Eletromagnetismo no Ensino Médio

1. Introdução

O que é corrente elétrica? Como ela surge? Não encontramos respostas apenas através das observações do circuito elétrico, pois não conseguimos ver o que está acontecendo dentro de um fio. A pilha é interessante porque dá uma visão geral do que é um circuito fechado e o por quê da movimentação de cargas no circuito.
Em 1836, John Frederic Daniell (1745-1827) criou um tipo de pilha, formada por uma placa de zinco e outra de cobre, unidas por um fio metálico, mergulhadas em soluções dos respectivos metais, conhecida como Pilha de Daniell. É um experimento fácil de realizar e ilustra com propriedade os fenômenos elétricos de uma reação de oxirredução com formação de íons. O funcionamento da pilha de Daniell é semelhante ao de Volta, pois possuem os mesmos eletrodos: cobre e zinco - o eletrodo de cobre é o pólo positivo e o de zinco, o pólo negativo. É uma versão melhorada da pilha de Volta, os 2 reagentes estão separados e há uma porcelana porosa para que a pilha funcione por mais tempo. Essa atividade proporciona o primeiro contato com o amperímetro e o voltímetro.

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2. Conteúdo geral - Eletricidade

3. Conteúdo específico

- Semi-reações e reação global - força eletromotriz ( fem )
- Medida da voltagem - ddp
- Medida da intensidade da corrente elétrica
- Conceito de corrente elétrica

4. Conhecimentos prévios

- Ter observado um circuito simples, evidenciando a necessidade de um caminho metálico fechado e ter percebido que para a lâmpada acender "algo circula" passando pelo filamento da lâmpada.
- Ter percebido a movimentação de cargas elétricas.

5. Posição no planejamento

A atividade se enquadra após os alunos terem feito o experimento do circuito simples.

6. Cronograma - 4 aulas

7. Objetivo Geral

1. Oportunidade de lidar com os fenômenos e as grandezas envolvidas nos circuitos elétricos, com abordagem conceitual de corrente elétrica e voltagem.
2. Através da Pilha de Daniell compreender o mecanismo que gera a corrente elétrica, entendendo o fenômeno eletroquímico como tendência das substâncias em doar ou receber elétrons, formando íons e culminando na produção de corrente e outros fenômenos elétricos.

8. Objetivos específicos

1. Entender como aparecem as cargas e de onde vêm.
2. Entender como se obtém a ddp, qual o papel e como se mantém.
3. Saber onde aparece a corrente elétrica e como é essa corrente.
4. Perceber o caminho dos portadores de carga (elétrons e íons) no circuito elétrico fechado.
5. Entender como a corrente elétrica é definida e caracterizada.

9. Material necessário

1 filtro de porcelana porosa ( vela de filtro )
1 placa de cobre - 10 x 2 cm
1 placa de zinco - 10 x 2 cm
palha de aço
100 mL de solução de sulfato de cobre (25g para 100 mL)
30 mL de solução de sulfato de zinco (4g para 30 mL)
1 béquer de 250 mL
2 pedaços de fio encapado, com jacaré nas 2  extremidades (15 cm)
1 despertador
1 calculadora
1 led
1 multímetro
ponte salina: 1 tubo em U
                    30 mL de solução saturada de sal de cozinha ou KCl
                    1 béquer de 250 mL
                    algodão

10. Faça assim

Dicas importantes

1. É melhor que se coloque a solução de sulfato de cobre no béquer, para não colorir de azul a porcelana porosa, pois os cristais de sulfato de cobre quando hidratados, adquirem a cor azul.

2. Quanto maior a concentração de Cu²⁺, maior é a voltagem da pilha, pois o aumento de Cu²⁺ é favorável à reação global que ocorre na pilha segundo a Lei de Chatelier.

3. Para a lâmpada acender é preciso 1,5 V, e a concentração de 1 M fornece apenas 1,10 V, por isso, a lâmpada poderá não acender. Por isso, escolha instrumentos que necessitem de pequenas correntes e tensões menores, como o despertador que necessita 1,35V, a calculadora, de 1,2V.

