Principios Teóricos da Pilha de Daniell

Esta é uma das pilhas mais “tradicionais” que se podem fazer, os seus princípios teóricos baseiam-se nos pressupostos que foram indicados no inicio do blog (aqui).

Nas pilhas electroquímicas, os electrões circulam do eléctrodo de menor potencial de redução (ou seja, maior potencial de oxidação) para o de maior. No caso da pilha de Daniell, os electrões passam do magnésio para o cobre.

Em qualquer pilha electroquímica, o pólo positivo é o que tem maior potencial de redução, neste caso, o cobre (Cu). O pólo negativo refere-se ao pólo com maior potencial de oxidação, que nesta pilha é o magnésio (Mg).

Na pilha de Daniell ocorre redução no eléctrodo de cobre, que é o cátodo, ou seja a placa de maior potencial de redução, e no eléctrodo de magnésio ocorre oxidação, ou seja este é o ânodo, pois tem menor potencial de redução.

Na placa de maior potencial de oxidação a massa de Mg, diminui, enquanto na placa de menor potencial de oxidação a massa aumenta, o que é consequência directa da reacção global da pilha:

Preparação da Ponte-Salina

Materiais:
• Tubos de vidro em U ou em V;
• 2 copos de precipitação de 150 mL;
• Vareta;
• Pipeta de 25 mL;
• Placa de aquecimento;
• Balança analítica.


Reagentes:
• Agar-agar;
• Cloreto de Sódio (substituível por outro sal iónico);
• Ácido Clorídrico diluído (foi usado a 0,1 mol dm-3, mas quer a concentração, quer o ácido podem ser substituídos);
• Água desionizada.


Procedimento:
1. Pesar 3 g de Cloreto de Sódio e 3 g de agar-agar;
2. Misturar os sais e dilui-los em 100 mL de água desionizada;

3. Juntar algumas gotas de um ácido forte à solução;

4. Aquecer a solução, agitando sempre (aproximadamente por 5 minutos);

5. Transferir a solução para os tubos em U, com cuidado para não criar bolhas de ar. O modo mais fácil é pipetar a solução com a boca.

6. Deixar arrefecer até a solução gelificar. É necessário ter cuidado, enquanto isso não acontece, para não entornar. Para o arrefecimento ser mais rápido, pode-se passar o exterior do tubo por água fria corrente.

É pertinente relembrar que as pontes salinas são utilizadas para repor a neutralidade das soluções electrolíticas, impedindo que se crie uma assimetria de carga eléctrica que se oponha ao fluxo electrónico.

Preparação das Soluções Electrolíticas

As pilhas electroquímicas de Daniell, de Concentração e de Temperatura necessitam de electrólitos “normais”, ou seja de soluções de sais que contenham iões do eléctrodo. Assim, antes de mais é necessário preparar 250 mL das soluções necessárias.

Materiais:

• 4 balões volumétricos de 250 mL;

• 4 copos de precipitação de 250 mL;

• 4 varetas;

• Esguichos;

• Balança analítica.

Reagentes:

• Água desionizada;

• Sulfato de Cobre;

• Sulfato de Zinco;

Procedimento:

1 mol dm-3 de Sulfato de Cobre (CuSO4):

1. Pesar 39,9 g de sal;

2. Diluir o sal em 200 mL de água desionizada num copo de precipitação;

3. Transferir a solução para um balão volumétrico de 250 mL e aferir pelo traço de referência;

4. Homogeneizar a solução.

0,1 mol dm-3 de Sulfato de Cobre (CuSO4):

1. Pesar 3,99 g de sal;

2. Diluir o sal num pouco de água desionizada num copo de precipitação;

3. Transferir a solução para um balão volumétrico de 250 mL e aferir pelo traço de referência;

4. Homogeneizar a solução.

1 mol dm-3 de Sulfato de Magnésio (MgSO4):

1. Pesar 30,09g de sal;

2. Diluir o sal em 200 mL de água desionizada num copo de precipitação;

3. Transferir a solução para um balão volumétrico de 250 mL e aferir pelo traço de referência;

4. Homogeneizar a solução.

0,1 mol dm-3 de Sulfato de Magnésio (MgSO4):

1. Pesar 3,01 g de sal;

2. Diluir o sal em 200 mL de água desionizada num copo de precipitação;

3. Transferir a solução para um balão volumétrico de 250 mL e aferir pelo traço de referência;

4. Homogeneizar a solução.

É de notar que o Sulfato de Magnésio é menos solúvel que o Sulfato de Cobre, pelo que a sua dissolução é mais demorada. Este é um processo exotérmico, uma vez que se verifica a libertação de calor.

