reacção química da bateria de chumbo-ácido
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Reacção química da bateria de chumbo ácido

Princípios de trabalho e reacções de uma bateria de chumbo-ácido

Todas as baterias são sistemas electroquímicos que funcionam como fonte de energia e energia eléctrica. Cada sistema tem 2 eléctrodos (Positivo e Negativo), electrólito e separador. A maioria dos sistemas eletroquímicos tem um óxido metálico ou o próprio oxigênio como Positivo e um metal como Negativo. Os sistemas podem ser ainda classificados como baterias primárias e secundárias. As baterias primárias são para uso único; enquanto as baterias secundárias podem ser descarregadas e recarregadas várias vezes.

Algumas das baterias secundárias comercialmente estabelecidas e bem sucedidas são apresentadas na tabela seguinte:

Sistema eletroquímico Eléctrodo Positivo Negativo Eletrólito Observações
Bateria de chumbo-ácido Peróxido de chumbo PBO2 Chumbo metálico em forma esponjosa Ácido sulfúrico diluído Eletrólito utilizado em reações + íons eletrônicos condutores
bateria de íons de lítio Lítio com óxido de Cobalto, Níquel, Manganês, Ferro Grafite, Silício com Lítio (intercalado) encadernado Mistura de solventes orgânicos para sais de lítio Electrolíticos para conduzir iões de lítio entre 2 eléctrodos - Sem reacções químicas
Níquel Cádmio Oxidróxido de níquel Ni(O) OH Cádmio Metal Hidróxido de Potássio Diluído Eletrolíticos apenas para conduzir íons eletrônicos
Hidreto de Níquel Metálico Oxidróxido de níquel Ni(O) OH Hidrogênio absorvido em uma liga metálica Hidróxido de Potássio Diluído Eletrolíticos apenas para conduzir íons eletrônicos

Reacção química da bateria de chumbo ácido:

A bateria de chumbo-ácido tem 3 componentes principais de trabalho:

  1. O Dióxido de Chumbo (PbO₂) forma o Eletrodo Poroso Positivo.
  2. O chumbo em estado esponjoso forma o eléctrodo Poroso Negativo.
  3. O ácido sulfúrico diluído de densidade variando de 1.200 a 1.280 de gravidade específica é o eletrólito. Nas baterias VRLA o volume de ácido é baixo. Portanto, uma maior gravidade específica de ácido como 1.300 -1.320 é comumente usada para atingir a capacidade projetada.

Os eléctrodos são feitos porosos usando aditivos especiais durante o fabrico, para garantir que as reacções ocorrem em toda a maior parte da placa da bateria. O separador de bateria (um não condutor) ajuda a isolar os 2 eléctrodos do curto-circuito, mas permite a passagem dos iões electrónicos com um mínimo de resistência eléctrica.

Quando a bateria está ligada a uma carga (descarga), o átomo de chumbo na placa negativa divide-se em ião de chumbo (Pb²⁺) e 2 electrões. Os elétrons que formam a unidade fundamental de corrente originam-se na placa negativa e fluem através do terminal negativo para o circuito externo.

Depois de passar pela carga, os elétrons chegam ao terminal positivo. Os elétrons convertem (reduzem) o dióxido de chumbo em íons de chumbo.
Tanto em eletrodos positivos como negativos, os íons de chumbo (Pb²⁺) reagem com ácido sulfúrico para formar o LEAD SULPHATE. (Teoria do Duplo Sulfato de Gladstone). Em outros sistemas eletroquímicos como baterias de níquel-cádmio, baterias de íons de lítio, os eletrólitos não participam das reações. O seu papel é apenas conduzir os iões entre os dois eléctrodos.

Reacções durante a descarga - Reacção química da bateria de chumbo-ácido

Reacções durante a descarga (que é a função principal de uma bateria)

Pb (Negativo)

Pb²⁺ + 2 e-1

PbO₂( Positivo) Pb⁴⁺ + 2 e-

Pb²⁺ —————————–2

Pb²⁺ + SO₄²- (de ácido)

PbSO₄ ( nos dois eléctrodos)——– 3

Durante o carregamento de uma bateria de chumbo ácido descarregada, todas as 3 reacções ocorrem no sentido inverso, O acima descrito são as reacções químicas e electroquímicas simplificadas que ocorrem na bateria de chumbo ácido tornando-a o sistema de bateria RECARREGÁVEL mais fiável ou Sistema de bateria SECUNDÁRIO.

Qual é a diferença entre bateria primária e secundária? Enquanto as baterias primárias são usadas & lançadas & não podem ser recarregadas; baterias secundárias, on carga, todos os 3 componentes – positivo, negativo e ácido – são regenerados.

Assim é criada uma célula/bateria recarregável ou secundária. Daí o nome de bateria secundária

Ciclo interno de oxigénio - reacção química da bateria de chumbo-ácido

Durante o carregamento da bateria VRLA:
Na placa positiva, o gás O2 é evoluído e são produzidos prótons e elétrons.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1

2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Calor ……… Eq. 2
—————————————————–
Mas, sendo este um processo de carga, o sulfato de chumbo assim produzido tem de ser novamente convertido em chumbo; o ácido sulfúrico é gerado por uma via electroquímica, reagindo com os protões (iões de hidrogénio) e electrões resultantes da decomposição da água nas placas positivas quando estas são carregadas.

2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3

Reacções de descarga e carga - Reacção química da bateria de chumbo-ácido

As reacções de uma célula galvânica ou bateria são específicas para o sistema ou para a química:

Por exemplo, a célula ácida de chumbo:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga ↔ Carga 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V

Em uma célula de Ni-Cd

Cd + 2NiOOOH + 2H2O Descarga ↔ Carga Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1.32 V

Em uma célula Zn-Cl2:

Zn + Cl2 Descarga ↔ Carga ZnCl2 E° = 2,12 V

Em uma célula Daniel (Esta é uma célula primária; aqui note a ausência de setas reversíveis)

Zn + Cu2+ Descarga ↔ Carga Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V

O que acontece durante uma descarga e reacções de carga dentro de uma célula? Reacção química da bateria de chumbo ácido

Eletrólito: 2H2SO4 = 2H+ +2HSO4‾

Placa negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e

Pb2+ +HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+

⇑ ⇓

Placa positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-

Pb4+ + 2e = Pb2+

Pb2++ 3H+ +HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O

Sendo o ácido sulfúrico um electrólito forte, é dissociado como iões de hidrogénio e iões bissulfato (também chamado ião sulfato de hidrogénio).

reacção química da bateria de chumbo-ácido

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