11. O que se observa?

Observando e analisando quimicamente as soluções, notamos que:
a. o despertador deve tocar e a calculadora deve funcionar.
b. O que acontece nas placas? Após certo tempo, a placa de zinco diminui de tamanho, ao passo que a de cobre fica com massa maior.
c. O que acontece nas soluções? A solução de zinco fica mais concentrada, enquanto a solução de cobre fica mais diluída (diminui a intensidade da cor azul da solução).
d. o amperímetro acusa um fluxo de elétrons pelo circuito externo, da placa de zinco para a de cobre.

Portanto...
Os efeitos macroscópicos percebidos na pilha: diminuição da massa da placa de zinco, aumento da massa da placa de cobre, mudança de cor dos reagentes, o despertador ou a calculadora funcionando são resultados de interações que acontecem a nível microscópico entre os componentes da pilha.

12. Como se explica?

a. Qual placa fornece elétrons?
A placa de zinco, conforme a fila de reatividade tenderá a ceder elétrons para o cobre, por ser mais reativo.

A placa de Zn foi se desgastando porque átomos de zinco (Zn⁰) passam para a solução na forma de íons Zn²⁺, deixando, cada átomo, 2 elétrons na placa. Isso explica porque a placa de zinco perde massa e a solução de íons Zn²⁺ fica mais concentrada.

Reação de oxidação -   Zn⁰ → Zn²⁺ + 2e^-
                    placa      solução      vão para o eletrodo de Cu

b. Qual é o polo negativo e o positivo da pilha? Por quê?
O zinco, por ser mais reativo, liberta mais íons do que o cobre, retendo mais elétrons. Por isso, o zinco fica mais negativo que o cobre.

Os elétrons que ficam na placa de zinco percorrem o circuito externo e chegam à placa de cobre. Isso explica o fluxo de elétrons acusado pelo amperímetro, fluxo que faz com que o despertador toque e a calculadora funcione. Lembre-se que o movimento ocorre com os elétrons do fio todo, que vão sendo repostos pelos que vêm da placa de zinco.
polo negativo (ânodo) - zinco
polo positivo (cátodo) - cobre

c. Para onde caminham esses elétrons?
Para a placa de cobre, atraindo os íons Cu²⁺ da solução de sulfato de cobre. O cobre possui menor potencial de oxidação que o zinco.

Esses elétrons, chegando à placa de cobre, atraem os íons de Cu²⁺ da solução, que, em contato com a placa de cobre, recebem os elétrons e se convertem em átomos de cobre (Cu⁰), depositando-se na placa. Por isso, a solução de cobre fica com menos íons de Cu²⁺ e a placa de cobre aumenta.

Reação de redução:      Cu²⁺  +    2e^-     →  Cu⁰
                                        solução     vieram do Zn pelo fio       placa 

d. O circuito está fechado?
O circuito está fechado, inclusive dentro da pilha com a movimentação de íons na solução.

A movimentação das cargas elétricas no interior dos fios e no interior das soluções permite uma circulação ininterrupta de cargas elétricas, obtendo-se o que chamamos de circuito fechado: os elétrons se movimentam pelo fio e os íons se movimentam pela ponte salina.

Perceber que ...
▪ no circuito externo, os elétrons partem do ânodo em direção ao cátodo.
▪ no circuito interno, os ânions migram para o ânodo e os cátion migram para o cátodo, mantendo o equilíbrio elétrico das soluções.

Portanto ...
 A presença de um circuito elétrico fechado faz com que apareça espontaneamente a corrente elétrica e é indispensável que as reações de oxirredução aconteçam para manter a corrente elétrica.

13. O que se conclui?

1. A pilha é um dispositivo que aproveita a transferência de elétrons em uma reação de oxirredução e propicia o aparecimento de uma corrente elétrica através de um fio condutor. Dessa maneira, a pilha converte a energia química em energia elétrica

2. A corrente elétrica:
A. fora da pilha - é constituída pelo fluxo de elétrons através do fio condutor. O fluxo de
elétrons evidencia uma ddp entre as placas. O voltímetro no circuito pode medir essa ddp, que será a voltagem da pilha.

B. dentro da pilha - é constituída pelo movimento de íons (Zn²⁺ e SO₄^2- ), em sentidos opostos. Os íons migram de uma semi-pilha para outra, através da parede porosa ou da ponte salina.