Dados utilizados na elaboração dos cálculos:

M(CuSO4) = 159,61 g/mol

M(MgSO4) = 120,37 g/mol

c = m / V (sendo c a concentração em mol dm-3, m a massa do soluto em gramas, e V o volume total da solução)

n = m / M (sendo n o número de moles, m a massa em gramas e M a massa molar em g/mol)

Algumas Considerações sobre a Pilha de Daniell, de Concentração e de Temperatura

            Nas pilhas que vamos fazer (pilha de Daniell, concentração e temperatura), utilizaremos sulfato de magnésio (MgSO₄) e sulfato de cobre (CuSO₄) nas concentrações de 0,1 e 1 mol/dm³, para obtermos uma maior variedade de dados e de variáveis. Vamos também cruzar as concentrações e, ou seja para cada tipo de pilha 4 montagens, tendo em vista o objectivo anterior

            Todas as experiências podem ser realizadas com a mais habitual combinação de cobre e zinco; nós apenas alterámos este último reagente para aproveitar os materiais existentes na nossa escola.

Conclusões da Experiência de construção da Pilha de Banana

Na banana madura, verificamos que a corrente eléctrica produzida tem maior diferença de potencial do que na banana verde, e isto aconteceu pois a banana verde tem pouca água em comparação à banana madura. A água torna a banana mais condutora provocando a dita diferença de tensão eléctrica.

Quando se ligou as bananas em série registou-se uma diferença de potencial mais elevada (apesar de não ser a esperada, ou seja não corresponder à soma dos valores medidos na banana verde e na banana madura) e uma intensidade mais elevada, ou seja com uma circulação de electrões mais rápida. A resistência também foi muito elevada, logo por todas estas razões não foi possível ligar uma lâmpada de 1,5 volts mas foi possível ligar uma lâmpada LED visto que esta não exige tanta diferença de potencial e intensidade para ser ligada.

Com estes valores, conseguimos perceber que a pilha de banana gera menos energia eléctrica do que a pilha de limão, pois este é mais ácido e mais sumarento, logo tem propriedades mais condutoras.

Também é de referir que a diferença de potencial,tanto no caso da pilha electroquímica de banana, como na pilha electroquímica de limão, tem valores muito diferentes dos esperados teoricamente, pois foram utilizados fios metálicos, em vez de placas, o que reduziu bastante a área de superfície reaccional.

Materiais e Procedimento da Pilha de Banana

Materiais:

• Fio de Magnésio;
• Fio de Cobre;
• Fios para ligação;
• Voltímetro;
• Amperímetro;
• 2 bananas (uma madura e outra verde).

Procedimento:

1. Utilizando um fio eléctrico com crocodilos nas extremidades unir o  voltímetro ao eléctrodo de cobre;
2. Com outro fio unir o voltímetro ao eléctrodo de magnésio;
3. Espetar os eléctrodos na banana tendo em conta que estes não se devem tocar;
4. Registar a diferença de potencial obtida na pilha;
5. Trocar o voltímetro por um amperímetro e registar o valor de intensidade obtido;
6. Para aumentar a força electromotriz pode-se fazer uma bateria, colocando as bananas em série:
1. Ligar o fio de magnésio de uma das bananas ao fio de cobre da outra;
2. Ligar o fio de cobre da primeira das bananas e o fio de magnésio da segunda ao amperímetro/voltímetro;
7. Registar a diferença de potencial do circuito eléctrico;
8. Se a d.d.p. for superior a 1,5 V pode-se substituir o voltímetro por uma lâmpada;
9. Se a diferença de potencial for inferior ao valor referido, ou se a lâmpada não acender ligar uma lâmpada LED;
10. Substituir o voltímetro por um amperímetro;
11. Registar valores obtidos;
12. Observar se houve alterações visíveis nos eléctrodos.

Fonte:
Bateria Voltaica (Fazendo uma Pilha de Banana). Consultado em 06/01/2010 em http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?midia=pmd&cod=_pmd2005_1011

Principios Teóricos da Pilha Electroquímica de Banana

Esta pilha tem por base a Reacção de Oxidação-Redução entre o Cobre e o Magnésio, que está explicada anteriormente, mantendo as suas características (notação, reacção global, cátodo, ânodo).

Nesta pilha os electrólitos e a ponte salina são substituídos por uma banana, que por ter propriedades condutoras transporta os electrões desde o ânodo até ao cátodo, neste caso o eléctrodo de Magnésio e o eléctrodo de Cobre, respectivamente.

Para aumentar a diferença de potencial obtida para ligar pequenos aparelhos, pode-se montar duas ou mais bananas em série, procedendo-se de modo similar ao da montagem em série com os limões.

Fontes:

Vargas, D; Melo, F e Marchan, G. Construindo uma Bateria Eléctrica de Batatas:Bateria. Consultado em 06/01/2010 em http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?midia=fef&cod=_construindoumabateriacombatatasbatateria
Banana. Consultado em 06/01/2010 em http://pt.wikipedia.org/wiki/Banana
Bateria Voltaica (Fazendo uma Pilha de Banana). Consultado em 06/01/2010 em http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?midia=pmd&cod=_pmd2005_1011