Pilha de Daniel
Sandra Maria Bettin-João Pedro Teixeira-Celso Batista dos Santos

A eletroquímica permite-nos compreender como as reações químicas podem ser usadas para gerar eletricidade e como a eletricidade pode ser obtida através de reações químicas. Também pode ser usada para estabelecer uma escala de capacidade oxidante e redutora. A obtenção de energia no futuro passa por encontrar maneiras efetivas de gerar eletricidade por meio de reações químicas. Fontes de eletricidade portáteis, eficientes, para computadores de bolso, automóveis elétricos ou habitações espaciais são imprescindíveis para o futuro. Hoje uma das contribuições mais familiares da eletroquímica para o nosso dia a dia é a “bateria” usada no toca-fitas portátil, no CD player ou no computador portátil (laptop) (1).

CTS, significa o ensino do conteúdo de ciência no contexto autêntico do seu meio tecnológico e social. Os estudantes tendem a integrar a sua compreensão pessoal do mundo natural (conteúdo da ciência) com o mundo construído pelo homem (tecnologia) e o seu mundo social do dia-dia-dia (sociedade). A diferença fundamental entre CTS e o ensino clássico, sendo característico o ensino de CTS pela organização conceitual centrada em temas sociais, pelo desenvolvimento de atitudes de julgamento, por uma concepção de ciência voltada para o interesse social, visando compreender as implicações sociais do conhecimento cientifico. Por outro lado, o ensino clássico é caracterizado pela organização curricular centrada no contudo especifico de ciências, com uma concepção universal, que possui valor por si mesma e não pelas suas aplicações sociais (2).

Embora o homem conhecesse a eletricidade desde a Grécia antiga, seu aproveitamento e o conhecimento de sua natureza só começou a surgir a partir do fim do século XVIII. Nessa época, a eletricidade era produzida por fricção (eletricidade estática), não se conhecia ainda a corrente elétrica, tal como chamamos hoje. Alessandro Volta (1745-1827) professor de Física, compreendeu que a eletricidade não havia sido gerada pelo animal, mas pelos metais diferentes mergulhados no mesmo meio líquido (o corpo animal contém líquido). Em 1795, conseguiu obter eletricidade, mergulhando um pedaço de cobre e um de zinco em uma solução de ácido sulfúrico, construindo o primeiro gerador elétrico. Para aumentar o efeito do seu gerador, Volta empilhou laminas de cobre e zinco, separadas por panos úmidos em solução de ácido. Esse dispositivo ficou conhecido como pilha de Volta ou simplesmente pilha (3,4).

 

Fig.1- (a)-gerador elétrico, (b)-pilha (3)

Devido às reações químicas entre os metais e o líquido, o cobre fica com a carga positiva e o zinco fica com carga negativa. De acordo com a antiga teoria do fluido elétrico, havia excesso de fluido no cobre e falta de fluido no zinco. Esse desequilíbrio foi chamado de tensão elétrica. O cobre e o zinco foram chamados de pólo positivo e pólo negativo da pilha.Unindo-se os metais por meio de um fio condutor, estabelece-se uma corrente elétrica. Segundo a teoria do fluido elétrico, o fluido escoa pelo fio, do pólo positivo para o pólo negativo (3).

Essa bateria e um exemplo de uma célula eletroquímica. Em geral, uma célula eletroquímica é um dispositivo no qual corrente - um fluxo de elétrons através de um circuito – é produzida por uma reação química espontânea ou é usada para forçar a ocorrência de uma reação não espontânea é usada para gerar uma corrente elétrica. Tecnicamente uma “bateria” é uma coleção de células unidas em série, de forma que a voltagem produzida á a soma das voltagens de cada célula unidas em série, de forma que a voltagem de cada célula (1).

Uma célula galvânica consiste de dois eletrodos, ou condutores metálicos, que fazem contato elétrico com o conteúdo da célula, e um eletrólito, um meio condutor iônico, dentro da célula. O eletrólito é tipicamente uma solução aquosa de um composto iônico, embora as células mais avançadas façam uso de uma variedade de materiais exóticos (fig.2).

A oxidação ocorre em um dos eletrodos, e os elétrons viajam através de um circuito externo ate o outro eletrodo, onde eles provocam a redução. O local da oxidação e chamado ânodo e o da redução e chamado de cátodo (1).

