Pilha: o que é, como funciona e tipos

A pilha é um sistema onde ocorre a reação de oxirredução. Nesse dispositivo, a energia química produzida na reação espontânea é convertida em energia elétrica.

As reações de oxidação e redução ocorrem simultaneamente em uma pilha. Quando uma espécie sofre oxidação ela doa elétrons para a outra espécie que, ao recebê-los, sofre redução.

Portanto, quem sofre oxidação é o agente redutor e quem sofre redução é o agente oxidante.

A oxidação ocorre quando uma espécie perde elétrons e se transforma em um cátion: A → A⁺ + e^-.

A redução ocorre quando uma espécie ganha elétrons e se torna eletricamente neutra: B⁺ + e^- → B.

Nas equações químicas, essa transferência de elétrons é demonstrada pela mudança do número de oxidação (nox).

As reações de oxirredução ocorrem no interior das pilhas e a corrente elétrica surge com a migração dos elétrons do polo negativo para o positivo.

Como funciona uma pilha?

Uma reação de oxirredução genericamente pode ser representada pela equação:

A + B⁺ → A⁺ + B

Onde,

A: substância que sofre oxidação, perde elétrons, aumenta nox e é o agente redutor.
B: substância que sofre redução, ganha elétrons, diminui nox e é o agente oxidante.

Observe na imagem a seguir como esse processo pode ser representado.

O sistema dividido em duas semicelas e formado por dois eletrodos metálicos conectados externamente por um fio condutor foi desenvolvido por John Frederic Daniell (1790-1845) em 1836.

A pilha é composta por dois eletrodos, conectados por um fio condutor, e um eletrólito, onde ficam os íons. O eletrodo é a superfície sólida condutora que possibilita a troca de elétrons.

Ânodo: eletrodo no qual ocorre a oxidação. É também o polo negativo da pilha.
Cátodo: eletrodo no qual ocorre a redução. É também o polo positivo da pilha.

Na imagem acima, o zinco metálico é o ânodo e sofre a oxidação. O cobre metálico é o cátodo e sofre redução. A migração dos elétrons (e-) ocorre do ânodo para o cátodo através do fio condutor.

As reações que ocorrem no sistema da imagem são:

• Ânodo (oxidação): Zn_(s) → Zn²_(aq) + 2e^-
• Cátodo (redução): Cu²⁺_(aq) + 2e^- → Cu_(s)
• Equação geral: Zn_(s) + Cu²⁺_(aq) → Cu_(s) + Zn²⁺_(aq)

O zinco é um metal com maior tendência de perder elétrons e, por isso, formam-se cátions na solução. O eletrodo de zinco começa a apresentar um desgaste e perda de massa porque o zinco é liberado na solução ao formar os cátions Zn²⁺.

Os elétrons provenientes do ânodo chegam ao cátodo e os cátions do metal ao recebê-los transformam-se em cobre metálico, que se deposita no eletrodo e aumenta sua massa.

A ponte salina é uma corrente iônica responsável pela circulação de íons no sistema para mantê-lo eletricamente neutro.

Leia também sobre número de oxidação (nox).

Tipos de pilha

Em uma pilha, a tendência das espécies químicas receberem ou doarem elétrons é determinada pelo potencial de redução.

O componente com maior potencial de redução tende a sofrer redução, ou seja, ganhar elétrons. A espécie de menor potencial de redução e, consequentemente, maior potencial de oxidação, tende a transferir elétrons.

Por exemplo, na reação de oxirredução Zn⁰_(s) + Cu²⁺_(aq) → Cu⁰_(s) + Zn²⁺_(aq)

O zinco oxida e doa elétrons porque tem potencial de redução E⁰ = -0,76V, menor que o potencial de redução do cobre E⁰ = +0,34V e, por isso, este recebe elétrons e sofre redução.

Confira a seguir outros exemplos de pilhas.

Pilha de zinco e hidrogênio

Semirreação de oxidação: Zn_(s) → Zn²⁺ + 2e^- (E⁰ = -0,76V)

Semirreação de redução: 2H⁺_(aq) + 2e^- → H_2(g) (E⁰ =0,00V)

Equação global: Zn_(s) + 2H⁺_(aq) → Zn²⁺_(aq) + H_2(g)

Representação da pilha:

Pilha de cobre e hidrogênio

Semirreação de oxidação: H_2(g) → 2H⁺_(aq) + 2e^- (E⁰ = 0,00V)

Semirreação de redução: Cu²⁺_(aq) + 2e^- → Cu_(s) (E⁰ = +0,34V)

Equação global: Cu²⁺_(aq) + H_2(g) → 2H⁺_(aq) + Cu_(s)

Representação da pilha:

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