#033 - Protótipo de uma pilha de gravidade
A pilha voltaica, com ânodo de zinco e cátodo de cobre, é uma forma engenhosa de produzir uma corrente elétrica a partir de um fenômeno que ocorre espontaneamente.
Escrito e desenvolvido por Léo Corradini
Ou seja, quando o zinco metálico é colocado em uma solução onde existem íons de cobre acontece a chamada redução dos íons de cobre e a oxidação do zinco metálico.
Em outras palavras, os íons de cobre recebem elétrons e transformam-se em cobre metálico e o zinco metálico perde elétrons e transforma-se em íons de zinco.
O que observamos visualmente é a superfície do zinco metálico cobrir-se com uma camada avermelhada de cobre metálico e a solução perder a bonita cor azulada.
Só que não podemos aproveitar esse fluxo de elétrons porque ele ocorre na superfície do zinco.
Então foi criada a pilha voltaica, que é uma forma de aproveitar esse fluxo de elétrons.
Isso é feito separando-se o zinco do contato direto com os íons de cobre.
O zinco metálico fica imerso em uma solução onde devem existir somente íons de zinco, o cobre por sua vez fica imerso em uma solução rica em íons de cobre.
Mas, para gerar a corrente elétrica é necessário criar um circuito com esses dois conjuntos.
Então, ligamos eletricamente as duas soluções e colocamos a carga elétrica entre os dois metais, ou seja, entre o cobre e zinco.
Ligar os dois metais é muito fácil, basta soldar fios neles e levar até a carga, no caso do experimento, o Joule Thief.
Mas ligar as duas soluções é mais complicado, porque os íons de cobre não podem ter contato direto com o zinco metálico.
Se não, eles serão consumidos na superfície do zinco metálico e desperdiçaremos esse metal também.
A pilha de Daniell usa uma ponte salina ou uma barreira de um material poroso para dificultar o contato dos íons de cobre com o zinco.
A pilha deste experimento usa a gravidade para separar as duas soluções.
A pilha de gravidade:
Uma variante interessante da pilha de Daniell é a célula de gravidade desenvolvida pelo francês Callaud na década de 1860.
Na pilha de Daniell original, são usados dois vasilhames conectados por uma ponte salina.
Na pilha de gravidade, a ideia é usar a gravidade para separar as duas soluções.
Engenhoso, não é mesmo.
O ânodo de zinco é montado acima do cátodo de cobre que é recoberto com cristais de sulfato de cobre.
O eletrólito é somente uma solução de sulfato de zinco em água destilada.
Podemos dizer que os combustíveis dessa pilha são o zinco metálico e o sulfato de cobre.
A vantagem é que, sem a ponte salina, a resistência interna da pilha é bem menor.
A ponte salina também pode ser um copo de material poroso, nesse caso a resistência também é baixa.
O problema é que os íons de cobre migram pela parede porosa e se depositam sobre o ânodo de zinco, afetando o funcionamento da pilha.
A pilha de gravidade veio para resolver esse problema, embora ela também tenha os seus.
Na pilha de gravidade é importante um fluxo constante de corrente para consumir os íons de cobre próximos ao cátodo.
Caso contrário, com o tempo, os íons de cobre migram até o ânodo de zinco reduzindo, em parte, a eficiência da pilha.
No protótipo, a posição horizontal do ânodo e cátodo favorecem a formação das duas camadas, uma rica em íons de cobre e outra rica de íons de zinco.
Assim, os íons de cobre não terão contato com o ânodo de zinco, evitando a redução desses íons sobre a superfície do zinco.
O cristal de sulfato de cobre no fundo sobre o cátodo de cobre dissolve-se em forma uma solução mais densa rica em íons de cobre.
Então temos duas regiões no eletrólito separadas pela gravidade, essa pilha funciona bem para grandes drenagens de corrente.
Porque os íons de cobre que entram em solução tem que ser rapidamente consumidos pelo cátodo sob pena deles migrarem para o ânodo e serem reduzidos a cobre metálico afetando o funcionamento do ânodo da pilha.
Com a drenagem de corrente, íons de cobre transformando-se em cobre metálico, depositado no cátodo, e zinco metálico do ânodo transformando-se em íons de zinco.
A solução perde íons de cobre e ganha íons de zinco.
Uma vantagem desse arranjo é a baixa resistência elétrica oferecida pela grande área de interface das duas soluções que aumenta o rendimento da pilha e permite correntes maiores.
No experimento, usei três LEDs que geram luz branca, eles funcionam com uma tensão de 2,7 volts cada, maior que a gerada pela pilha de zinco ~1,05 volt.
Esse LED emite na região do ultravioleta e a luz branca é produzida por uma camada de material fluorescente sobre o chip do LED.
Então, foi necessário acrescentar um circuito para elevar a tensão, que consiste num oscilador especialmente desenhado.
Esse oscilador, também conhecido como Joule Thief (1), é muito compacto e utiliza apenas três componentes, um transformador toroidal com um enrolamento bifilar de 14 espiras, um transistor BC337 e um resistor de 1 kohm 5% 1/8W.
Retirei o pequeno toroide de um transformador para cabo de rede.
Uma característica importante dessa pilha é ser menos sujeita ao fenômeno chamado "polarização", que consiste na formação de uma camada isolante de hidrogênio no cátodo.
Esse fenômeno costuma matar prematuramente as pilhas de montagem simples, ou seja a célula ainda tem zinco (ou outro metal) e eletrólito, mas deixa de funcionar ou funciona muito mal.
Isso ocorre com frequência naquelas pilhas de limão, batata, sal, vinagre, ácidos em geral, etc, muito populares na internet.
Elas funcionam por pouco tempo, até mesmo a primeira pilha, que foi criada por Alessandro Volta, sofre com esse problema.
Alguns cálculos e considerações sobre o ensaio
Conceitos importantes para os cálculos:
- Um mol de Zn pode liberar dois mols de e-
- Um mol de e- = 96500 coulombs
- Um mol de Zn = 65,37g
Portanto: 65,37g de Zn podem liberar dois mols de e- com 193000 coulombs
de carga elétrica.
Temos que Q = i . t
Q = carga elétrica em coulombs
i = corrente em ampères
t = tempo em segundos
Num dos ensaios a pilha de gravidade gerou 1,68Ah, que corresponde a 20mA durante 84 horas.
Assim: 1,68 . 3600 = 6048 coulombs
Fazendo a proporção:
65,37g -> 193000 coulombs
x -> 6048 coulombs
x = 2,05g
Ou seja, o consumo de Zn teórico é de 2,05g.
Porém, no ensaio, o consumo foi de 2,7g.
Acredito que esse consumo a mais de Zn pode ser consequência de erros nas medidas da corrente sobre a carga e também porque ocorreu alguma produção de íons de zinco pela redução de íons de hidrogênio da solução, podemos ver bolhas sobre o ânodo de zinco no final do ensaio.
(1) Mais sobre o Joule Thief:
https://potassio-40.blogspot.com.br/2017/11/um-pouco-sobre-o-joule-thief.html
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