Ciência em Casa
Célula de combustível alcalina
Ciência em Casa

Material

      Voltímetro.
      Quatro fios condutores com crocodilos.
      Copo de vidro.
      Colher de chá.
      Uma ou duas pilhas de 4,5 V.
 
Compostos

      Dois fios de platina (2 x 5 cm).
      Água destilada.
      Hidróxido de sódio (NaOH).
 
Vídeo:  
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Fotos:  













Procedimento

     1. Atenção! Durante a execução desta experiência deves proteger as mãos com umas luvas e os olhos com uns óculos. (o hidróxido de sódio é extremamente corrosivo. Não realizes a experiência sem companhia.)

     2. Deita uma colher de chá de hidróxido de sódio no copo com água destilada e mistura bem a solução.

     3. Mergulha os eléctrodos de platina na solução e liga-os aos terminais do voltímetro. (podes verificar que o voltímetro não consegue detectar qualquer potencial, mesmo para a escala mais sensível)

     4. Liga a pilha aos eléctrodos de platina. (podes verificar uma produção vigorosa de gases nos eléctrodos)

     5. Muda a escala do voltímetro para 0-20 VDC e mede a diferença de potencial entre os dois eléctrodos. (de maneira a obteres potenciais positivos liga o fio preto do voltímetro ao eléctrodo de platina que está ligado ao termina [-] da pilha e liga o vermelho ao eléctrodo que está ligado ao terminal [+] da pilha. Podes verificar que a diferença de potencial medida é próxima da gerada pela pilha)

     6. Desliga a bateria do circuito eléctrico. (não agites o copo, de maneira a que as bolhas de gás permaneçam na superfície do eléctrodo)

     7. Mede a diferença de potencial entre os eléctrodos. (podes verificar que mesmo sem pilha, o sitema continua a produzir uma diferença de potencial próxima de 1,2 V)

     8. Muda progressivamente a escala do voltímetro para escalas de medição menores. (Podes verificar que a diferença de potencial vai diminuindo progressivamente)

     9. Liga novamente a bateria ao circuito e repete o procedimento anterior. (podes verificar que ao renovares as bolhas de gás na superfície dos eléctrodos, o sistema produz electricidade de forma contínua)
 

O porquê?

Em concordância com a célula de combustível salina, a presente experiência pode ser explicada utilizando os princípios básicos da electroquímica. A produção de electricidade pela célula de combustível alcalina é devida à reversibilidade da reacção de electrólise de uma solução aquosa alcalina (iões OH-).

Na primeira parte da experiência é realizada a electrólise da solução aquosa de hidróxido de sódio. Quando ligaste a pilha ao circuito, esta forneceu electrões ao eléctrodo de platina ligado ao terminal [-] e recebeu electrões do eléctrodo ligado ao terminal [+].

No caso particular da primeira parte desta experiência (electrólise), o cátodo é o eléctrodo de platina ligado ao terminal [-] da pilha. Por sua vez, o ânodo é o eléctrodo ligado ao terminal [+] da pilha.

Sendo assim, no cátodo, os electrões fornecidos pela pilha combinam-se com os iões Na+ e com a água da solução aquosa, havendo a formação de hidrogénio gasoso (H2) e hidróxido de sódio (NaOH). O H2 é libertado para a atmosfera e o NaOH passa para a solução aquosa, aumentando o pH desta. No ânodo, os iões hidróxido (OH-) presentes na solução libertam electrões e produzem oxigénio gasoso e água, que são libertados para a atmosfera e para a solução aquosa, respectivamente.

A diferença de potencial é praticamente igual à fornecida pelas pilhas devido à presença dos iões hidróxido na água.

Ao desligares a pilha do circuito há uma inversão de funções dos eléctrodos. Ou seja, o eléctrodo que funcionava com cátodo na electrólise passa a ser o ânodo e o ânodo passa a ser cátodo. Este facto é mensurável devido à capacidade catalítica da platina de aumentar a velocidade das reacções inversas à electrólise.

O hidrogénio gasoso na superfície do eléctrodo que funcionava como cátodo reage com os iões hidróxido, libertando electrões e água. Os electrões são transportados no circuito eléctrico para o cátodo e a água é libertada na solução aquosa. Por sua vez, no outro eléctrodo, o oxigénio molecular reage com os electrões produzidos no ânodo e com a água, formando-se novamente iões hidróxido (OH-).


A diferença de potencial inicial da célula de combustível é próxima de 1,2 V, porque este é a força electromotriz da célula. A diferença de potencial decresce progressivamente porque a quantidade de oxigénio e hidrogénio vai diminuindo à medida que estes vão sendo consumidos nas reacções de oxidação e redução. No entanto, se estes fossem alimentados ao eléctrodo de forma contínua, a célula de combustível era capaz de produzir uma diferença de potencial constante.

Electrólise Célula de Combustível Alcalina
Ânodo: 2 OH- -> 1/2 O2 + H2O + 2 e-
Cátodo: 2 Na+ + 2 H2O + 2 e- -> H2 + 2 NaOH
Ânodo: H2 + 2 OH- -> 2 H2O + 2 e-
Cátodo: 1/2 O2 + H2O + 2 e- -> 2 OH-




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