William Grove – Inventor da Bateria de Gás Voltaico (Primeira Célula Combustível)

POR Pedro Coelho

Publicado: segunda-feira, 12 de novembro de 2018

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Sir William Robert Grove nasceu em 11 de julho de 1811, Swansea, Glamorgan (País de Gales). Ele foi o físico britânico e juiz do Supremo Tribunal Britânico (de 1880) que construiu a primeira célula combustível em 1842, e foi o primeiro a oferecer prova da dissociação térmica de átomos dentro de uma molécula.

Retrato de William Grove

Inicio da carreira acadêmica

Grove era filho único de John, um magistrado e vice-tenente de Glamorgan, e sua esposa, Anne née Bevan. Sua educação inicial estava nas mãos de professores particulares, antes de frequentar o Brasenose College, Oxford, para estudar, embora seus interesses científicos possam ter sido cultivados pelo matemático Baden Powell. Caso contrário, seu gosto pela ciência não teria uma origem clara, embora seu círculo em Swansea fosse amplamente educado. Ele se formou em 1832.

Grove também estudou direito na Lincoln's Inn e foi chamado para advogar em 1835, mas os problemas de saúde, que provavelmente o mantiveram fora das garras da escola pública, o impediram de exercer advocacia ativamente durante a década de 1830, e fizeram com que ele se voltasse para a ciência.

Despertar dos interesses científicos e a invenção de sua primeira bateria

Em 1829, na Royal Institution, Grove conheceu Emma Maria Powles. Casados em 1837, a dupla embarcou em um tour pelo continente para sua lua de mel. Esse período sabático (período de descanso) ofereceu a Grove uma oportunidade de perseguir seus interesses científicos e resultou-se em seu primeiro artigo científico sugerindo uma nova forma de célula elétrica.

Em uma carta datada de outubro de 1838, mas publicada na edição de dezembro de 1838 da The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, William Grove escreveu sobre o desenvolvimento de suas primeiras células combustíveis: “Parece provável que em nenhum período muito distante a eletricidade pode se tornar útil como meio de locomoção, torna-se importante o arranjo de baterias de modo a produzir a maior potência no menor espaço”. Grove também anunciou sua invenção para a Académie des Sciences em Paris.

Em 1839, ele concluiu a sua primeira célula elétrica de dois fluidos, que ficou conhecida como “Bateria de Grove”. Essa célula consistia de um ânodo de zinco amalgamado mergulhado em ácido sulfúrico diluído e um cátodo de platina mergulhado em ácido nítrico, separados por recipiente poroso.

Bateria de Grove

Nos experimentos de Grove, a sua bateria forneceu uma alta corrente e quase o dobro da voltagem da Pilha de Daniell, logo ela se tornou a bateria favorita das redes de telégrafo americanas por um tempo.

No entanto, essa bateria tinha como desvantagens a emissão de vapores tóxicos de óxido nítrico quando operada e o alto custo da platina na época. Além disso, a tensão dela também caía drasticamente à medida que a carga dela diminuía, e isso se tornou um problema à medida que as redes de telégrafo se tornavam vez mais complexas.

Lâmpada incandescente de Grove

Em 1840, Grove inventou uma das primeiras lâmpadas incandescentes, útil em minas, que mais tarde foi aperfeiçoada por Thomas Alva Edison. Nesse mesmo ano, ele deu outro relato de seu desenvolvimento na Associação Britânica para o Avanço da Ciência, em Birmingham, onde despertou o interesse do químico-físico Michael Faraday, que o convidou para apresentar as suas descobertas no prestigioso Royal Institution Friday Discourse, em 13 de março de 1840.

Lâmpada incandescente de Grove

Essa apresentação de Grove fez sua reputação, e logo ele foi indicado para ser membro da Royal Society, onde homens tão distintos como William Thomas Brande, William Snow Harris e Charles Wheatstone eram membros.

Grove também atraiu a atenção de John Peter Gassiot, e esse relacionamento fez com que Grove se tornasse o primeiro professor de filosofia experimental na London Institution em 1841. A conferência inaugural de Grove em 1842 foi o primeiro anúncio do que Grove chamou de correlação de forças físicas, ou em termos mais modernos, a “conservação de energia”.

Invenção da Bateria de Gás Voltaico

Em 1842, Grove desenvolveu a primeira célula combustível, e ele a nomeou de “Bateria de Gás Voltaico”. Essa bateria produzia energia elétrica combinando hidrogênio e oxigênio, e ele a descreveu usando sua teoria de correlação.

Em seu primeiro experimento dessa bateria em Swansea, Grove fez uma descrição da bateria gasosa como um pós-escrito para um artigo descrevendo experimentos com materiais de eletrodo para baterias galvânicas.

Na configuração experimental, dois eletrodos de platina estavam parcialmente submersos em um béquer de ácido sulfúrico aquoso, e dois tubos foram invertidos sobre cada um dos eletrodos, um contendo gás hidrogênio e o outro contendo gás oxigênio.

Quando os tubos foram abaixados, os gases deslocaram o eletrólito, deixando apenas um fino revestimento da solução ácida no eletrodo; um galvanômetro (medidor de corrente elétrica) desviado, para indicar um fluxo de elétrons entre os dois eletrodos. Após a deflexão inicial, a corrente diminuiu em magnitude, mas a taxa de reação pôde ser restaurada pela renovação da camada de eletrólito.

