TIPOS, CARACTERÍSTICAS E REAÇÕES DA BATERIA - QUÍMICA - 2025

No mercado você pode obter diversos tipos de baterias com características próprias. As baterias, que nada mais são do que células voltaicas, oferecem aos consumidores a vantagem de levar eletricidade consigo para qualquer lugar (desde que as condições não sejam drásticas).

As baterias geralmente podem ser adquiridas isoladas; mas, também são alcançados acoplados entre si em série ou paralelo, cujo conjunto passa a ser o que chamam de baterias. E é assim que às vezes os termos 'baterias' e 'baterias' são usados ​​indiscriminadamente, mesmo quando não são os mesmos.

Pilhas alcalinas: um dos tipos de pilhas mais populares. Fonte: Pexels.

As pilhas podem vir em inúmeras cores, formas e tamanhos, assim como podem ser feitas de outros materiais. Da mesma forma, e mais importante, sua estrutura interna, onde ocorrem as reações químicas que geram eletricidade, serve para diferenciá-las umas das outras.

Por exemplo, a imagem acima mostra três pilhas alcalinas, uma das mais comuns. O termo alcalino se refere ao fato de que o meio onde ocorre a liberação e o fluxo de elétrons é básico; ou seja, tem um pH maior que 7 e predominam os ânions OH ^- e outras cargas negativas.

Classificação geral

Antes de abordar alguns dos diferentes tipos de baterias que existem, é necessário saber que elas são globalmente classificadas como primárias ou secundárias.

Primário

Pilhas primárias são aquelas que, uma vez consumidas, devem ser descartadas ou recicladas, uma vez que a reação química na qual se baseia a corrente elétrica é irreversível. Portanto, eles não podem ser recarregados.

Eles são usados ​​principalmente em aplicações onde é impraticável recarregar energia elétrica; como em dispositivos militares, no meio do campo de batalha. Da mesma forma, são projetados para equipamentos que consomem pouca energia, para que durem mais; por exemplo, controles remotos ou consoles portáteis (como Gameboy, Tetris e Tamagotchi).

As pilhas alcalinas, para citar outro exemplo, também pertencem ao tipo primário. Eles geralmente têm formas cilíndricas, embora isso não implique que as baterias cilíndricas não possam ser secundárias ou recarregáveis.

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Ao contrário das baterias primárias, as baterias secundárias podem ser recarregadas depois de ficarem sem carga.

Isso ocorre porque as reações químicas que ocorrem dentro deles são reversíveis e, portanto, após a aplicação de uma determinada voltagem, faz com que as espécies do produto se tornem reativas novamente, reiniciando a reação.

Algumas células secundárias (chamadas baterias) são geralmente pequenas, como as primárias; no entanto, eles são destinados a dispositivos que consomem mais energia e para os quais o uso de baterias primárias seria inviável econômica e energeticamente. Por exemplo, baterias de telefones celulares contêm células secundárias.

Além disso, as células secundárias são projetadas para grandes equipamentos ou circuitos; por exemplo, baterias de automóveis, que são compostas por várias baterias ou células voltaicas.

Geralmente são mais caros do que células e baterias primárias, mas para uso a longo prazo acabam sendo uma opção mais adequada e eficaz.

Outros aspectos

As pilhas são classificadas como primárias ou secundárias; mas comercialmente ou popularmente, eles são geralmente classificados de acordo com sua forma (cilíndrica, retangular, tipo botão), o dispositivo a que se destina (câmeras, veículos, calculadoras), seus nomes (AA, AAA, C, D, N, A23, etc.) e seus códigos IEC e ANSI.

Da mesma forma, características como sua voltagem (1,2 a 12 volts), assim como sua vida útil e preços, são responsáveis ​​por dar-lhes uma certa classificação aos olhos do consumidor.

Lista de tipos de bateria

-Carbon-zinc

As baterias de carbono-zinco (também conhecidas como células de Leclanché ou baterias salinas) são uma das mais primitivas e atualmente são consideradas quase em desuso em comparação com outras baterias; especialmente, em comparação com as baterias alcalinas, que embora sejam um pouco mais caras, têm uma vida útil e tensões mais longas.

Como o próprio nome sugere, seus eletrodos são compostos por uma lata de zinco e uma haste de grafite, correspondendo ao ânodo e ao cátodo, respectivamente.

