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:
- O Dióxido de Chumbo (PbO₂) forma o Eletrodo Poroso Positivo.
- O chumbo em estado esponjoso forma o eléctrodo Poroso Negativo.
- 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).