Por causa da importância dessa camada de revestimento, Grove percebeu que a reação era dependente da “superfície de ação”, uma área de contato entre o gás reagente e uma camada de eletrólito líquido fino o suficiente para permitir que o gás se difunda para o eletrodo sólido.

Para aumentar a superfície de ação, Grove usou eletrodos de platina platinados (partículas de platina depositadas em um eletrodo sólido de platina), e com 26 células conectadas em série, foi capaz de atingir seu objetivo de eletrólise da água pelos produtos da eletrólise - hidrogênio e oxigênio.

Em experimentos posteriores, Grove substituiu diferentes gases nos tubos para ver quais efeitos poderia encontrar. Nesses experimentos, ele descobriu que com uma combinação de hidrogênio e nitrogênio, havia um pequeno efeito; pois ele reparou que o oxigênio do ar se dissolvia na solução. Na figura abaixo vemos uma versão menor de quatro células da bateria de gás de Grove.

Grove construiu uma bateria de gás com 50 células e descobriu que 26 era o número mínimo de células necessário para eletrolisar a água

Durante o desenvolvimento dessa bateria, ele também mostrou que o vapor poderia ser dissociado em oxigênio e hidrogênio, e logo, o processo revertido, sendo ele a primeira pessoa a demonstrar a dissociação térmica de moléculas em seus átomos constituintes.

Grove fez a primeira demonstração do efeito de dissociação do hidrogênio e do oxigênio em particular para Faraday, Gassiot e Edward William Brayley, seu editor científico. Seu trabalho também o levou a intuições iniciais sobre a natureza da ionização.

Dúvidas sobre o funcionamento da bateria de gás voltaico

Apareceram várias controvérsias sobre o princípio de funcionamento da bateria gasosa, e Grove esforçou-se para provar sua opinião de que era o oxigênio que contribuía para a reação química.

Ele testou quatorze combinações de gases no ânodo e no cátodo e concluiu que o cloro e o oxigênio, alimentados a um dos eletrodos, e o hidrogênio e o monóxido de carbono, alimentados pelo outro, “são os únicos gases decididamente capazes de se combinar eletro-sinteticamente para produzir uma corrente voltaica”.

Devido à seletividade da bateria gasosa ao oxigênio e não ao nitrogênio do ar, ele propôs um uso prático para a célula combustível - como um eudiômetro, um instrumento para determinar a composição volumétrica de uma mistura gasosa, usado especialmente para determinar a pureza do ar.

Em 1845, Grove apresentou à Royal Society of London os experimentos adicionais e introduziu a bateria de gás voltaico como um instrumento para testar a vaporização. Ele usou fósforo e iodo na forma sólida, que não são condutores, e os suspenderam em nitrogênio nos tubos de uma bateria de gás, e a célula deu uma corrente voltaica contínua.

Ele também testou “outros corpos eletropositivos voláteis, como cânfora, óleos essenciais, éter e álcool”, colocando-os em nitrogênio no lado do ânodo e associando-os com oxigênio, e descobriu que essas células também davam uma corrente voltaica contínua. Ele então descreveu uma “nova forma de bateria de gás” que poderia acomodar um número indefinido de células, usando hidrogênio do zinco e oxigênio do ar.

Retorno para advocacia

Durante o final da década de 1840 Grove ficou desencantado pela degradação da ciência pela ganância monetária.

Em 1846, ele renunciou ao cargo de professor em Londres e retornou a advocacia. Sua carreira jurídica prosperou em vez disso. Ele foi comissário da Rainha em meados da década de 1850 e, finalmente, terminou sua carreira como juiz no Tribunal de Common Pleas (tribunal de direito comum no sistema jurídico inglês).

Ele sentou-se em comissões reais, e em 1871 ele foi condecorado com titulo de cavaleiro. Grove se tornou juiz do Banco da Rainha em 1880 e Conselheiro Privado em 1887. Faleceu em 1º de agosto de 1896 em Londres.

Referências

• Innovators in Battery Technology: Profiles of 95 Influential Electrochemists, Kevin Desmond, McFarland, 20 de maio de 2016.
• https://www.britannica.com/biography/William-Robert-Grove (acessado em 13/10/2018 às 20:47)
• http://www.rigb.org/our-history/people/g/william-robert-grove (acessado em 13/10/2018 às 20:57)
• Culture of Chemistry: The Best Articles on the Human Side of 20th-Century Chemistry from the Archives of the Chemical Intelligencer, Balazs Hargittai, István Hargittai, Springer, 20 de abril de 2015
• Fuel Cell Technology Handbook, Gregor Hoogers, CRC Press, 27 de setembro de 2002
• Grove, W, R., On a gaseous voltaic battery, London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 3, 21, 417-420, 1842.
• Grove, W, R., Experiments on the gas voltaic battery, with a view of ascertaining the rationale of its action and on its application to eudiometry, Proceedings of the Royal Society of London, 4, 463 – 465, 1843.
• Grove, W, R., On the gas voltaic battery: voltaic action of phosphorus sulphur, and hydrocarbons, Proceedings of the Royal Society of London, 5, 557-558, 1845.
• https://www.uh.edu/engines/epi1330.htm (acessado em 20/10/2018 às 16:44)

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 :)