A célula de Daniel (ou pilha de Daniell) é um exemplo antigo de célula galvânica. Ela foi inventada pelo químico britânico John Daniell em 1836, quando o crescimento da telegrafia criou uma necessidade urgente por uma fonte de corrente elétrica confiável e estável. Embora os elétrons não tivessem ainda sido descobertos. Daniell teve a percepção de que poderia arranjar a reação para realizar trabalho, fazendo a separação das semi-reações de oxidação e de redução em sua célula. A reação química é a mesma, mas os reagentes estão separados por uma vasilha porosa. Para que os elétrons passem dos átomos de zinco para os íons Cu 2+, eles devem passar através de um circuito externo (o fio e a lâmpada); e à medida que eles vão de um eletrodo ao outro, podem ser usados para realizar trabalho acendendo a lâmpada.

Na célula de Daniel, as soluções de sulfato de zinco e de sulfato de cobre (II) se encontram dentro da barreira porosa para completar o circuito. Entretanto, quando íons diferentes misturam-se, isto afeta a voltagem medida de tão variadas maneiras, que são difíceis de medir. Para prevenir a mistura das soluções, os químicos usam ponte salina para unir os dois compartimentos de eletrodo e completam assim o circuito elétrico. Uma ponte salina típica consiste de um gel contendo uma solução salina aquosa concentrada em tubo em forma de ponte. A ponte permite o fluxo de íons, e assim completa o circuito elétrico, mas são íons que não afetam a reação da célula (KCL) (1,2).

Concepções Alternativas dos estudantes sobre eletroquímica na escola média ou de graduação: Ogude e Bradley (4) apontam algumas áreas que apresentam dificuldades nesse tópico, como a identificação de onde ocorre, na célula eletroquímica, o processo de fluxo dos elétrons, a condução no eletrólito, a neutralidade elétrica, a terminologia e os aspectos relativos aos componentes do processo, como ponte salina, cátodo, ânodo, etc. A confusão apresentada pelos estudantes com a terminologia cátodo, ânodo, eletrodo positivo, eletrodo negativo pode levar a uma interpretação errônea dos eventos nos eletrodo. Os estudantes têm dificuldade para relacionar a deposição e o desgaste do metal com os elétrons recebidos e perdidos no processo, conseqüentemente, assumem a idéia de cargas opostas para determinar o eletrodo positivo e o negativo ânodo e cátodo nas células galvânicas e eletrolíticas . O depósito do metal sobre o eletrodo aparece sempre associado à idéia de íon positivo atraído pelo eletrodo negativo, prevalecendo a idéia das cargas opostas. Dessa noção de atração dos íons para os eletrodos de cargas opostas surge o problema na interpretação dos processos, como o movimento dos íons e fluxo dos elétrons (2).

O objetivo do uso da caixa do Experimentoteca do CDCC (Centro de Divulgação Científica e Cultural) é auxiliar o trabalho do professor ao ensinar conteúdos relacionados com a eletroquímica . Podemos utilizar este material para o ensino CTS (Ciência, Tecnologia e Sociedade) valorizando a experimentação, aplicação e a motivação para o ensino de Ciências. A caixa é muito organizada, com materiais bem distribuídos de forma a facilitar o manuseio do professor.
Alguns pontos podem ser melhorados, principalmente no roteiro fornecido. Neste roteiro não há preocupação com o descarte das soluções utilizadas nas pilhas, isso deveria estar bem claro no roteiro da prática, bem como precauções ao utilizar certas soluções. Os materiais não são encontrados com facilidade para serem utilizados em qualquer escola; o tempo aproximado para completar o circuito deveria ser especificado no roteiro para o professor poder organizar sua aula, antecipadamente, as referências de consulta deveriam ser fornecidas (5).  

Fig.3-Esquema da pilha de Daniell (caixa da experimentoteca CDCC) (5)

Podemos concluir que a caixa da Experimentoteca do CDCC de eletroquímica é instrumento muito interessante para utilização nas escolas e no ensino CTS (Ciência. Tecnologia e Sociedade). Também a partir deste conteúdo (eletroquímica) podemos ensinar o caráter provisório e incertezas das teorias científicas. Salientar o estudo da Tecnologia como processo de produção social e a dependência da sociedade com produtos tecnológicos gerados e assim levar os alunos a perceberem o poder de influência como cidadãos.