3. Durante o funcionamento da pilha, sua voltagem diminui. Depois de algum tempo, a voltagem da pilha fica igual a zero e ela fica então, descarregada ( o potencial da placa de zinco fica igual ao potencial da placa de cobre).
maior concentração de Zn²⁺ - menor será a voltagem da pilha: o aumento de Zn²⁺ é desfavorável à reação global.
maior concentração de Cu²⁺ - maior será a voltagem da pilha: o aumento de Cu²⁺ é favorável à reação global.

4. a quantidade ou concentração dessas cargas livres afeta diretamente o fluxo de elétrons no fio do circuito externo, portanto, para manutenção da ddp, as cargas livres passam de um eletrólito a outro, através da superfície porosa ou ponte salina.

5. Pilhas eletroquímicas são sistemas que produzem corrente contínua e baseiam-se nas diferentes tendências para ceder e receber elétrons das espécies químicas.

Assim como acontece para qualquer pilha, a pilha de Daniell não dura para sempre. Na realidade, a produção de corrente elétrica diminui à medida que a concentração do eletrólito de zinco aumenta e a do eletrólito de cobre diminui. No que diz respeito à ponte salina, a função desta é permitir o transporte de cargas de uma solução para a outra. Visto que no interior dessa existe uma solução salina, à medida que se vão acumulando as cargas positivas (Zn²⁺) no eletrólito de sulfato de zinco, o Cl^- da solução aquosa de NaCl compensa o balanço de cargas. Assim, os gradientes de concentração devidos à presença de cargas não compensadas é minimizada pelo menos nos instantes iniciais.

14. Algumas palavras novas

. cátodo - local onde ocorre a redução de um cátion.
. ânodo - local onde ocorre a oxidação (com um metal de potencial de oxidação maior que o do cátion).
. eletrodo - um terminal feito de material condutor elétrico onde ocorrem as reações
. solução eletrolítica - solução ou" pasta" contendo um composto iônico.
. ponte salina ou parede porosa - uma ligação entre os locais de oxidação e redução, que permite a passagem de íons.

15. Uma curiosidade elétrica

Você pode perceber de maneira bastante simples o surgimento da corrente elétrica produzida pelo contato indireto entre dois metais. Basta amassar um limão com as mãos, a fim de amolecer sua parte interna e, em seguida, introduzir no limão uma placa de cobre e outra de zinco, separadas. Em seguida, encoste ao mesmo tempo a ponta da língua, nas duas placas. O que você sente?

16. Comentários finais

Não se esqueça de acertar a hora do alarme, de verificar se o alarme está ligado e utilize calculadora que emite som ao digitar os números porque é um indicador que o aparelho está funcionando.
Os alunos gostam muito dessa atividade, pois ficam surpresos quando o despertador começa a tocar e a calculadora começa a funcionar, constatado pelo som que ele ouve ao digitar os números. Eles ficam curiosos com a utilidade do multímetro, principalmente quando descobrem que ele pode verificar se as pilhas estão ainda em condições de uso.

17. Referências

1. Sardella, Antônio, Curso completo de Química, volume único, Editora Ática, 1999.
2. Novaes, Vera, Química, volume único, Editora Atual, 1999.
3. Usberco, João e Salvador, Edgard, Química 2, Físico-química, Editora Saraiva, 2000.
4. Cabral, Fernando e Lago, Alexandre, Física 3, São Paulo: Harbra, 2002.
5. Peruzzo, Francisco Miragaia e Canto, Eduardo Leite, Química na abordagem do cotidiano, Físico-Química, volumo 2, Editora Moderna, 2003.
6. Barros, Carlos e Paulino, Wilson Roberto, Ciências Física e Química, 8ª série,  Editora Ática, 2002.
7. De Caro, Carmem Maria, Figueiredo e Paula, Helder, Loureiro dos Santos, Mairy Barbosa, Castro Lima, Maria Emília Caixeta, Soares da Silva, Nilma, Aguiar Jr., Orlando, Schmitz de Castro, Ruth e Moura Braga, Selma Ambrozina, Construindo Consciência, 8ª série, Editora Scipione, 2004.
8. Cruz, Daniel, Ciências e Educação Ambiental, Química e Física, 8ª série, Editora Ática, 2001.

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