No primeiro eletrodo, o ânodo, os elétrons são originados pela oxidação do zinco metálico. Esses elétrons, então, viajam por um circuito externo que fornece energia elétrica ao dispositivo e acabam no cátodo de grafite, onde o ciclo se completa com a redução do dióxido de manganês no qual está imerso.

Reações

As equações químicas para as reações que ocorrem nos eletrodos são:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Ânodo)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Cátodo)

Essas baterias são muito semelhantes às baterias alcalinas: ambas são cilíndricas (como a da imagem). No entanto, as baterias de carbono-zinco podem ser diferenciadas pela leitura das características rotuladas na parte externa em detalhes ou se seu código IEC for precedido pela letra R. Sua tensão é 1,5 V.

-Alcalino

As baterias alcalinas são muito semelhantes às do tipo carbono-zinco, com a diferença de que o meio onde os eletrodos estão localizados contém ânions OH ^-. Este meio é constituído por fortes eletrólitos de hidróxido de potássio, KOH, que contribui com o OH ^- que participa e "colabora" na migração dos elétrons.

Ele vem em diferentes tamanhos e tensões, embora o mais comum seja 1,5V. São talvez as baterias mais conhecidas do mercado (Duracell, por exemplo).

As reações que ocorrem em seus eletrodos são:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (ânodo)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Cátodo)

À medida que a temperatura aumenta, mais rapidamente ocorrem as reações e mais rapidamente as baterias descarregam. Curiosamente, rumores populares se espalharam para colocá-los no freezer para aumentar sua vida útil; Porém, ao ser resfriado, seu conteúdo pode sofrer possível solidificação que pode levar a defeitos ou riscos subsequentes.

Mercúrio

Provável bateria de mercúrio, que pode ser confundida com a bateria de óxido de prata. Fonte: Multicherry.

As baterias de mercúrio são muito características devido ao seu formato peculiar de botões prateados (imagem acima). Quase todo mundo os reconheceria à primeira vista. Também são alcalinos, mas seu cátodo incorpora, além de grafite e dióxido de manganês, óxido de mercúrio, HgO; que, após ser reduzido, se transforma em mercúrio metálico:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Observe como os ânions OH ^- são consumidos e regenerados nessas reações celulares.

Por serem baterias pequenas, são destinadas a pequenos dispositivos, como relógios, calculadoras, controles de brinquedos, etc. Quem já usou algum desses objetos terá percebido que não é necessário trocar as pilhas por quase uma "eternidade"; o que equivaleria a 10 anos, aproximadamente.

Óxido de prata

Baterias de óxido de prata. Fonte: Lukas A, CZE.

O principal defeito das baterias de mercúrio é que, quando descartadas, representam um grave problema para o meio ambiente, devido às características tóxicas desse metal. Talvez seja por isso que faltam os códigos IEC e ANSI. Para baterias de óxido de prata, seu código IEC é precedido pela letra S.

Um dos substitutos das baterias de mercúrio corresponde à bateria de óxido de prata, muito mais cara, mas com menor impacto ecológico (imagem superior). Eles originalmente continham mercúrio para proteger o zinco da corrosão alcalina.

Está disponível com tensão de 1,5 V e suas aplicações são muito semelhantes às da bateria de mercúrio. Na verdade, à primeira vista, as duas baterias parecem idênticas; embora possa haver pilhas de óxido de prata muito maiores.

As reações em seus eletrodos são:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

A água posteriormente sofre eletrólise, decompondo-se em íons H ⁺ e OH ^-.

Observe que, em vez de mercúrio, a prata metálica é formada no cátodo.

-Níquel-cádmio (NiCad)

Bateria NiCd. Fonte: LordOider.

A partir deste ponto, as células ou baterias secundárias são consideradas. Como as baterias de mercúrio, as baterias de níquel-cádmio são prejudiciais ao meio ambiente (para a vida selvagem e a saúde) por causa do cádmio metálico.

Eles são caracterizados por gerar altas correntes elétricas e podem ser recarregados um grande número de vezes. Na verdade, podem ser recarregadas no total 2.000 vezes, o que equivale a uma durabilidade extraordinária.

