase de imediato.
  4. Com a ponte, os aniões migram para a semicélula do ânodo e os catiões para a do cátodo, repondo o equilíbrio de cargas.

Resposta: sem ponte salina o circuito fica aberto e a pilha deixa de funcionar; a ponte permite a migração de iões e mantém cada solução eletricamente neutra. Verificação: o circuito elétrico exige um percurso fechado, e a ponte é o «fio» para os iões.

Exemplo 3 — Variação da massa dos elétrodos

Enunciado: Numa pilha de Daniell passam 0,10 mol de eletrões pelo circuito exterior. Que massa de zinco se oxida e que massa de cobre se deposita? (M(Zn) = 65 g/mol; M(Cu) = 63,5 g/mol)

Resolução:

  1. Zn → Zn2+ + 2e-: cada mol de zinco liberta 2 mol de eletrões. n(Zn) = 0,10 ÷ 2 = 0,050 mol.
  2. m(Zn) = 0,050 × 65 = 3,25 g.
  3. Cu2+ + 2e- → Cu: n(Cu) = 0,10 ÷ 2 = 0,050 mol.
  4. m(Cu) = 0,050 × 63,5 = 3,175 g ≈ 3,18 g.

Resposta: perdem-se 3,25 g de zinco e depositam-se cerca de 3,18 g de cobre. Verificação: os dois elétrodos trocam o mesmo número de mols (0,050), o que corresponde à razão 1 : 1 da equação global.

Exemplo 4 — Pilha ou não pilha?

Enunciado: Uma cuba com duas barras de grafite, ligadas aos polos de uma fonte de alimentação, mergulhadas numa solução de cloreto de cobre(II), é uma pilha eletroquímica? Justifique.

Resolução:

  1. Numa pilha, a reação é espontânea e produz energia elétrica.
  2. Aqui é a fonte externa que fornece energia e obriga uma reação não espontânea a ocorrer.
  3. Trata-se do processo inverso: converte energia elétrica em energia química.

Resposta: não é uma pilha; é uma cuba eletrolítica (eletrólise). Verificação: a presença de uma fonte de alimentação a «empurrar» os eletrões distingue a eletrólise.

Erros frequentes

  • Dizer que o cátodo é sempre o polo positivo. Isso só vale para as pilhas. Na eletrólise o cátodo é o polo negativo. O que não muda é: no cátodo há sempre redução e no ânodo há sempre oxidação.
  • Pensar que os eletrões atravessam a ponte salina. Os eletrões só circulam no fio; na solução e na ponte quem se desloca são os iões.
  • Achar que a pilha produz energia «do nada». A energia vem da reação química; quando os reagentes acabam, a pilha pára.
  • Confundir pilha com bateria e com acumulador. Na linguagem corrente usam-se como sinónimos, mas «pilha» é uma única célula e «bateria» é um conjunto de células; só os acumuladores são recarregáveis.
  • Trocar o sentido da corrente. Por convenção, a corrente vai do polo positivo para o negativo no circuito exterior, enquanto os eletrões vão do negativo para o positivo.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Complete: numa pilha, no ânodo ocorre a ______ e o polo é ______; no cátodo ocorre a ______ e o polo é ______.

Ver solução

No ânodo ocorre a oxidação e o polo é negativo; no cátodo ocorre a redução e o polo é positivo.

2Exercício 2

Numa pilha de Daniell, indique o que acontece à massa da lâmina de zinco, à massa da lâmina de cobre e à intensidade da cor azul da solução de CuSO4.

Ver solução

O zinco oxida-se e passa à solução: a lâmina de zinco perde massa. O Cu2+ reduz-se a cobre metálico que se deposita: a lâmina de cobre ganha massa. Como os iões Cu2+ (azuis) se consomem, a cor azul torna-se mais clara.

3Exercício 3

Numa pilha, a reação global é Fe(s) + Cu2+(aq) → Fe2+(aq) + Cu(s). Indique o ânodo, o cátodo e escreva as duas semirreações.

Ver dica

O elétrodo que perde eletrões é o ânodo.

Ver solução

O ferro passa de Fe a Fe2+, logo oxida-se: é o ânodo. O cobre passa de Cu2+ a Cu, logo reduz-se: é o cátodo. Ânodo: Fe → Fe2+ + 2e-. Cátodo: Cu2+ + 2e- → Cu. Somando, obtém-se a reação global dada.

4Exercício 4

Explique, em duas ou três frases, por que razão uma pilha seca de lanterna «acaba» e uma bateria de telemóvel pode voltar a ser usada depois de carregada.

Ver solução

Na pilha seca as reações vão consumindo os reagentes e não se invertem, por isso, depois de gasta, deixa de fornecer corrente. Na bateria recarregável, ligar a uma fonte externa provoca o processo inverso (como numa eletrólise), regenerando os reagentes; depois disso volta a funcionar como pilha.

5Exercício 5

Num circuito com uma pilha de Zn e Cu passam 0,20 mol de eletrões. Calcule a massa de zinco consumida (M(Zn) = 65 g/mol) e explique como esse valor se relaciona com o número de mols de eletrões.

Ver solução

Cada mol de Zn liberta 2 mol de eletrões, logo n(Zn) = 0,20 ÷ 2 = 0,10 mol. m(Zn) = 0,10 × 65 = 6,5 g. A quantidade de zinco consumida é sempre metade da quantidade de eletrões, porque cada átomo de zinco cede dois eletrões.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre pilha eletroquímica e eletrólise?

Na pilha, uma reação espontânea produz corrente elétrica. Na eletrólise, é a corrente de uma fonte externa que provoca uma reação não espontânea. Na pilha o cátodo é positivo; na eletrólise é negativo.

Onde se aplica a pilha eletroquímica na prática?

Em todos os aparelhos portáteis: lanternas, rádios, comandos, relógios, telemóveis e arranque de automóveis. A diferença está no tipo de pilha, descartável ou recarregável, e nos materiais usados nos elétrodos.

Que erros os estudantes cometem sobre a pilha eletroquímica?

Os mais comuns são atribuir sempre sinal positivo ao ânodo ou ao cátodo sem pensar no tipo de célula, achar que os eletrões atravessam a solução e esquecer a função da ponte salina. Veja a secção «Erros frequentes».

Como aparece este tema nos exames?

Pede-se normalmente para identificar ânodo e cátodo, escrever as semirreações, indicar o sentido dos eletrões e o papel da ponte salina. Com tabela de potenciais, pede-se também o cálculo da força eletromotriz.

Resumo

  • Uma pilha converte energia química em energia elétrica, graças a uma reação redox espontânea.
  • As semirreações ocorrem em elétrodos separados, ligados por um fio e por uma ponte salina.
  • Ânodo: oxidação, polo negativo. Cátodo: redução, polo positivo.
  • Os eletrões circulam pelo fio, do ânodo para o cátodo; pela ponte salina circulam iões.
  • A pilha de Daniell (Zn e Cu) é o exemplo-padrão e serve de modelo para as outras.
  • Pilhas primárias não se recarregam; os acumuladores sim.

Onde aprofundar

  • O manual de Química da 11.ª/12.ª classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • A obra aberta OpenStax Chemistry (em inglês), capítulo sobre eletroquímica.
  • Os artigos do MeuGuia sobre força eletromotriz de uma pilha, esquema de uma pilha e eletrólise.

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