UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA - UFPB
CENTRO DE CIENCIAS EXATAS E DA NATUREZA-CCEN
DEPARTAMENTO DE QUIMICA
Disciplina: Físico-Química II
Professora: Claudia Braga
BATERIAS DE CHUMBO
ALUNO: RONALDO DA SILVA PONTES
João Pessoa-PB, 31/07/2009
Baterias
de
Chumbo
Baterias de Chumbo
►A
bateria de chumbo-ácido foi inventada por
Gaston Planté em 1860 (Planté, 1860),
período que remonta aos primórdios das
células galvânicas.
► Ela é usada como bateria de arranque e
iluminação em automóveis, como fontes
alternativas em no breaks, em sistemas de
tração para veículos e máquinas elétricas,
etc.
Composição básica da bateria
►A
composição básica da bateria é
essencialmente, chumbo, ácido sulfúrico e
materiais plásticos. O chumbo está presente
na forma de chumbo metálico, ligas de
chumbo, bióxido de chumbo e sulfato de
chumbo. O ácido sulfúrico se encontra na
forma de solução aquosa com
Concentrações variando de 27% a 37% em
volume.
Tipos de baterias
►
Existem várias baterias no mercado com a mesma voltagem e
amperagem, porem de tipos diferentes, basicamente se refere ao tipo
de funcionamento:
►
Selada: Não requer manutenção, segundo o fabricante a água da
bateria dura por toda a vida útil sem a necessidade de recarga, esta
vida útil normalmente chega a 4 anos se a bateria for bem cuidada.
Nestas baterias o processo químico para produzir eletricidade
consome uma quantidade insignificante de água. O problema é que
em alguns casos de sobrecarga a água desaparece da bateria e acaba
inutilizando a mesma, não existe uma forma de recarregar ou
verificar o nível da água.
►
Não selada: Requer manutenção, o nível da água deve ser verificado
pelo menos uma vez por ano, se o nível da água estiver sempre
completo a bateria pode durar tanto quanto uma bateria selada bem
cuidada. Estas baterias o processo químico para produzir eletricidade
consome água e por este motivo deve ser verificado e completado. A
desvantagem fica por conta de ser mais uma coisa a ser verificada na
hora da manutenção.
Célula chumbo-ácido
►
O anodo é chumbo, o catodo é o óxido de chumbo (PbO2) e o
eletrólito, solução de ácido sulfúrico.
►
A tensão da célula é cerca de 2 V e é desnecessário dizer que sua
maior aplicação é no ramo automotivo, normalmente agrupada em
6 para formar a bateria de 12 V.
Na construção mais comum, anodo e catodo são placas
retangulares planas, dispostas e interligadas alternadamente, com
separadores de material poroso não condutor para evitar contato
elétrico direto. O conjunto fica no interior de uma cuba, submerso
no eletrólito de solução de ácido sulfúrico. Conforme figura abaixo:
►
Reações
►
A reação global (para a descarga) é
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) → 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
►
Separando os íons do ácido, pode-se escrever:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 SO42-(aq) + 4 H+ → 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
E, de forma similar à da célula básica, consideram-se as trocas de
elétrons em cada pólo durante a descarga. Ver figura.
►
Para o eletrodo negativo (anodo), tem-se:
Pb(s) + SO42- (aq) → PbSO4(s) + 2 e−
E para o eletrodo positivo (catodo),
PbO2(s) + SO42- (aq) + 4 H+ + 2 e− → PbSO4(s) + 2 H2O(l).
►
►
►
À medida que é usada, a concentração de ácido sulfúrico diminui e
aumenta a concentração de sulfato de chumbo.
A célula chumbo-ácido é recarregável. Provavelmente, uma das
razões para isso é o fato de o produto da descarga (sulfato de
chumbo) ser insolúvel no eletrólito e permanecer junto dos
eletrodos (em geral, nas células não recarregáveis, os produtos se
perdem por serem gases ou se precipitam no eletrólito).
