Pilha galvânica ou voltaica (célula galvânica)

POR Pedro Coelho

Publicado: sexta-feira, 26 de junho de 2015

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A pilha galvânica ou voltaica (também chamada de célula galvânica) consiste basicamente em um dispositivo que é capaz de produzir energia elétrica através de uma reação química. Ela recebeu esses nomes em homenagem aos cientistas Luigi Aloísio Galvani e Alessandro Giuseppe Antonio Anastásio Volta.

Alessandro Giuseppe Antonio Anastásio Volta e Luigi Aloísio Galvani

História da Pilha Galvânica

Os estudos referentes à eletricidade começaram a evoluir intensamente no século XVIII, com a ocorrência de várias demonstrações públicas sobre os estudos referentes à área, que fizeram com que a área da eletricidade evoluísse bastante.

Experimento de Galvani

Nos anos de 1780, o médico Luigi Aloisio Galvani, que era professor de anatomia na Universidade de Bolonha, na Itália, concentrou-se em um estudo referente a aplicação terapêutica da eletricidade em um campo da área médica que era conhecido na época como “eletricidade médica”.

Nessa época, Galvani era fortemente atraído pelos seus interesses terapêuticos, e acabou orientando sua pesquisa para o que se chamava na época de eletricidade animal, juntamente com o italiano Francesco Giuseppe Gardini, que defendia a existência de uma eletricidade própria dos animais.

Em janeiro de 1781, enquanto Galvani trabalhava com uma rã dissecada, cujos membros inferiores repousavam sobre uma mesa do seu laboratório, junto com alguns equipamentos elétricos, ele observou que, quando os nervos internos da perna do animal morto eram tocados com um bisturi, uma violenta contração dos músculos era verificada.

Galvani se interessou bastante pelo fenômeno, e desenvolveu uma pesquisa para tentar explicá-lo e, em pouco tempo, publicou um trabalho que foi intitulado “De viribus electricitatis in motu musculari commentarius” (Comentários sobre as forças da eletricidade no movimento muscular), no qual ele revelou uma descoberta extraordinária.

Nesse trabalho, ele descobriu que as rãs quando dissecadas, poderiam produzir contrações em suas pernas por um longo período se os seus nervos fossem conectados aos seus músculos através de algum tipo de metal. Assim com esse experimento, Galvani conseguiu afirmar a existência da eletricidade animal.

Experimento de Alessandro Volta

Anos após essa grande descoberta, vários cientistas da época reproduziram os experimentos de Galvani. Um deles era o físico Alessandro Volta, que na época era professor de física na Universidade de Pavia, também na Itália.

No experimento de Volta, ele reconstruiu o modelo, atribuindo aos metais condutores e ao fluido existente no tecido animal o motivo da condução elétrica, negando assim, a existência de uma eletricidade animal, que para ele, o par de condutores metálicos quando conectado ao condutor úmido (neste caso, o líquido ácido contido nos músculos do animal), permitia o fluxo de uma corrente de eletricidade de um para o outro.

Nesse experimento, Volta conseguiu pela primeira vez, uma fonte de corrente elétrica constante, que não necessitaria ser carregada como as Garrafas de Leyden (equipamentos capazes de acumular uma quantidade significante de carga elétrica), onde através de um condensador construído por ele, era possível observar a presença de uma pequena tensão elétrica, quando o circuito estava aberto.

O equipamento construído por Volta era composto por discos de prata e zinco, os quais podiam também ser compostos por prata e chumbo, prata e estanho, ou, ainda, cobre e estanho. Os pares metálicos eram empilhados e separados do seguinte por um disco de um material poroso, que era embebido em uma solução de sal.

Essa coluna de discos metálicos, que mais tarde recebeu o nome de Pilha Elétrica de Volta, foi construída de tal forma que o disco inferior era de prata e o superior era o zinco. As placas terminais eram ligadas em fios metálicos para conduzir a eletricidade produzida.

Pilha de Alessandro Volta

Volta realizou seus experimentos no segundo semestre de 1799, mas só divulgou a sua invenção em 20 de março de 1800, através de um comunicado ao presidente da Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge (em português, Sociedade Real de Londres para o Melhoramento do Conhecimento Natural) Sir Joseph Banks.

O trabalho apresentado na Royal Society of London foi intitulado de “On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds” (em português, Sobre a eletricidade excitada pelo simples contato entre metais de natureza distinta e também pelo contato de outros condutores), e nesse trabalho, Volta descreveu detalhadamente seus estudos e suas descobertas.

Retrato de Alessandro Volta explicando o princípio da "coluna elétrica" para Napoleão em 1801.

Equívocos de Volta e La Rive

Em 1834, o físico inglês Michael Faraday apresentou evidências, onde ele constatou um equivoco no trabalho de Volta, pois, pode-se observar pelo título do trabalho de Volta, que ele acreditava equivocadamente que a eletricidade gerada pela pilha era devida ao contato de dois metais diferentes (teoria da eletricidade por contato) e, ainda, ele não percebia a importância da substância eletrolítica.

