Pilha Voltaica - Voltaic pile
A pilha voltaica foi a primeira bateria elétrica capaz de fornecer continuamente uma corrente elétrica a um circuito. Foi inventado pelo físico italiano Alessandro Volta , que publicou seus experimentos em 1799. A pilha voltaica então permitiu uma rápida série de outras descobertas, incluindo a decomposição elétrica ( eletrólise ) da água em oxigênio e hidrogênio por William Nicholson e Anthony Carlisle (1800) e a descoberta ou isolamento dos elementos químicos sódio (1807), potássio (1807), cálcio (1808), boro (1808), bário (1808), estrôncio (1808) e magnésio (1808) por Humphry Davy .
Toda a indústria elétrica do século 19 foi alimentada por baterias relacionadas a Volta (por exemplo, a célula de Daniell e a célula de Grove ) até o advento do dínamo (o gerador elétrico) na década de 1870.
A invenção de Volta foi construída a partir da descoberta de Luigi Galvani em 1780 de como um circuito de dois metais e a perna de uma rã pode fazer com que a perna da rã reaja. Volta demonstrou em 1794 que quando dois metais e pano ou papelão embebido em salmoura são dispostos em um circuito, eles produzem uma corrente elétrica . Em 1800, Volta empilhou vários pares alternados de cobre (ou prata ) e discos de zinco ( eletrodos ) separados por tecido ou papelão embebido em salmoura ( eletrólito ) para aumentar a força eletromotriz total. Quando os contatos superior e inferior eram conectados por um fio, uma corrente elétrica fluía pela pilha voltaica e pelo fio de conexão.
História
Formulários
Em 20 de março de 1800, Alessandro Volta escreveu à London Royal Society para descrever a técnica de produção de corrente elétrica usando seu dispositivo. Ao saber da pilha voltaica, William Nicholson e Anthony Carlisle a usaram para descobrir a eletrólise da água. Humphry Davy mostrou que a força eletromotriz , que impulsiona a corrente elétrica através de um circuito contendo uma única célula voltaica, foi causada por uma reação química, não pela diferença de voltagem entre os dois metais. Ele também usou a pilha voltaica para decompor produtos químicos e produzir novos produtos químicos. William Hyde Wollaston mostrou que a eletricidade de pilhas voltaicas tinha efeitos idênticos aos da eletricidade produzida por fricção . Em 1802, Vasily Petrov usou pilhas voltaicas na descoberta e pesquisa dos efeitos do arco elétrico .
Humphry Davy e Andrew Crosse foram os primeiros a desenvolver grandes pilhas voltaicas. Davy usou uma pilha de 2.000 pares feita para a Royal Institution em 1808 para demonstrar a descarga do arco de carbono e isolar cinco novos elementos: bário, cálcio, boro, estrôncio e magnésio.
Eletroquímica
Como Volta acreditava que a força eletromotriz ocorria no contato entre os dois metais, as estacas de Volta tinham um desenho diferente do desenho moderno ilustrado nesta página. Suas pilhas tinham um disco extra de cobre na parte superior, em contato com o zinco, e um disco extra de zinco na parte inferior, em contato com o cobre. Expandindo o trabalho de Volta e o trabalho de eletromagnetismo de seu mentor Humphry Davy , Michael Faraday utilizou tanto ímãs quanto a pilha voltaica em seus experimentos com eletricidade. Faraday acreditava que todas as "eletricidades" estudadas na época (voltaica, magnética, térmica e animal) eram uma e a mesma. Seu trabalho para provar essa teoria o levou a propor duas leis da eletroquímica que estavam em conflito direto com as crenças científicas atuais da época, conforme estabelecidas por Volta trinta anos antes. Por causa de suas contribuições para a compreensão desse campo de estudo, Faraday e Volta são considerados alguns dos pais da eletroquímica . As palavras "eletrodo" e "eletrólito", usadas acima para descrever o trabalho de Volta, são devidas a Faraday.
Pilha seca
Uma série de pilhas secas de alta tensão foram inventadas entre o início do século 19 e a década de 1830 em uma tentativa de determinar a fonte de eletricidade da pilha voltaica úmida e, especificamente, para apoiar a hipótese de Volta da tensão de contato. Na verdade, o próprio Volta fez experiências com uma pilha cujos discos de papelão haviam secado, provavelmente acidentalmente.