Uma vez descarregada, total ou parcialmente, uma fonte externa de
energia elétrica, aplicada conforme Figura , reverte as reações
anteriores, regenerando o chumbo e o óxido de chumbo dos
eletrodos e o ácido sulfúrico do eletrólito.
A reação global (para a recarga) é :
2 PbSO4(s) + 2 H2O(l) → Pb(s) + PbO2(s) + 4 H++ 2 SO42-(aq)
Cuidados com a recarga
►
O processo de recarga tem seu lado problemático, uma vez que pode
haver a reação comum de decomposição da água:
2H2O(l) → 2H 2(g) + O2(g)
Ou seja, pode ocorrer a formação de uma mistura gasosa
potencialmente explosiva e, para reduzir o risco, a carga deve ser
controlada.
A evaporação da água faz necessária a complementação periódica com
água pura. Para evitar isso, sugiram na década de 1970 as primeiras
células seladas. Elas dispõem também de um composto catalítico que
produz água se houver formação de hidrogênio e oxigênio durante o
processo de carga.
Potenciais das reações
Escrevendo as semi-reações:
para o eletrodo positivo (catodo) temos: E1 º = 1,68 V
PbO2(s) + SO42−(aq) + 4 H+ + 2 e− → PbSO4(s) + 2 H2O(l).
Para o eletrodo negativo (anodo) temos: E2 º = 0,36 V
Pb(s) + SO42−(aq) → PbSO4(s) + 2 e−
Para a reação global o potencial será a soma dos potenciais das
semi-reações:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) → 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
E º COMPLETO= E1 º + E2 º = 2,04 V
Energia de Gibbis padrão
Para a reação de descarga:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) → 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
O potencial padrão da bateria é definido por: ∆G º = - n F E º .
Onde: ∆G º é a energia de Gibbs padrão.
n é o número de elétrons.( 2 e -)
F é a constante de Faraday. (9,648 x 104 C mol -1)
E º é o potencial padrão da pilha.( 2,04 V)
∆G º = - n F E º = - 2 x 9,648 x 104 x 2,04 = - 3,93 x 10 5 CV
= - 3,93 x 102 kJ.
Como ∆G º < 0 a reação é exotérmica ,ou seja, espontânea no sentido
dos produtos.
Cálculo da constante de equilíbrio
da reação de descarga
Equação para calcular a constante de equilíbrio : RT ln K = - ∆G º
Onde : ∆G º é a energia de Gibbs padrão. ( - 3,93 x 102 kJ).
R constante dos gases perfeitos. ( 8,314 J K-1).
T temperatura padrão 298,15 K.
K é a constante de equilíbrio da reação.
RT ln K = - ∆G º 8,314 x 298,15 x ln K = - (- 393000)
ln K = 158 K = 7,15 x 10 68 .
Como K > 1 a reação é espontânea no sentido dos produtos.
Quantidade de calor reversível
Para a reação de descarga é:
Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(aq) → 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)
A reação de recarga) é :
2 PbSO4(s) + 2 H2O(l) → Pb(s) + PbO2(s) + 4 H++ 2 SO42-(aq)
Segundo o Castellan,Gilbert- FUNDAMENTOS DE FISICO-QUIMICA, p.431:
∆G º = - 376,97 k J e ∆H º = - 227,58 k J.
Como ∆G º = ∆ H º - T ∆S º
T ∆S º = + 149,39 k J = Q rev.
Para a bateria trabalhar reversivelmente a reação será endotérmica ∆G º> 0.
Isso significa que não é apenas a variação de energia ,o ∆H º é o
responsável pela produção de energia elétrica. Também a quantidade de calor
Q rev = T ∆S º, que flui das vizinhanças para conservar o sistema isotérmico, pode ser
convertido em energia elétrica.
A razão ∆G º / ∆H º = 1,36 compara a energia elétrica que pode ser produzida para
diminuir a entalpia dos materiais.