Seus eletrodos consistem em hidróxido de óxido de níquel, NiO (OH), para o cátodo, e cádmio metálico para o ânodo. A lógica química, em essência, permanece a mesma: o cádmio (em vez do zinco) perde elétrons e o cádmio NiO (OH) os ganha.

As reações de meia célula são:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

Os ânions OH ^- novamente, vêm do eletrólito KOH. As baterias de NiCad, então, acabam gerando hidróxidos metálicos de níquel e cádmio.

São utilizados individualmente ou acoplados em embalagens (como o amarelo, imagem acima). Portanto, eles vêm em embalagens grandes ou pequenas. Os pequenos encontram uso em brinquedos; mas os grandes são usados ​​para aeronaves e veículos elétricos.

-Níquel-hidreto metálico (Ni-HM)

Pilhas Ni-HM. Fonte: Ramesh NG do Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Outra célula ou bateria bem conhecida, que excede o NiCad em capacidades energéticas, é o Ni-HM (níquel e hidreto metálico). Pode vir em formato cilíndrico (baterias convencionais, imagem acima), ou acoplado em bateria.

Quimicamente, tem quase as mesmas características das baterias de NiCad, com a principal diferença sendo seu eletrodo negativo: o cátodo não é cádmio, mas uma liga intermetálica de terras raras e metais de transição.

Essa liga é responsável por absorver o hidrogênio formado durante o carregamento, gerando um hidreto metálico complexo (daí a letra H em seu nome).

Embora as baterias Ni-HM forneçam mais energia (aproximadamente 40% a mais), são mais caras, gastam-se mais rapidamente e não podem ser recarregadas o mesmo número de vezes que as baterias NiCad; ou seja, eles têm uma vida útil mais curta. No entanto, eles não têm o efeito memória (perda de desempenho das baterias por não serem totalmente descarregadas).

É por esta razão que não devem ser usados ​​em máquinas que funcionam a longo prazo; embora este problema tenha sido atenuado com as baterias LSD-NiHM. Da mesma forma, as células ou baterias Ni-HM têm características térmicas muito estáveis, podendo operar em uma ampla faixa de temperaturas sem representar risco.

Reações

As reações que ocorrem em seus eletrodos são:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + E ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Ion-lítio

Bateria de íon de lítio para laptop. Fonte: Kristoferb da Wikipedia.

Nas células e baterias de lítio, eles são baseados na migração de íons Li ⁺, que são transferidos do ânodo para o cátodo, um produto das repulsões eletrostáticas devido ao aumento da carga positiva.

Alguns podem ser recarregados, como baterias de laptop (imagem superior), e outros, baterias cilíndricas e retangulares (LiSO ₂, LiSOCl ₂ ou LiMnO ₂) não.

As baterias de íon-lítio caracterizam-se por serem muito leves e energéticas, o que permite a sua utilização em diversos dispositivos eletrônicos, como smartphones e equipamentos médicos. Da mesma forma, eles dificilmente sofrem com o efeito memória, sua densidade de carga excede a das células e baterias NiCad e Ni-HM e demoram mais para descarregar.

No entanto, são muito sensíveis a altas temperaturas, podendo até explodir; e, além disso, tendem a ser mais caras em comparação com outras baterias. Ainda assim, as baterias de lítio são vistas com bons olhos no mercado e muitos consumidores as consideram as melhores.

- Chumbo ácido

Bateria de chumbo-ácido típica para automóveis. Fonte: Tntflash

E, finalmente, as bactérias de chumbo-ácido, como seu nome sugere, não contêm íons OH ^- mas H ⁺; especificamente, uma solução concentrada de ácido sulfúrico. As células voltaicas encontram-se dentro de suas caixas (imagem superior), onde três ou seis delas podem ser acopladas em série, dando uma bateria de 6 ou 12 V, respectivamente.

É capaz de gerar grandes quantidades de carga elétrica e, por serem muito pesadas, são destinadas a aplicações ou dispositivos que não podem ser transportados manualmente; por exemplo, carros, painéis solares e submarinos. Esta bateria ácida é a mais antiga e ainda existe na indústria automotiva.

Seus eletrodos são de chumbo: PbO ₂ para o cátodo e chumbo esponjoso metálico para o ânodo. As reações que ocorrem neles são:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Referências

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
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