Retrato de Michael Faraday

Nessa correção, Faraday usou as leis da estequiometria, e apresentou evidências em favor dos que defendiam a tese de uma correspondência quantitativa entre a eletricidade e os eventos químicos. Oposto a algumas idéias, defendidas por Auguste Artur de La Rive, de que o fenômeno da eletricidade ocorria apenas localmente, na parte do metal que estava em contato com a substância química, Faraday mostrou que havia uma “condução” da eletricidade, através de decomposições e recomposições das moléculas que constituíam a substância. Dessa forma, foi possível fazer uma analogia entre os fenômenos químicos e elétricos.

Retrato de Auguste Artur de La Rive

Como funcionam as pilhas galvânicas

As pilhas galvânicas na sua forma elementar são compostas por um par de eletrodos metálicos (positivo e negativo) submergidos no seio de um eletrólito, ligados por meio de um condutor; uma corrente elétrica percorre pelo mesmo, terminando apenas quando ocorre a dissolução completa de um dos eletrodos, melhor dizendo, o metal mais ativo da pilha, que é o ânodo, cede seus elétrons para o outro metal (cátodo) através do condutor, e acaba sendo corroído.

Para entendermos melhor isso, vamos analisar um pedaço de ferro, que é imerso numa solução de sulfato cúprico, ficando recoberto por uma película de cobre metálico, onde sofre uma reação oxidação-redução, que pode ser descrita pela equação:

Fe+Cu²⁺→Fe²⁺+ Cu⁰

Nessa reação, os elétrons são transferidos do ferro para íons cúpricos, ou, em outras palavras, o ferro se oxida e o cobre se reduz. Se separarmos, agora, essas duas semi-reações, imergindo o pedaço de ferro em uma célula contendo solução de sal ferroso e colocando a solução de sulfato cúprico em outra célula ligando-se as duas meia-células, por meio de uma ponte salina e condutores metálicos adequados, teremos uma pilha galvânica, como mostra a figura abaixo:

Célula galvânica de ferro-cobre

A oxidação e a redução se efetuam como antes, porém as duas semi-reações estão separadas de tal maneira que os elétrons devam passar através de um circuito externo e a energia de transferência de elétrons do ferro para o cobre, podem ser medidas. Observa-se que o ferro deve ficar imerso numa solução eletrolítica, e que um eletrodo inerte, o carbono, é colocado na solução de sulfato cúprico, a fim de tornar possível o contato elétrico.

A ponte salina que separa as duas meia-células é um condutor eletrolítico, porque permite que cátions e ânions migrem de uma célula para outra, e os condutores metálicos, passando pelo voltímetro, completam o circuito elétrico. Assim, a reação de oxidação-redução ferro-cobre se constitui numa pilha galvânica, cuja voltagem, indicada pelo voltímetro é uma medida da energia com a qual se efetua essa reação, para concentrações iônicas particulares.

Componentes de um aparelho de eletrólise

As pilhas galvânicas são frequentemente representadas por uma notação que simplifica muito sua descrição. A notação, para célula ferro-cobre, indicada da figura acima.

Fe │ Fe²⁺││Cu²⁺│C

Lendo, da esquerda para a direita, a notação indica que um ânodo, o eletrodo de ferro, está imerso numa solução de íon ferroso; uma ponte salina (││) liga a solução de íon cúprico; e um cátodo, o eletrodo do carbono, completa a pilha galvânica. No circuito externo, os elétrons se movem do ânodo para o cátodo.

A confusão entre ânodo e cátodo pode ser facilmente eliminada, se lembrarmos de que a oxidação (perda de elétrons) ocorre no ânodo e a redução (ganho de elétrons) ocorre no cátodo. Essa distinção se aplica uniformemente a todas as células eletroquímicas.

A tendência para um determinado elemento sofrer oxidação ou redução numa célula galvânica, pode ser medida, construindo-se uma célula como a figura abaixo. Uma célula galvânica é sempre constituída de duas meia-células, uma meia-célula de redução e outra de oxidação, de modo que, se desejarmos medir o potencial de uma determinada meia-célula, ela deve ser associada à outra meia-célula cujo potencial já seja conhecido. Medindo-se então o potencial total da célula, pode-se encontrar o potencial da meia-célula da semi-reação dada.

Célula de Zinco-Hidrogênio

Referências

• Apostila sobre os fundamentos da corrosão, Nestor Ferreira de Carvalho, UNISANTA, Santos, São Paulo, Brasil, 2014.
• Electrochemical Dictionary, Allen J. Bard, György Inzelt, Fritz Scholz ,Springer Science e Business Media, 2008.
• Quimíca Geral, W.S. Slaugh e T.D. Parsons, Editora: Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, Rio de Janeiro, Brasil, 1978.
• https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-7941.2012v29n1p145/21611 ( acessado em 18/06/2015 as 23:21)
• http://www.infopedia.pt/$pilha-galvanica ( acessado em 18/06/2015 as 23:40)
• https://en.wikipedia.org/?title=Alessandro_Volta (acessado em 20/06/2015 as 01:36)
• http://www.coe.ufrj.br/~acmq/leydenpt.html (acessado em 23/06/2015 as 01:09)
• http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422000000300023&script=sci_arttext (acessado em 23/06/2015 as 17:22)
• http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/90/403.full.pdf (acessado em 23/06/2015 as 17:33)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)