Os 36% extras representam a energia que flui das
vizinhanças.
Impacto ambiental
►
O chumbo e seus compostos estão associados a disfunções
no sistema nervoso, problemas ósseos, circulatórios,
etc Devido sua baixa solubilidade, a absorção se dá
principalmente por via oral ou respiratória. Crianças são
mais suscetíveis à problemas de contaminação por causa
da relação contaminação/peso como também por estarem
em fase de desenvolvimento do sistema neurológico e
pelos hábitos de higiene pouco sedimentados. O chumbo
se encontra na natureza acumulado em minas como
resultado dos processos de diferenciação que ocorreram
durante a evolução do planeta.
►
Como já foi mencionado o principal uso de chumbo nos
dias atuais é na fabricação de baterias de chumbo-ácido.
Quando se discute o impacto ambiental desta atividade,
deve-se levar em consideração desde a extração de
chumbo nas minas até sua utilização na indústria. O Brasil
praticamente não possui reservas minerais deste elemento.
Assim, a maior parte do chumbo existente no país procede
de importações. A questão ambiental e o desenvolvimento
tecnológico O efeito da produção de baterias sobre o
ambiente pode ser dividido em dois aspectos: ocupacional,
devido à contaminação do ambiente interior à fábrica e
ambiental, devido à emissão de efluentes para as regiões
externas à fábrica.
Processo de reciclagem
►
Este processo, que no passado era feito manualmente,
atualmente é feito de forma automática. As sucatas de
baterias são quebradas e passam por um processo de
separação baseada na densidade: o material é flotado: os
compostos de chumbo são separados da matéria plástica e
o efluente líquido é neutralizado. O material plástico é
reaproveitado na fábrica de caixas e tampas e o material
contendo compostos de chumbo segue para o refino.
Como na fábrica de baterias, todo efluente é contido no
interior da planta e redirecionado para uma estação de
tratamento de efluente que essencialmente faz a
neutralização e decantação do mesmo. O resíduo sólido
consiste em sua quase totalidade de sulfato de cálcio.
Experimento
VÍDEO.(BATERIA DE CHUMBO)
http://www.pontociencia.org.br/experimentosinterna.php?experimento=71&BATERIA+CHUMBO+ACIDO
Materiais necessários
Solução eletrolítica de bateria de automóvel (acido sulfúrico 37%)
4 Placas de chumbo
2 Béqueres
3 fios com jacarés nas pontas
Voltímetro
Transformador de corrente alternada em corrente continua
Palha de aço
2 Rolha
Elástico
Procedimento
►
Passo 1
Polir a placa de chumbo com a palha de aço ate remover toda a
película que cobre as placas. Afixe as placas de chumbo separadas
pela rolha. Use o elástico para prendê-las.
►
Passo 2
Colocar a solução eletrolítica nos béqueres. Coloque cada par de
placas em béqueres separados
►
Passo 3
Ligue cada placa de chumbo em um pólo do transformador para
carregar a bateria.
►
Passo 4
Retire os jacarés do transformador e ligue no voltímetro. Observe o
que acontece.
A bateria da vida
A reação de felicidade é espontânea e
libera alegria, a reação de tristeza é forçada
por uma razão externa.
RONALDO DA SILVA PONTES 31/07/2009.
OBRIGADO A TODOS.
Referências
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http://www.coladaweb.com/quimica/baterias.htm
http://www.techcar.com.br/index?con=446&page
=content/content_index
http://mspc.eng.br/tecdiv/bat120.shtml
http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/respostas/pilhas_
baterias.html
http://www.pontociencia.org.br/experimentosinterna.php?experimento=71&BATERIA+CHUMBO+ACIDO
► CASTELLAN. GILBERT W., Físico-Química; Rio de Janeiro, Ao Livro,
►
LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A , 1986,530p.
ATKINS, P. W. Físico-Química – Fundamentos, LTC S/A, Rio de Janeiro
(7ª. edição, traduzida em português), 2003,356p.