O primeiro a publicar foi Johann Wilhelm Ritter em 1802, embora em um jornal obscuro, mas na década seguinte, foi anunciado repetidamente como uma nova descoberta. Uma forma de pilha seca é a pilha Zamboni . Francis Ronalds, em 1814, foi um dos primeiros a perceber que as pilhas secas também funcionavam por meio de reação química, em vez de contato de metal com metal, embora a corrosão não fosse visível devido às correntes muito pequenas geradas.
A pilha seca pode ser referida como o ancestral da célula seca moderna .
Força eletromotriz
A resistência da pilha é expressa em termos de sua força eletromotriz , ou fem, dada em volts. A teoria da tensão de contato de Alessandro Volta considerava que a fem, que impulsiona a corrente elétrica por um circuito contendo uma célula voltaica, ocorre no contato entre os dois metais. Volta não considerou o eletrólito, que era tipicamente salmoura em seus experimentos, significativo. No entanto, os químicos logo perceberam que a água no eletrólito estava envolvida nas reações químicas da pilha e levou à evolução do gás hidrogênio a partir do eletrodo de cobre ou prata.
A compreensão moderna e atômica de uma célula com eletrodos de zinco e cobre separados por um eletrólito é a seguinte. Quando a célula está fornecendo uma corrente elétrica através de um circuito externo, o zinco metálico na superfície do ânodo de zinco é oxidado e se dissolve no eletrólito como íons carregados eletricamente (Zn 2+ ), deixando 2 elétrons carregados negativamente (
e-
) atrás no metal:
-
ânodo (oxidação): Zn → Zn 2+ + 2
e-
-
ânodo (oxidação): Zn → Zn 2+ + 2
Essa reação é chamada de oxidação . Enquanto o zinco está entrando no eletrólito, dois íons de hidrogênio carregados positivamente (H + ) do eletrólito aceitam dois elétrons na superfície do cátodo de cobre, tornam-se reduzidos e formam uma molécula de hidrogênio sem carga (H 2 ):
-
cátodo (redução): 2 H + + 2
e-
→ H 2
-
cátodo (redução): 2 H + + 2
Essa reação é chamada de redução . Os elétrons usados do cobre para formar as moléculas de hidrogênio são constituídos por um fio ou circuito externo que o conecta ao zinco. As moléculas de hidrogênio formadas na superfície do cobre pela reação de redução finalmente borbulham como gás hidrogênio.
Observar-se-á que a reação eletroquímica global não envolve imediatamente o par eletroquímico Cu 2+ / Cu (Ox / Vermelho) correspondente ao cátodo de cobre. O disco metálico de cobre, portanto, serve aqui apenas como um condutor metálico nobre "quimicamente inerte" para o transporte de elétrons no circuito e não participa quimicamente da reação na fase aquosa. O eletrodo de cobre pode ser substituído no sistema por qualquer condutor metálico suficientemente nobre / inerte (Ag, Pt, aço inoxidável, grafite, ...). A reação global pode ser escrita da seguinte forma:
- Zn + 2H + → Zn 2+ + H 2
Isso é estilizado de forma útil por meio da notação de cadeia eletroquímica:
- (ânodo: oxidação) Zn | Zn 2+ || 2H + | H 2 | Cu (cátodo: redução)
em que uma barra vertical cada vez representa uma interface. A barra vertical dupla representa as interfaces correspondentes ao eletrólito que impregna o disco de papelão poroso.
Quando nenhuma corrente é retirada da pilha, cada célula, consistindo de zinco / eletrólito / cobre, gera 0,76 V com um eletrólito de salmoura. As tensões das células na pilha se somam, de modo que as seis células no diagrama acima geram 4,56 V de força eletromotriz.
Veja também
Referências
links externos
- "Tutorial de pilha voltaica" . Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético.
- " A Pilha Voltaica ". Eletricidade. Kenyon.edu.
- Lewis, Nancy D., " Alesandro Volta The Voltaic Pile ".
- Lewis, Nancy D., " Humphry Davy Electrochemistry ".